Применение автоматических термографов (термогигрографов) для микроклиматического мониторинга

Climate monitoring in Russia is carried out within the framework of the program: "Global Climate Observing System"[1]. Weather stations in Russia are sporadically distributed. Their numbers are not enough to study the regional climate. It is necessary to expand the network of monitoring of meteorological elements by using alternative observation systems.

The Institute of Geography V.B. Sochava SB RAS are carry out work on studying the climate of landscapes in the Tunkinskaya depression [2]. Thermographs and thermohygrographs Hygrochron Temperature / Humidity Logger iButton (DS1922, DS1923-F5) were used for monitoring of air temperature and humidity.

To confirm the correctness of the use of loggers and to assess the representativeness of the data, we performed a comparative analysis of the air temperature and relative humidity series from the data of the loggers and the data of the psychrometric termometers at the Tunka weather station (Republic of Buryatia) within the observation period from October 2011 to June 2015.

The average difference between the observed data of the thermograph and the data of the psychrometric thermometer is 0.2°C. The difference  during the year in 75% of the cases does not exceed the instrumental error (± 0.5°C), and in 93% of cases are ± 1°C. Analysis of the average daily temperatures have revealed a systematic error in the thermograph readings (0.2°C). After bias correction the difference between the thermograph and the psychrometric thermometer in 97% of cases does not exceed ± 0.4°C. This error is within the accuracy of the measurement of the thermograph. Coefficient of correlation was 0.95 for observed values, and 0.96 for average daily values.

Thermohygrographs overestimates the relative humidity. At a temperature above -20°C, 93% of the measurements fall within the range from -5 to + 15% from the data of observations, and 100% on average daily data. It was found that with the correction for the systematic error, 68% of the results of observations and 86% of the average daily values fall within the range of deviations ± 5% (registration error). In the range ± 10%, in this case, 98% and 100%, respectively.

Application of DS1922 thermographs and DS1923 thermohygrographs for climate monitoring is promising and allows to describe the features of the temperature and humidity regime correctly taking into account the properties and form of the underlying surface. The reliability of the observation data obtained using electronic loggers is confirmed by statistical methods. Differences in the time and average daily values of temperature and relative humidity between loggers and standard meteorological equipment in most cases do not exceed the instrumental error declared by the manufacturer. The data obtained with the help of DS1922 thermographs and DS1923 thermohygrographs significantly supplement the information on the meteorological conditions of mountain areas.

В настоящее время в России мониторинг характеристик климата осуществляется в рамках программы: «Глобальная система наблюдения за климатом» (ГСН) [1]. ГСН осуществляет измерение многочисленных параметров атмосферы для решения широкого спектра задач. Основные составляющие ГСН включают сеть наземных метеорологических, аэрологических и радиолокационных наблюдений; систему морских и аэрокосмических наблюдений. Перечисленные компоненты ГСН имеют свои преимущества, а также ограничения, ошибки и неточности. Плотность метеорологической сети является недостаточной для изучения регионального климата, а погрешности различных современных систем наблюдений зависят от методов измерений, используемых приборов, состояния атмосферы, времени и условий подстилающей поверхности. В результате возникает необходимость расширения сети мониторинга метеорологических элементов, особенно на региональном уровне, и более широкого привлечения данных альтернативных систем наблюдения. К их числу можно отнести данные спутниковых систем наблюдения за климатом, математического моделирования, а также данные натурных наблюдений с использованием современных автоматических измерительных приборов.

Комплексные климатические исследования с использованием выше перечисленных современных систем наблюдения успешно реализованы на Тункинском котловинном стационаре Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН. В рамках комплексных географических исследований проводятся работы по выявлению пространственных и временных особенностей распределения компонентов климата в горно-котловинных ландшафтах и факторов их формирования [2]. Для мониторинга климатических характеристик на локальном уровне с учетом свойств подстилающей поверхности, а также элементов горно-котловинного рельефа используются термографы и термогигрографы Hygrochron Temperature/Humidity Logger iButton с корпоративным обозначением DS1922 и DS1923-F5 соответственно.

Термограф (термогигрограф) представляет собой автономное малогабаритное энергозависимое электронное устройство для измерения температуры (температуры и относительной влажности) окружающей среды и хранения данных измерений в собственной памяти с привязкой к реальному времени. Диапазон регистрируемых значений температуры воздуха от -40 до +85°С. Дискретность измерения температуры воздуха 0,0625°С. Погрешность измерения температуры воздуха, заявленная производителем, составляет ±0,5°С. Диапазон регистрируемых значений относительной влажности воздуха от 0 до 100 %, дискретность измерения – 0,64 %, погрешность измерения, заявленная производителем ±5 % [3].

Электронные термографы широко используются в современных научных исследованиях. Возможность измерения температуры в различных средах, хранение значительного массива информации, функция регистрации данных с различной частотой и малогабаритные размеры позволяют успешно использовать их для множества задач современной науки [4-11 и др.]. В указанных исследованиях не проводится сравнение параметров, фиксируемых регистратором, с результатами измерений стандартных метеорологических приборов, что ставит под сомнение корректность полученных выводов.

Для подтверждения корректности использования термографа (термогигрографа) и репрезентативности полученных данных нами проведен сравнительный анализ рядов температуры воздуха и относительной влажности по результатам наблюдения с помощью автоматического оборудования, установленного в психрометрической будке, и психрометрической пары на метеостанции Тунка (Республика Бурятия) в пределах периода наблюдений с октября 2011 г. по июнь 2015 г. Количество сроков наблюдения, за которые сравнивались значения температуры, составляет 7910, относительной влажности – 1849. Термограф и термогигрограф были запрограммированы на измерения в метеорологические сроки синхронно с измерением температуры и относительной влажности воздуха стандартными метеорологическими приборами. Значения температуры воздуха и относительной влажности, измеряемой на метеорологической станции, взяты из Массива срочных данных об основных метеорологических параметрах на станциях России [12]. На метеорологических станциях сети Росгидромета измерения температуры воздуха проводятся по психрометрическому термометру, измерения влажности воздуха проводятся при помощи психрометра (при температуре воздуха не ниже -10°С). С помощью психрометрических таблиц определяются характеристики влажности (парциальное давление водяного пара, абсолютная и относительная влажность, массовая доля водяного пара, отношение смеси, точка росы и дефициты давления и точки росы). При более низкой температуре определение характеристик влажности производится по данным сухого термометра и волосного гигрометра [13].

В результате сравнительной оценки данных измерения термографов (термогигрографов) и измерений, проводимых на метеостанции получены следующие результаты.

Тест Колмогорова-Смирнова показал, что ряды срочных значений температуры воздуха и относительной влажности не соответствуют закону нормального распределения признаков. При анализе рядов температуры воздуха значения критерия Колмогорова-Смирнова для термографа/термогигрографа составляет 0,064 (р<0,01), для данных психрометрического термометра – 0,062 (р<0,01). При анализе рядов относительной влажности воздуха эти критерии равны 0,098 и 0,076 (р<0,001), соответственно. Полученные результаты значительно превышают критическое значение критерия. Следовательно, при сравнении рядов должны быть использованы непараметрические методы.

Для рядов температуры воздуха результаты теста Манна-Уитни (U=62317) и дисперсионного анализа (тест Крускала-Уоллиса (Н=0,788) ) указывают на отсутствие статистически значимых (р<0,05) отличий между медианными значениями рядов срочных данных термографа и психрометрического термометра. Это позволяет сделать вывод о принадлежности двух выборок одной совокупности. Другими словами, данные термографа (DS1922) и психрометрического термометра, установленных на метеостанции Тунка, отражают единый процесс, обусловленный одним комплексом физических условий.

Средняя разность срочных данных термографа и данных психрометрического термометра составляет 0,2°С. Стандартное отклонение разности – 0,4°С В течение всего периода наблюдений разность изменяется от -3,0 до 3,5°С. Разность срочных данных температуры воздуха, измеренных термографом, и данных психрометрического термометра метеостанции Тунка в течение года в 75 % случаев измерений не превышают инструментальную погрешность (± 0,5°С), а в 93 % случаев ±1°С.

Разность средних суточных значений по данным термографа и измерений психрометрического термометра в течение всего периода наблюдений изменяется в пределах от -0,6 до 0,8°С. При усреднении данных наблюдений до средних суточных, величина СКО разности в наблюдениях сокращается до 0,2°С. Погрешности средних суточных данных измеренных термографом, преимущественно положительны и в 80% наблюдений не превышают 0,4°С. При анализе средних суточных температур выявляется систематическая ошибка в показаниях термографа равная 0,2°С, при устранении которой разность между показаниями термографа и психрометрического термометра в 97% случаев не превышает ±0,4°С. Указанная погрешность находится в пределах точности измерения термографа.

Коэффициент корреляция между рядами температуры, измеренной психрометрическим термометром и термографом, составил 0,95 для срочных значений и 0,96 – для средних суточных значений.

При анализе рядов наблюдения за относительной влажностью воздуха обнаружена систематическая погрешность в данных, фиксируемых термогигрографом. Для срочных значений она составила 6 %, для средних суточных значений – 8 %. После учета поправки на эту погрешность в рядах относительной влажности, полученных при использовании электронных самописцев и стандартных метеорологических приборов, отсутствуют статистически значимые различия между медианными значениями и дисперсией как срочных, так и средних суточных величин (тест Манна-Уитни, тест Крускала-Уоллиса). Коэффициент ранговой корреляции Спирмена между рядами составляет 0,96 для обеих выборок.

Заявленная производителем погрешность регистрации относительной влажности при 2-байтном сохранении результатов ± 5% при измерении в температурном диапазоне ‑20 … +85°С. При температуре воздуха ниже ‑20°С измерения относительной влажности не прекращаются, однако показания термогигрографа выше данных гигрометра. В среднем отклонение составляет 12%, при этом в основном (в 94% случаев) отклонения выше предела погрешности регистрации, а в 55% случаев находятся в диапазоне 10-15%.

Как было показано выше, термогигрограф несколько завышает показания относительной влажности. При температуре выше -20°С в диапазон отклонений -5 …+15%  попадают 93 % измерений по данным срочных наблюдений, 100% – по средним суточным данным. После введения поправки на систематическую погрешность, получено, что в интервал отклонений ±5% (погрешность регистрации) попадают 68% результатов срочных наблюдений и 86% средних суточных значений за период исследования. В диапазоне ±10% в этом случае оказались 98 и 100%, соответственно.

Таким образом, использование термографов DS1922 и термогигрографов DS1923 является перспективным и позволяет корректно описать особенности температурного и влажностного режима с учетом свойств и формы подстилающей поверхности. Достоверность рядов наблюдения, полученных при использовании электронных самописцев, подтверждена статистическими методами. Разности срочных и средних суточных значений температуры и относительной влажности воздуха между логгерами и стандартными метеорологическими приборами в большинстве случаев не превышают приборную погрешность, заявленную производителем. Данные, полученные с помощью термографов DS1922 и термогигрографов DS1923, существенно дополняют сведения о метеорологических условиях горно-котловинных территорий.

Литература:

1.                  Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Т. I. Изменение климата. – М.: Росгидромет, 2008. – 277 с.

1. Василенко О.В., Воропай Н.Н. Особенности формирования климата котловин юго-западного Прибайкалья // Известия РАН. Серия географическая. – 2015. – №2. – С. 104-111.
2. Научно-Техническая Лаборатория «Электронные Инструменты» [Электронный ресурс] – Pежим доступа: http://www.thermochron.ru (дата обращения: 20.04.2007).
3. Константинов П.Я. Использование автоматических регистрирующих устройств (логгеров) для температурного мониторинга многолетнемерзлых грунтов / П.Я. Константинов, А.Н. Федоров, Т.Н. Мичурина // Криосфера Земли. – 2011. № 1. – С. 23-32.
4. Коркин С.Е. Мониторинговые исследования температуры пород для получения фоновых показателей территории природного парка «Сибирские увалы» / С.Е. Коркин // Вестник Тюменского государственного университета. – 2012. – №7. – С. 69-75.
5. Коркин С.Е. Температура грунтов в ландшафтах природного парка «Сибирские увалы» / С.Е. Коркин, Е.К. Кайль // Извести Самарского научного центра РАН. – 2014. – Т16. – № 1-4. – С. 1209-1213.

7.                  Шмакин А.Б. Влияние снежного покрова на промерзание и протаивание грунта на Западном Шпицбергене / А.Б. Шмакин, Н.И. Осокин, А.В. Сосновский, Э.П. Зазовская, А.В. Борзенкова // Лед и Снег. – 2013. – №4. – С. 52-59.

1. Литвинов Н. А. Температура тела и микроклиматические условия обитания двух видов круглоголовок в Северном Прикаспии / Вестник Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета. Серия Физико-математические и естественные науки. – 2013. – №1. – С. 19-26.
2. Воробьева И.Б. Экологические функции гумусовых веществ почв юга средней Сибири / И.Б. Воробьева // Материалы VI Всероссийской научной конференции с международным участием «Гуминовые вещества в биосфере». – Сыктывкар. – 2014. – С. 10-13.

10.              Осокин Н.И. Экспериментальные исследования коэффициента эффективной теплопроводности снежного покрова на Западном Шпицбергене / Н.И. Осокин, А.В. Сосновский // Лед и Снег. – 2014. – №3. – С. 50-58.

11.              Переладов М.В. Комплексные исследования прибрежных акваторий северных Курильских островов в августе – сентябре 2015 г. / М.В. Переладов, Л.К. Сидоров, Д.А. Ботнев, А.В. Вагин, А.В. Хохлов, А.А. Исхаков // Труды ВНИРО. – 2015. – Т.158. – С. 190-193.

12.              Булыгина О.Н., Веселов В.М., Разуваев В.Н., Александрова Т.М. «Описание массива срочных данных об основных метеорологических параметрах на станциях России. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2014620549 http://meteo.ru/data/163-basic-parameters#описание-массива-данных

13.              Наставления гидрометеорологическим станциям и постам, Вып.3, ч.1. – Л.: Гидрометеорологическое издательство. – 1969. – 308 с.