Северный полюс».

Современное состояние актинометрических измерений на станциях «Северный полюс». Результаты
измерений длинноволновых и коротковолновых составляющих радиационного баланса (СРБ)
с использованием конструктивно интегрированного балансомера CNR 1 KIPP&ZONEN. Автоматизированые
рабочие места (АРМ) для обработки актинометрической информации (MAWS v110
и SONE 7v02).
А.А.Речнов, А.А.Мишин, Е.Е.Сибир
Одним из климатообразующих факторов для высоких широт Арктики является приход
лучистой энергии к подстилающей поверхности. Оценкой коротковолновой составляющей
радиационного баланса (СРБ), как наиболее значимой в летний период, могут служить
измерения суммарной солнечной радиации (Q). Непрерывные измерения Q проводятся на
станциях СП с 1950 года (СП-2). По определению Q есть сумма прямой и рассеянной солнечной
радиации, причем «вклад» составляющих различен и зависит от типа облачности, прозрачности
атмосферы и характеристик подстилающей поверхности (ПП).
Стандартные «срочные» актинометрические наблюдения начаты на станции СП-2, а с начала
70 годов уже выполнялась непрерывная регистрация СРБ на базе самопишущих приборов типа
ЭПП-09, КСП-4 [1,2]. Обработка данных велась на ЭВМ (ЕС 1022, СМ1420) с учетом
меняющихся координат по алгоритмам [3]. Данная методика получения актинометрических
данных сохранялась в полоть до 1990 года (СП31), когда были получены последние
систематизированные данные в виде таблиц ТМ-12 и ТМ-13. После многолетнего перерыва на
станции «СП 33» были возобновлены актинометрические измерения СРБ.
Измерения проводились в период с мая по август 2005 года. Осуществлялась непрерывная
регистрация Q и отраженной радиации (Rk). В дальнейшем, из-за большого числа ошибок и
несовершенства технической базы, обработка Rk не выполнялась. При этом в качестве
измерителя использовался регистратор: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) ADS_24 с
блоком памяти записи суточных данных.
Измерения проводились на относительно ровном участке подстилающей поверхности в 20-и
метрах от метеорологического кабинета. Актинометрические датчики М-115М были
соединены в один блок и, за неимением специальной актинометрической стрелы, закреплены на
конце металлического шеста, крепящегося к треноге см. Рис. 1. В качестве рабочих средств
измерения использовались термоэлектрические пиранометры (ТЭП) типа М-115М.
Рис.1. Актинометрическая стойка с приборами Q и Rk слева;
Спектральный альбедометр TRIOS справа.

Используемые ТЭП регистрации Q и Rk имели поверочные сертификаты как средства
измерений (СИ) 3 разряда. Запись велась с дискретностью в 1 минуту. Каждое измерение имело
временную привязку. Наряду с рабочим комплексом регистрации на станции имелась
«контрольная пара» состоящая из образцового актинометра и потенциометра ПП-63,
использующаяся как независимая измерительная система для проведения ежемесячных серий
«сравнительных» измерений.
В дальнейшем месячный объем данных обрабатывался вручную. Для получения режимных
обобщений в виде таблиц ТМ-13 по стандартной программе наблюдений, актинометрические
данные обрабатывались по алгоритмам с учетом меняющихся координат «вручную» с
использованием средств MS Office EXCEL (Рис.2).
2
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
1 121 241 361 481 601 721 841 961 1081 1201 1321 1441 1561 1681 1801 1921 2041 2161 2281 2401 2521 2641 2761 2881
Рис. 2. Отображение ежеминутных суточных данных регистрации в относительных
единицах. 30 июня 2005 года. Истинный полдень 15 час15 минут GMT.
Суммы рассчитаны с учетом градуировок ADS_24 и с введением температурных поправок
по средним суточным значениям температуры, а также с учетом корректирующих множителей.
Исходные данные (суточные файлы в текстовом формате) обрабатывались по следующему
алгоритму:
• Вычислялись средние часовые интенсивности Q по GMT в относительных единицах.
• По координатам станции вычислялось время истинного полудня.
• Полученные таблицы (суточные данные) перекомпоновывались с учетом часовой разницы:
от 2 ч 18 до 3 ч 35 мин.
• По преобразованным данным рассчитывались средние часовые интенсивности в физических
величинах и часовые суммы с учетом данных сравнительных измерений по образцовым
приборам ОСИ.
• Вводились корректирующие коэффициенты для каждой суточной Q. Формировались
таблицы ТМ-13 по установленному образцу.
Пропущенные и искаженные данные восстанавливались экспертом. Исходные данные
имели ряд методических и технических недостатков. К таковым можно отнести, - пропуски в
исходных данных, «затенения» мачтами датчиков ТЭП в утренние вечерние часы, «выбросы» в
записи, обусловленные помехами линий связи и перебоями сетевого питания. Наблюдались
искажения в записи, вызванные наличием гидрометеоров на стекле пиранометра.
В летний период на всей поверхности льдины наблюдалось большое количество «снежниц»
с глубинами до 1 метра (при средней толщине льда до 2-х метров), объединенные в системы
озер или существующие отдельно и «замаскированные» тонким ледком. В течение всего
периода наблюдений отмечались области неравномерного залегания снежного покрова и тень
под датчиком отраженной радиации Rk. Отмечено также большое число прочих методических
искажений. В силу этого данные по Rk не обрабатывались.
В результате обработки были получены часовые, суточные и месячные суммы Q за три
летних месяца. Для первичной оценки их достоверности были использованы данные работы [4]

см Рис. 3. На диаграммах отмечено среднее положение (за месяц) станции СП и представлены
средние часовые интенсивности потока Q за весь летний период наблюдений (май-август). По
предварительным оценкам суммы удовлетворяют также и средним климатическим нормам.
Изограммы интенсивности Q приведены по данным станций СП с 1950 по 1960 годы. Также в
[4] обобщены и районированы по секторам первые данные по СП и береговым арктическим
станциям. Для удобства оценки, данные СП 33 приведены в старых единицах (Ккал/см 2). Как
видно из приведенных рисунков и нанесенных на них полученных данных, в целом значения
удовлетворяют рамкам климатических норм.
3
«Средние»
координаты
СП и суммы Q
Июнь
88-87 N 47-54 W
828 Мдж/м2
Июль
88-87 N 53-42 W
594 Мдж/м2
август
87-86 N 44-39 W
394 Мдж/м2
Рис. 3 Месячные суммы Q за июнь, июль и август. Станция СП 33 и данные станций СП-2,
СП-8 (1951-1960гг)
На станции СП 34 измерения Q и обработка выполнялись аналогичным образом на
регистратор ADS_24. Обработка данных выполнялась также вручную
Начиная с 2007года (СП 35), для измерения составляющих радиационного баланса
использовался конструктивно-интегрированный балансомер CNR1 в составе
полуавтоматической станции MAWS 110. См. рис. 4. В состав датчика входят 4 сенсора: Q, Rk,
а также датчики Ba (длинноволновой радиации атмосферы) - нисходящий поток и Bo
(длинноволнового излучения подстилающей поверхности) – восходящий поток. CNR1 имеет в
расчетных «калькуляционных» формулах MAWS 110 раздельные коэффициенты
преобразования для Bk=(Q,Rk); и Bd=(Ba,Bo). В работе [5] показана возможность
использования прибора для выполнения актинометрических измерений по программе
наблюдений СП.
Использование прибора данного типа позволило резко увеличить объем получаемой
актинометрической информации. В результате на станциях СП 35,36 получены составляющие
радиационного баланса, позволяющие рассчитать полный баланс B. См. Рис. 5. В условиях
дрейфующей станции СП выполнение полной программы актинометрических измерений всегда
было связано с большими трудностями. В большинстве случаев полный баланс в летний период
браковался в силу большого числа методических и инструментальных ошибок. И прежде всего
из-за трудности измерений Rk (подсветки, не горизонтальность, неровности П.П.).

4
Рис. 4 CNR1 на СП 37.
В представленных данных присутствует много пропусков и восстановлений информации,
т.к. датчик CNR1 использовался в условиях СП впервые. При выполнении измерений отмечена
не горизонтальность CNR1, завышенные значения Ak, затенения и неправильная установка
приборов. По возможности эти данные восстанавливались.
СРБ/мес. 10.2007 11.2007 12.2007 01.2008 02.2008 03.2008 04.2008 05.2008 06.2008
Q 7.81 - - - - 36.07 319.03 605.08 669.22
Rk 6.09 - - - - 27.65 257.39 493.83 510.64
Bk 1.73 - - - - 8.41 61.64 111.25 158.58
Ba (атм.) 660.13 509.93 453.61 460.87 413.54 416.86 487.09 620.19 709.43
Bo(П.П.) 714.60 582.00 539.00 530.04 486.02 499.47 583.85 685.79 763.88
Bd -54.47 -72.07 -85.39 -70.94 -72.48 -80.52 -96.76 -65.60 -54.45
B(баланс) -52.74 п/н п/н п/н п/н -75.47 -35.12 45.65 104.13
Ak% (>10) - - - - - - 83 82 76
Ak %(вост.) 81(78) - - - - 77 81 82 80(83)
P2(прозр.) - - - - - - 0.744 0.736 Брак *
K(кор.) 100 - - - - 0,95** 0,99 0,97 0,97
СРБ/мес. 10.2008 11.2008 12.2008 01.2009 02.2009 03.2009 04.2009 05.2009 06.2009 07.2009
Q 2.70 - - - - 27.78 383.52 715.60 914.65 661.66
Rk 2.35 - - - - 22.94 315.95 593.20 763.67 511.22
Bk 0.35 - - - - 4.84 67.57 122.40 150.98 150.44**
Ba (атм.) 579.80 493.34 364.80 356.59 313.68 331.86 389.59 637.41 671.66 728.75
Bo(П.П.) 659.02 572.93 462.89 440.922 398.01 428.66 485.15 694.00 749.42 793.11
Bd -79.22 -79.59 -98.09 -84.33 -84.33 -96.80 -95.56 -56.59 -77.76 -64.36
B(баланс) -78.87 п/н п/н п/н п/н -91.96 -27.99 65.81 77.32 86.08**
Ak% (>10) - - - - - - 85 84 85 87
Ak %(вост.) 81 - - - - 84 83 82 80(83) 75(77)
P2(прозр.) - - - - - - 0.754 0.800 0.789 0.789
K(кор.) 100 - - - - 100 092 094 095 095
Рис. 5 Составляющие радиационного баланса СП 35,36 месячные суммы Мдж. м2 мес.

В приведенных таблицах: значения (*,**) восстановлены, сомнительны или забракованы.
Подробные сведения даны в «справках» по материалам приема наблюдений.
Актинометрические измерения СП 35 и 36, выполненные новыми приборами и по новой
методике, были сопоставлены с данными измерений, проводившихся ранее на дрейфующих
станциях. Для анализа были использованы значения месячных сумм различных составляющих
радиационного баланса, рассчитанных по данным измерений СП 35 и 36 и соответствующие
значения месячных сумм, полученных в ходе стандартных актинометрических наблюдений на
дрейфующих станциях СП 2-31. Поскольку величины потоков коротковолновой радиации
существенно зависят от широты места наблюдений, для сравнения выбирались только те
станции, дрейф которых в течение соответствующего месяца проходил примерно в тех же
широтах, что и дрейф СП 35 и СП 36.
Месячные суммы суммарной радиации (Q), коротковолновой (B к) и длинноволновой (В д)
составляющих радиационного баланса по измерениям на СП 35 и 36 и предшествующих
дрейфующих станциях удовлетворительно согласуются между собой с учетом точности
измерений этих параметров и, особенно, их межгодовой изменчивости, обусловленной прежде
всего изменчивостью характеристик облачности. Таким образом, предварительный анализ
результатов актинометрических измерений на СП 35 и СП 36 показал, что они не противоречат
имеющимся данным о радиационном режиме Арктического бассейна.
В дополнение к этому для анализа были использованы данные работы [2], в которой
представлены полные данные по месячным суммам за весь период наблюдений по станциям
СП. Месячные суммы получены в основном по самописцам или восстановлены по «срочным»
наблюдениям. Данные были сгруппированы по годам и представлены в графической форме см.
рис 6. Визуальная оценка полученных данных на СП 33-36 вполне удовлетворяет тенденциям
многолетнего хода значений месячных сумм Q (точки значений за 2005год увеличены в
масштабе). Хотя, строго говоря, исходные данные не были сгруппированы по секторам
Арктики, а использовались в целом по высокоширотной области. Анализ многолетних данных
за 1950- 2005гг. показывает тенденцию увеличения прихода Q. Полученные данные СП-33-36
находятся практически на продолжении «положительных» трендов месячных сумм Q (за летние
месяцы).
5
Рис. 6.
Вероятно, это в первую очередь связано с облачными условиями. Известно, что величины
суммарной солнечной радиации в основном определяются облачными условиями, а именно,
соотношением общей и нижней, а также преобладающими формами. К сожалению, в рамках
краткого сообщения нет возможности провести анализ с привлечением метеорологических

данных, данных по альбедо подстилающей поверхности и прозрачности атмосферы за весь
период наблюдений СП 33-36.
Как уже отмечалось ранее, с использованием CNR1 появилась возможность прямых
измерений длинноволновых потоков Ba и Bo. Ранее в работах по радиационному климату
Арктики [2,3,4], рассматривались климатические оценки эффективного излучения ка к
компоненты полного радиационного баланса, т.е. как расчетной величины. Теперь есть
возможность оценить годовой ход длинноволновой радиации атмосферы (противоизлучения) и
длинноволнового излучения подстилающей поверхности. Для июля 2008 г. эти данные
представлены на рисунке 7.
6
Ba (противоизлучение атмосферы июль 07)
Bo (излучение подстилающей поверхности июль 07).
Рис. 7. Средние часовые значения в Вт/м2.сек. Ba (противоизлучение атмосферы) и Bo
(излучение подстилающей поверхности). Датчик CNR 1. СП 35,36.
При выполнении критического контроля данных производились выборки экстремальных
значений потоков длинноволновой радиации. В таблице 1. Представлены для летних месяцев
значения Ba, Bo в Вт/м2. (мгновенные значения). Приведены минимальные и максимальные
значения за период СП35,36.

7
Ba (атмосферы)
Bo(подстил.поверхности)
Таблица 1.
03 04 05 06 07
Ba сред. 143 200 230 280 286
Ba min. 126 130 160 200 218
Ba max. 273 290 290 340 329
Bo сред. 180 210 250 300 312
Bo min. 166 170 220 280 290
Bo max. 271 290 300 320 321
Обработка данных полуавтоматических станций типа MAWS и получение режимных
обобщений по ежеминутным данным СРБ возможна только при использовании
специализированных АРМ «MAWS» и АРМ «SONE 7». Эти АРМ-ы были разработаны в период
2005-2009гг. и внедрены в практику наблюдений как рабочие «макеты» программных средств
для СП 35,36.
Схематично информационная технология сбора и первичной обработки данных СП
представлена на Рис. 8. Технология включает в себя рабочие и контрольные ТС (MAWS110),
специализированные АРМ-ы, средства подготовки архивных данных а также методику
выполнения измерений (МВИ).
Технические
Средства (ТС)
измерений
Полуавтоматич
еские станции
на базе
MAWS110
Программное
обеспечение (ПО):
Системное ПО
Прикладное ПО
АРМ-ы:
MAWS110
SONE 7
ПЕРСОНА МИС
Методика
Выполнения
Измерений
(МВИ) для
новых ТС
MAWS 110
Информационная
технология на базе
ТС, МВИ, ПО
Специализированный
Архив
метеорологических и
Актинометрических
Данных СП
Рис.8
Для обработки данных MAWS10 разработан АРМ «MAWS 110». Головной модуль приложения
представлен на рисунке 9. Головной модуль сопряжен с исполняемыми функциональными
модулями[7]:
Рис.9

АРМ разработан как первичное технологическое средство обработки данных
полуавтоматической станции MAWS 110 (VAISALA). АРМ является составной частью
технологической цепочки информационного «сопряжения» полуавтоматических станций со
«стандартными» сетевыми АРМ-ами метеоролога «ПЕРСОНА МИС» ВНИИГМИ-МЦД и
актинометриста «SONE 7 регистрация» (проект ГУ ААНИИ). АРМ выполнен в рамках НИР
(2005-2008гг). На рабочем макете АРМ обрабатывались данные СП-35,36. Основные функции
АРМ:
Автоматизированный ввод, отображение и преобразование суточных файлов MAWS
110, содержащих ежеминутных данные МВ и СРБ, в месячном объеме с расширением
«LOG». Получение файлов данных «стандартного» формата - « TXT».
Представление данных в виде «суточного хода» и численных значений; в форме
удобной для наблюдателя. Возможность контроля и восстановления данных
регистрации. Оперативной оценке методических и технологических ошибок при работе
станции.
Автоматизированная подготовка данных для АРМ метеоролога и актинометриста
(SONE 7).
Обеспечение необходимого сервиса - сохранение, визуализация и расчет
астрономических характеристик в виде удобном для наблюдателя.
Подготовка в необходимом объеме данных в ГосФонд ААНИИ согласно утвержденному
перечню.
Автоматизированный учет изменения координат станции СП за месяц.
АРМ работает с месячным объемом информации MAWS110. Последовательность выполнения
операций при использовании АРМ на станции СП состоит в накоплении суточных файлов в
рабочем каталоге в течение месяца. Визуальный контроль, редакция и восстановление (при
необходимости) файлов LOG ежесуточно. Затем выполняются преобразование форматов
файлов «LOG» в «TXT». Выполняются преобразования ежеминутных (UTC) файлов в файлы
СРБ по истинному солнечному времени (с учетом файла координат СП) для АРМ
актинометриста.
АРМ «SONE 7» разрабатывался одновременно с АРМ MAWS для обработки ежеминутной
информации CNR1[8] по типу «регистрация». Алгоритмическую основу АРМ составляют
разработки ААНИИ в 1980-1990гг. и алгоритмы «сетевого» АРМ актинометриста «SONE 6»
(совместная разработка с ГГО). Головной модуль представлен на рисунке 10. АРМ
разрабатывался на основе существующих элементов технологии получения, восстановления и
контроля данных ААНИИ, используемым в более ранних версиях систем обработки ААНИИ,
ГГО для ЕС ЭВМ. При этом использовались методические основы построения комплекса
программ полученные в рамках НИР Р.З.1.7.8.19 (ААНИИ-ГГО) выполненных в 1994-1996гг.
Алгоритмической основой комплекса АРМ SONE 7 v.02 являются:
Алгоритмы обработки актинометрической информации для ЕС-1061 (ГГО).
Алгоритмы обработки актинометрической информации полярных станций для ЕС-
1022 (ААНИИ).
Алгоритмы обработки актинометрической информации для автоматических станций
«полуавтоматический метод» (ААНИИ).
Структура архивных данных для РСБД "АКТИНОМЕТРИЯ" ГГО.
8

9
Рис. 10.
На головной форме отображено основное меню, система идентификации и настройки, а
также объемы исходных и подготовленных актинометрических данных. Меню содержит
основные позиции по настройке, вводу и обработке данных, коэффициентов преобразования,
архивации и получения таблиц ТМ-13.
Меню головной формы содержит: Настройки, ввод данных MAWS, получение таблицы ТМ-
13 и архивацию данных СРБ. Предусмотрен ввод координаты СП, корректирующих
множителей и ввод метеорологической информации. Выполняется также ввод, расчет
архивация Р2 (прозрачности атмосферы). Полученные часовые суммы контролируются.
Выполняется архивация по форматам РСБД «Актинометрия».
Файловая структура ПО АРМ SONE 7 v.02 ориентирована на выполнение следующих
функциональных задач:
- Автоматический ввод ежечасных данных, контроль, отображение в виде графиков и
численных значений в форме удобной для наблюдателя основной измеряемой величины
суммарной солнечной радиации (Q).
- Обеспечение необходимого сервиса - сохранение, визуализация в виде удобном для
просмотра архивных файлов с расширением «.txt». Получение ежеминутных рядов данных
по основным метеорологическим параметрам.
- Восстановление рядов значений станции MAWS 110 при наличии ошибок и сбоев станции.
- Ввод и запись «призначной» информации АРМ для программы ввода данных станции.
- Подготовка в необходимом формате и объеме данные в Госфонд ААНИИ, РСБД
«АКТИНОМЕТРИЯ» согласно утвержденному перечню.
- Подготовка режимных обобщений (таблиц ТМ-13) в соответствии с алгоритмами и
процедурам контроля данных.
- Обработка данных по прозрачности атмосферы (P2) [3].
- Расчет астрономических характеристик.
В заключение необходимо отметить необходимость усовершенствования процедур
автоматизированного контроля и восстановления данных регистрации СРБ. Весьма важной
представляется подготовка методики выполнения измерений (МВИ) для полуавтоматической
станции MAWS 110.

10
Список литературы:
1. СТП 17.52-87 МВИ составляющих радиационного баланса на станциях САЭ и СП.
ААНИИ, 1986.
2. Маршунова М.С., Мишин А.А.. Справочник по радиационному режиму Арктического
бассейна (дрейфующие станции). Санкт-Петербург Гидрометеоиздат 1994 г.
3. Алгоритм обработки актинометрической информации для полуавтоматического и
автоматического методов. ААНИИ 1986г. Рукопин.
4. Гаврилова М.К. Радиационный климат арктики. Л.Гидрометеоиздат 1963 г.
5. Бычкова А.П., Луцьо Л.В. и др. О сравнениях актинометрического комплекса фирмы
KIPP@ZONEN и табельных приборов росгидромета. Тр. ГГО вып. 558. 2008г.
6. Речнов А.А. К вопросу автоматизации процессов наблюдений за облачностью и
атмосферными явлениями. Доклад на III Всесоюзном симпозиуме «Метеорологические
исследования в Антарктике».
7. АРМ MAWS v110 полуавтоматической метеорологической станции MAWS 110
(VAISALA). Руководство пользователю. Программное и информационное обеспечение
программ метеорологических и актинометрических наблюдений станций ГУ ААНИИ
«Северный Полюс» (СП). Проект. Рукописн.
8. АРМ SONE 7 v.02 «регистрация». Для станций ВАЭ «Северный Полюс» (СП). Проект.
Рукописн.