Метеоприборы, их виды и особенности. Единицы измерения, используемые в погодных приборах.
Каждый раз, собираясь выйти из дому, мы смотрим за окно и на градусник, чтобы знать, как одеться и стоит ли прихватить с собой зонт. Желая знать о погоде наперед, мы слушаем прогнозы по телевидению или смотрим их в интернете. В древности люди хорошо знали и понимали язык природы — так называемые «местные признаки погоды», по которым сельский житель мог достаточно точно предсказать надвигающееся ненастье. Нынешний горожанин, как правило, не разбирается в таких тонкостях, как форма и характер движения облаков, поведение животных, птиц и насекомых, оттенки заката. Но на помощь приходят современные технологии, позволяющие вам иметь свой персональный метеоцентр, который зачастую сможет предсказывать погоду в вашей местности даже лучше, чем это делают профессионалы, составляющие обобщенный прогноз для большой территории. Поэтому в наше время домашняя метеостанция становится таким же привычным домашним прибором, как телевизор или DVD плеер.
Вначале проведем небольшой «ликбез» для начинающих метеорологов. Все приборы для наблюдения за погодой выполняют две основные функции. Во-первых, информируют человека о текущем состоянии погоды. Во-вторых, помогают составить прогноз погоды по результатам наблюдений за изменениями состояния атмосферы.
Для чего существуют термометры и барометры, наверное, знают все. Несколько менее распространены гигрометры — приборы, определяющие влажность воздуха. Кроме этих приборов, в состав современных бытовых погодных станций могут входить:
- анемометр для определения скорости (силы) ветра;
- флюгер для определения направления ветра;
- дождемер для измерения количества атмосферных осадков;
- датчик ультрафиолетового излучения и др.
Таким образом, в зависимости от комплектации, бытовые погодные приборы можно разделить на несколько категорий.
Бытовые — аналоговые или цифровые, включающие термометр/гигрометр (отображающие условия внутри и/или снаружи помещения) и барометр.
Метеостанции - включающие термометр/гигрометр (отображающие условия внутри и снаружи помещения), электронный барометр. Как правило, такие приборы показывают гистограмму давления за последние сутки, прогноз погоды на ближайшие 12 часов, время, дату, фазу Луны и имеют синхронизацию часов с эталонными по радиоканалу. Число внешних термогигродатчиков может достигать трех. Их подключение к станции осуществляется по радиоканалу, причем дальность расположения станции может быть 50 — 100 метров.
Персональные метеоцентры
Включающие термометр/гигрометр (отображающие условия внутри и снаружи помещения), электронный барометр, анемометр, флюгер, дождемер и др. Как правило, такие приборы отображают гистограмму давления за последние сутки, прогноз погоды на ближайшие 12 часов, время, дату, фазу Луны, время восхода и захода Солнца и имеют синхронизацию часов с эталонными по радиоканалу. Число внешних термогигродатчиков может достигать пяти. Подключение анемометра, флюгера, дождемера и других датчиков к станции осуществляется по радиоканалу, причем станция может быть расположена от них на расстоянии от 50 до 100 метров.
Теперь, когда определены основные категории, можно поговорить о том, какой, собственно, прибор вам нужен. Для этого познакомимся с этими категориями поближе.
Итак, бытовая категория.
Тут наиболее широко распространены бытовые аналоговые «градусники», а также термометры для бань, ванных, аквариумов, детских и т.д. Наряду с отдельными устройствами выпускаются термогигрометры и барометры с часами, выполненные как раздельно, так и объединенные в общем корпусе. Особую группу таких приборов составляет сувенирная продукция, зачастую представленная в традиционном аналоговом исполнении.
В этой категории абсолютные фавориты — цифровые погодные станции. Достаточно широкие возможности и удобный вывод информации на дисплей делает эти приборы наиболее оправданными для современного городского жилища.
Как известно, самочувствие человека зависит от микроклимата. Так, наиболее комфортно люди себя ощущают при температуре 20-26°С, относительной влажности 45-65% и давлении около 760 мм рт. ст. (1013 hPa). Жара, низкое давление вредно сказываются на самочувствии лиц, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, повышенная влажность может вызвать обострение астмы. Для таких людей погодные станции просто жизненно необходимы. Кроме этого, правильно настроенная станция может давать точность суточного прогноза на уровне до 70%. Локальный прогноз может быть очень удобным с точки зрения предсказания возможных особенностей погодных условий, которые могут наблюдаться в различных районах больших мегаполисов. Полезной также может быть функция автоматической синхронизации встроенных часов станции с часовым эталоном, точность которого составляет 1 секунда на миллион лет. Передача эталонного сигнала происходит из предместья Майнфлинген, что в 30 км от Франкфурта (Германия). Так называемый DCF сигнал передается на частоте 77,5 кГц и доступен к приему в радиусе более 1500 км. В сочетании с будильником эта функция не даст вам ни малейших шансов опоздать или перепутать время.
Топовая категория — метеоцентры
Множество собираемых и накапливаемых данных, возможность подключения к персональному компьютеру и отображению данных в сети Интернет (у некоторых моделей), система звукового оповещения об опасных погодных явлениях и многое другое делает эти приборы максимально приближенными к профессиональному оборудованию. Правильно настроенный центр может давать точность суточного прогноза на уровне до 90%. Эти приборы могут быть чрезвычайно полезны для жителей частных домов как в черте города, так и в сельской местности. Они могут стать элементом системы «умный дом», данные с которой используются для оптимизации температурных режимов в помещениях, обеспечения полива участка и многого другого, вплоть до изучения местных погодных условий для обоснования использования возобновляемых источников энергии.
За рубежом подобная техника часто используется не только владельцами домов, но и во вполне профессиональных целях, например, как оборудование садовых и фермерских хозяйств.
Перед тем, как поговорить о единицах измерения данных, отображаемых погодными станциями, стоит сказать несколько слов о специализированных датчиках и приборах.
Датчик UV излучения нужен для расчета дозы ультрафиолетового излучения. На основании этой информации можно определить безопасное время пребывания под прямыми солнечными лучами. Его показания хорошо соотносятся с данными такого профессионального прибора, как пиранометр, используемого для измерения солнечной радиации (плотности потока солнечного излучения, измеряемого в ваттах на квадратный метр). Использование этого датчика может быть актуальным для санаториев и баз отдыха.
Датчик влажности почвы обеспечивает измерение влажности почвы. Этот датчик крайне полезен для садовых и фермерских хозяйств. Среди портативных метеоприборов особо следует выделить анемометры. Они жизненно необходимы при проведении высотных работ (их устанавливают, например, на башенных кранах). При усилении ветра выше определенной величины работы прекращаются. Кроме этого, ими пользуются спортсмены (яхтсмены, альпинисты, дельтапланеристы и др).
О единицах измерения и точности данных, отображаемых погодными станциями
Температура
Начнем с самого просто и привычного — температуры. Температурные шкалы бывают разными. Наибольшее распространение получили шкалы Фаренгейта (F) и Цельсия (С), названные по фамилиям своих изобретателей. Общепринята шкала Цельсия. В ней точками отсчета являются температура плавления льда (0°C) и кипения воды при атмосферном давлении 760 мм ртутного столба (100°C), а величина градуса определяется как сотая часть этого интервала. Шкала Фаренгейта применяется в США. В ней нулю градусов (0°F) соответствует температура плавления смеси снега и нашатыря, а 100° — температура человеческого тела. Однако Фаренгейт ошибся в последнем измерении: нормальная температура человеческого тела на самом деле составляет 97,9°F.0° по Цельсию — это 32° по Фаренгейту, 100° по Цельсию — 212° по Фаренгейту и т.д. Абсолютное большинство современных метеостанций отображает температуру в одной из этих шкал.
Разрешение измерений температуры бытовыми метеостанциями составляет 0.1°C или 0.2°F , а точность : +/- 1°C или +/- 2°F.
Пересчёт температуры между основными шкалами
Влажность
С влажностью все довольно просто. По отношению к домашним условиям и метеорологическим данным принято применять понятие относительной влажности, которая представляет собой отношение массовой доли водяного пара в воздухе к максимально возможной при данной температуре. Измеряется она в процентах. Комфортной для человека, как мы уже ранее упоминали, является влажность на уровне 45-65%. При низкой влажности менее 5-7% и, соответственно, при очень высокой, более 95%, самочувствие человека существенно ухудшается. Говоря об относительной влажности, стоит отметить еще и такой момент.
Если температура опускается ниже точки росы (точки насыщения), излишек пара конденсируется в виде росы, тумана или дождя, так как воздух может иметь только определенное количество паров в соответствии с его температурой. Например, при температуре 15°C и относительной влажности 50%, температура точки росы будет примерно 5°C. При температуре ниже точки замерзания осадки выпадают в виде инея и снега.
Разрешение измерений уровня влажности бытовыми метеостанциями составляет 1%, а точность измерения: +/- 3-5% .
Давление
Самым запутанным для понимания, как правило, становится параметр атмосферного давления. Но он же является одним из самых важных как для прогнозирования погоды, так и для здоровья человека, т.к. именно воздействие перепадов атмосферного давления отражается на людях, подверженных сердечно-сосудистым заболеваниям. Разберемся в этом вопросе детальнее. Принято, что атмосферное давление в каждой точке атмосферы равно весу всего выше лежащего столба воздуха с основанием, равным единице. На уровне моря атмосферное давление в среднем близко к тому давлению, которое производит столб ртути высотой 760 мм. Атмосферное давление убывает с высотой по определённому закону в зависимости от вертикального распределения плотности воздуха. Какое же давление является нормой? Для населённых пунктов, расположенных на высоте земной поверхности, близкой к уровню моря, например, в Одессе, это значение давления составляет 760 мм рт.ст. Тогда как в Харькове, расположенном на высоте порядка 107 метров над уровнем моря, нормальным является значение 750мм рт.ст.
Чтобы давление было сравнимо на метеостанциях, расположенных на разных высотах, на синоптические карты наносится давление, приведённое к единой эталонной отметке — уровню моря. Для небольших высот (несколько сотен метров) справедливо утверждение, что каждые 11 м подъёма уменьшают атмосферное давление примерно на 1мм рт.ст. Бытовые метеостанции отображают атмосферное давление в нескольких величинах: mbar, hPa, mmHg или inHg. Однако, нередко встречаются станции, которые не отображают давление в mmHg (мм рт.ст.), а только в hPa (гектопаскалях). Это связано с тем, что основной единицей давления в системе СИ, служит паскаль (Па); 1 Па= 1 Н/м2. Эти две единицы измерения соотносятся друг с другом следующим образом: 1 гПа = 0,75 мм рт. ст. или 1мм рт. ст. = 1,333 гПа.
Бытовые метеоцентры имеют разрешение измерения давления в 0.1 hpa. При этом точность измерений составляет +/- 3-5 hpa.
Ветер (сила и направление)
Направление ветра, как вы, наверное, догадались, метеоцентры показывают в соответствии со сторонами света или же указывают азимут направления в градусах. Скорость ветра отображается в: милях/час, м/с, узлах, км/час, шкале Бофорта. Большая часть этих единиц измерения вам знакома, остановимся детальнее на двух из них, пришедших в обиход из морской практики.
Узел (knots) — единица измерения скорости, равная одной морской миле в час. Так как существуют разные определения морской мили, соответственно, и узел может иметь разные значения. По международному определению, один узел равен 1,852 км/ч. Таким образом, 1 узел= 0,51 м/с, а 1 м/с = 1,94 узла.
Шкала Бофорта (beaufort wind scale) — двенадцатибальная шкала, принятая Всемирной метеорологической организацией для приближенной оценки скорости ветра по его воздействию на наземные предметы или по волнению в открытом море. Средняя скорость ветра указывается на стандартной высоте 10 м над открытой ровной поверхностью. Шкала разработана английским адмиралом Ф. Бофортом в 1806 году. С 1874 года принята для использования в международной синоптической практике. В 1955 году, чтобы различать ураганные ветры разной силы, Бюро погоды США расширило шкалу до 17 баллов.
Напрямую с измерением ветра связан еще такой показатель, как Wind Chill (температура охлаждения ветром). Данный параметр был введен во время Второй мировой войны. Это не конкретное измерение температуры, а температура, которую чувствует человек на открытом пространстве под действием ветра и температуры окружающей среды.
Нам больше знаком несколько иной параметр — температура комфорта, или эффективная температура. Она часто отображается на многих сайтах. Этот значение температуры, которое должен иметь сухой воздух при штиле, чтобы оказывать на человеческий организм такое же воздействие, как и воздух, обладающий некоторой влажностью при наличии ветра.
Погрешность измерений направления ветра бытовыми метеоцентрами составляет +/-11.25°, а разрешение 22.5°. Разрешение определения скорости ветра равно 1 м/с, а погрешность ее измерения +/- 3-5%.
Уровень осадков
Осадки измеряются в миллиметрах или дюймах. Количество осадков выражают в слое воды, который образовался бы от выпадения осадков, если бы они не испарялись, не просачивались в почву и не стекали бы. Численно количество осадков в миллиметрах равно количеству килограмм вылившейся воды на площадку в 1 кв. метр, т.е. 1 мм = 1 кг/1 м2. «Сильным» – называется дождь, если его выпадает от 15 до 49 мм за 12 часов. Осадки бывают и «очень сильными», когда их выпадает от 50 мм за 12 часов.
«Сильный снег» – количество осадков от 7 до 19 мм за 12 часов. «Очень сильный снег», когда его количество превышает 20 мм за 12 часов.
Толщина снега (высота снега) измеряется снегомерными рейками в сантиметрах и метрах.
Обычная точность измерений уровня осадков бытовыми метеоцентрами — 0,5 мм.
УФ индекс
Ну и последний показатель — это UVI или индекс солнечного ультрафиолета (УФ индекс, UV Index) — описывает уровень солнечного УФ излучения на поверхности земли. Шкала индекса располагается от 0 до 11 и выше. Чем больше это значение, тем больше вероятность получения повреждений кожи и зрения, и меньше времени нужно для того, чтобы это произошло.
Низким и нормальным для наших широт можно считать уровень UVI, равный 1-2 единицам. Умеренный UVI равен 3-5 единицам, в этом случае стоит позаботиться о средствах защиты кожи и зрения. При высоком уровне в 6-7 единиц нужно соблюдать меры предосторожности и не находиться на открытой местности длительное время. При больших значениях индекса нужно стараться не покидать помещение.Уровень УФ излучения в течение дня изменяется, поэтому изменяется и значение УФ индекса. Максимального значения УФ индекс достигает в течение четырехчасового периода около полудня (2 часа до полудня и 2 часа после полудня).
На этом наш вводный курс по «бытовой метеорологии» можно считать завершенным, в следующей статье мы подробно расскажем вам, как правильно разместить метеоприбор и его настроить.
