Источник метеорологической информации, база данных NASA

Одним из важных направлений мониторинга качества окружающей среды является создание глобальной системы наблюдений за изменением состояния суши, океанов и атмосферы. Для формирование такой системы необходимо было организовать эффективное взаимодействие различных систем наблюдений - локальных, дистанционных, наземных и спутниковых. Координацией этого взаимодействия на международном и национальных уровнях занимается Всемирная Метеорологическая организация (ВМО), в которую входят 189 стран и территорий, а также другие международные и национальные ведомства.

Среди задач использования результатов регулярного мониторинга атмосферы, ее температурного и ветрового режима, уровня солнечной радиации, влажности, осадков, состояния подстилающей поверхности, оказывающего существенное влияние на физическое состояние атмосферы, на погоду и климат, особое место занимает оценка энергетических ресурсов возобновляемых источников энергии. В большинстве случаев в качестве основной исходной информации для проведения такой оценки выступают данные космического мониторинга. При мониторинге данные космической съемки используются в сочетании с другими источниками информации. Так в случае необходимости, данные космического ветромониторинга могут корректироваться и уточняться по результатам специально организованного наземного ветромониторинга.

Космический мониторинг позволяет с достаточной степенью точности получать количественную информацию о вертикальном и горизонтальном профиле метеорологических величин в атмосфере. Измерения могут проводиться над всеми территориями, являющимися объектами мониторинга, включая и малонаселенные, отдаленные и труднодоступные районы, где размещение метеорологических и аэрологических станций с плотностью, необходимой для решения задач развития возобновляемой энергетики, экономически крайне неэффективно.

Началом космических наблюдений за состоянием атмосферы, суши и океанов из космоса можно считать запуск в 1960 году американских и советских метеорологических спутников серии "Tiros", "ESSA", "Nimbus", "ITOS", "Метеор". Изначально Соединенные Штаты внесли основной вклад в создание глобальной космической метеорологической системы. Спутниковая метеорологическая система, действующая под эгидой Национального управления по океанам и атмосфере (NOAA) на полярных - "NOAA" и геостационарных - "GOES" орбитах, а также принадлежащая министерству обороны США система DMSP (Оборонный проект спутниковой метеорологии), долгое время были единственными в мировой практике эксплуатационными системами мониторинга окружающей среды[1]. Спутники серии "NOAA" запускаются с 1970 г., серии "GOES" – с 1975 г., системы DMSP – с 1966 г.

Первый геостационарный метеоспутник (GOES-1) был запущен 16 Октября 1975 года и сразу же стал неотъемлемой частью Национального Бюро Погоды. Новое поколение спутников GOES (GOES от I, …M и др.) с помощью установленных на борту инструментов позволяет измерять испущенное Землей и отраженное излучение, зная которое можно легко определить атмосферную температуру, скорости ветров, влажность и плотность облаков. GOES-8 и GOES-9 были первыми представителями этого нового спутникового поколения, которые были запущены, заменив орбиты более старых спутников GOES-6 и GOES-7. Для того чтобы в будущем повысить точность прогнозов погоды, подразделение национальной информационной службы спутниковых данных об окружающей среде США в марте 2016 года запустит на орбиту следующий спутник типа GOES-R.

По информации официальных представителей НАСА, спутники GOES постоянно отслеживают около 60% поверхности нашей планеты, предоставляя данные о погоде, прогнозах чрезвычайных ситуаций, наводнений и различных природных катастроф. Спутники и наземная инфраструктура системы предоставляют непрерывный поток данных об окружающей среде таким потребителям, как национальная служба погоды (NWS).

В рамках задачи оценки ветроэнергетических ресурсов представляют интерес существующие подходы к определению скорости ветра в разных точках территории Земли и статистических характеристик изменения скоростей ветра. В каталоге ВМО сформулированы особые требования для проведения измерений скорости ветра у поверхностей моря и суши. Требования сформулированы для скорости и направления ветра. Оптимальные погрешности этих величин должны находиться в пределах 0,5-2 м/с, предельные – 3-5 м/с в зависимости от области использования. При аэрологическом зондировании атмосферы скорость ветра должна определяться с погрешностями 1-2 м/с, а направление ветра – с погрешностями 2,5-5 градусов (в зависимости от высоты в атмосфере)

Критериями выбора источника метеорологической информации, необходимой для решения задач оценки ветроэнергетического потенциала на территории Российской Федерации, являются:

большой объем статистических данных;

достаточно высокая точность измерений;

возможность осуществления измерений в узловых точках регулярной территориальной сетки с малым шагом;

наличие свободного доступа к информации и

другие критерии.

Этим критериям, в первую очередь, могут удовлетворять базы данных, сформированные с применением дистанционных методов измерения. На сегодняшний день разработано большое количество баз данных, различных как по составу, так и по объему предоставляемой метеорологической информации, полученной с использованием дистанционных методов зондирования атмосферы с искусственных спутников Земли и орбитальных космических станций, ракет, высотных самолетов, а также наземных информационно-измерительных систем, использующих радио-, лазерное и другие виды излучений.

Одной из современных баз данных, доступных для свободного пользования, является БД Национального агентства по аэронавтике и исследованию космического пространства США «NASA Surface meteorology and Solar Energy» (NASA SSE), сформированная на основе многолетних спутниковых наблюдений и математического моделирования.

База данных NASA SSE содержит следующий перечень статистических характеристик ветра:

– средние, минимальные и максимальные скорости ветра на высоте 50 м над поверхностью земли, м/с;

– повторяемость скоростей ветра по градациям на высоте 50 м над поверхностью земли, %;

– средние скорости ветра на высоте 50 м над поверхностью земли для восьми 3-х часовых интервалов времени в течение суток, м/с;

– средние направления ветра на высоте 50 м над поверхностью земли, градусы;

– средние направления ветра на высоте 50 м над поверхностью земли для восьми 3-х часовых интервалов времени в течение суток, градусы;

– средние скорости ветра на высоте 10 м над поверхностью земли для территории типа «аэропорт», м/с;

– процентное различие скоростей ветра на высотах 10 м и 50 м над поверхностью земли для различных типов подстилающей поверхности, %;

– средние скорости ветра на высотах 50, 100, 150 и 300 м над поверхностью земли для различных типов подстилающей поверхности, м/с;

– калькулятор средних скоростей ветра на высотах от 10 до 300 м над поверхностью земли для различных типов подстилающей поверхности, м/с.

Для создания раздела «Ветер» БД NASA SSE использовалась модель ассимиляции NASA/GMAO GEOS версия 1 (GEOS-1), с помощью которой на основе данных спутниковых наблюдений за десятилетний период 01.07.1983 – 30.06.1993 для сетки 2^о×2,5^о, покрывающей весь земной шар, и усредненного типа растительности были рассчитаны статистические характеристики ветра на высоте 50 м над поверхностью земли. Полученные результаты затем интерполировались на сетку 1^о×1^о (64800 ячеек).

Значения скорости ветра на других высотах i-й ячейки территориальной сетки определялись для соответствующих типов подстилающей поверхности с учетом принятого степенного закона:

где

– скорость ветра на высоте над поверхностью земли; – скорость ветра на высоте h_{i 50}=50 м над поверхностью земли; α_i – коэффициент шероховатости поверхности в i-й ячейке сетки.

В БД NASA SSE выделено 17 типов растительности/поверхности, для которых заданы значения коэффициентов шероховатости с дифференциацией по месяцам года. При использовании БД NASA SSE следует понимать, что пространственное разрешение 1^о×1^о не позволяет с достаточной степенью надежности предсказать ветровой режим в каждой конкретной точке ячейки, поскольку при наличии зон с разными типами рельефа и/или растительности характер распределения скорости ветра может сильно варьироваться даже на небольшом участке местности. Именно в связи с заметно выраженной территориальной изменчивостью ветрового режима, наиболее ярко проявляющейся на малых высотах, при попытке сравнить статистические характеристики ветра, полученные на МС и приведенные в БД NASA SSE, наблюдается противоречивая картина (Карта 1)[2]: с одной стороны, в ряде случаев данные наземных и спутниковых наблюдений совпадают достаточно удовлетворительно, с другой – имеют место значительные расхождения. Подобные несостыковки в значениях ни в коем случае не нужно интерпретировать как неточность представленной информации в БД NASA SSE, поскольку соотнесению подлежат две несопоставимые в пространственном аспекте величины, и делать какие-либо выводы по ее применимости на основе такого анализа не стоит. НАСАвская информация вполне пригодна для предварительной оценки и сравнения ветроэнергетических потенциалов различных территорий, подготовки предпроектных обоснований инвестирования средств в системы энергоснабжения с использованием энергии ветра (в том числе с применением методов оптимизации), по итогам которых принимается решение о целесообразности проведения более детальных предпроектных и проектных исследований. В этих случаях уточнение скоростных характеристик ветра производится на базе многолетних данные ближайших метеорологических и аэрологических станций, если они имеются, или результатам специально проводимого ветромониторинга.

Таким образом, ценность БД NASA SSE как источника информации определяется тем, что она предоставляет набор базовых статистических характеристик ветра и других метеорологических показателей для сетки 1^о×1^о, достаточный для определения параметров всех функций распределения вероятностей скоростей ветра, необходимых для оценки рассмотренных выше видов ветроэнергетического потенциала на территории России. То есть появляется возможность провести анализ распределения ветроэнергетических ресурсов с плотным пространственным шагом по всей территории Российской Федерации в заданном интервале высот от поверхности земли и для различных типов подстилающей поверхности. Следовательно, решение об использовании БД NASA SSE в рамках рассматриваемой задачи является вполне обоснованным.