כיצד חיישן הלחץ מתאים לחיזוי מערכות מזג אוויר

חיישני לחץ הם הבסיס לחיזוי מזג האוויר המודרני, מתן המדידות הרציפים והמדוייקות של לחץ אטמוספירי המתבסס כמעט כל מודל מזג אוויר וחיזוי.חיישנים אלה, המשתרעים על פני אלפי תחנות פני השטח, בלונים מזג אוויר, מטוסים ולוויינים, יוצרים רשת גלובלית שמזינה נתונים בזמן אמת למחשבים על-ידי מחשבי-על.זה מאפשר למטאורולוגים לזהות סערות, לעקוב אחר חזיתות, ואזהרות זמן ללא לחץ אמין, לנחש מחדש, לחיזויים פחות מדויק של כל דבר, לחיזוי מדויק של חיישנים הרסני של חומר נפץ, עם חיישנים, לחיזוי מדויק של פחות.

הפיזיקה של לחץ אטמוספירי ומזג אוויר

לחץ אטמוספירי הוא פשוט משקל עמודה של האוויר מעל נקודה נתונה, המופעלת על ידי הכבידה.ברמת הים, הלחץ הממוצע הוא כ 1013.25 מ"ר (או 29.92 אינץ' של כספית) שינויים בלחץ הם הנהגים העיקריים של מזג האוויר כי האוויר נע מאזורי לחץ גבוה לאזורים של לחץ נמוך יותר, יצירת רוח זו מעבירה חום, לחות, ומומנטלית, עננים, משקעים, סערות, סערות וסערות.

מטאורולוג מנתח את דפוסי הלחץ באמצעות מפות עם מוטיבים - קווי לחץ מתמיד.דחוסים בחוזקה על עומס חזק ⁇ לחץ חזק ורוח חזקה, בעוד שצמח נרחב הואובים פירושו רוחות אור. AFLT:0low-pressure Systemureure SystemFLT:1 מאופיין על ידי עלייה של אוויר, אשר מתקררות ו condens כדי ליצור עננים ו- Converse, a F2: מגנטים גבוה, בדרך כלל, מערכת אווירית ירידה גבוהה, נוטה להיות מנקה, אשר בדרך כלל, אשר נוטה גבוה, אשר נוטה להיות משקף לחץ אוויר גבוה, אשר נוטה גבוה, כיורבת גבוה, אשר נוטה גבוה, אשר נוטה גבוה, כיורבת, כיורבת גבוהה, כיורבת, כיורבת, כיורבת, אשר נוטה גבוה, אשר נוטה על ידי עלייה של לחץ אוויר, כיורבת גבוה, כיורבת, בדרך כלל, הוא משקף על ידי עלייה של לחץ אוויר נמוך יותר, אשר נוטה ירידה, בדרך כלל, כיורבת מעלה, כיורבת גבוהה, כיורבת גבוה, כיורבת גבוהה, כיורבת, אשר נוטה להגביר את הלחץ, אשר נוטה להתרחש, הוא משקף על ידי עלייה של עלייה של לחץ אוויר ירידה, כיורבת, כיורבת

הלחץ משתנה גם עם גובה.גובה. ככל העולה, עמודת האוויר לעיל הופכת קצרה וקלה יותר, כך שהלחץ יורד.מערכת יחסים זו קריטית להמירת מדידות לחץ התחנה ללחץ ברמה הים, המאפשרת השוואות בין תחנות בגובה שונה.ללא תיקון זה, תחנת מזג אוויר על הר תמיד יראה לחץ נמוך יותר מאשר אחד ברמת הים, מסיכות דפוסים אמיתיים.

היסטוריה של מדד לחץ במטאורולוגיה

המדידה של לחץ אטמוספירי החלה בשנת 1643 עם אוונגליסטה טורריצ'לי, סטודנט של גלילאו.טורריצ'לי המציא את מדמומי הכספית, והוכיח כי משקל האווירה יכול לתמוך בעמודה של כספית בגובה של 760 מ"מ בערך, המצאה זו הוכיחה כי האוויר יש משקל וכי שינויים בלחץ ניתן לכמת.במשך מאות שנים, מדמומי כספית היו הכלי הסטנדרטי בתחנות מזג אוויר ברחבי העולם, פרס על הפשטות ורטי יעילותם.

המאה ה-19 הביאה את מד ברומטר אנרואיד, קפסולת מתכת חתומה שמרחיבת או חוזים עם שינויים בלחץ.אלה היו יותר מכשירים ניידים וחזקים יותר מדרמי כספית, מה שמאפשר פריסה במקומות מרוחקים ובאוניות.עד אמצע המאה ה-20, החלו להופיע חיישנים בלחץ אלקטרוני, באמצעות מדדים או אלמנטים קפיריים כדי להמיר לחץ לתוך אות חשמלי.

התקדמות ציונית אחת הייתה הצגת מכשירי רדיוס בשנות ה-30.חבילות אלה של בלונים לשאת לחץ, טמפרטורה וחיישנים לחות aloft, העברת נתונים על ידי רדיו כפי שהם עולים דרך האווירה.הם סיפקו את הפרופילים האנכיים המקיפים הראשונים של לחץ, המאפשר ניתוח תלת-ממדי של מערכות מזג אוויר.היום, רשת רדיוסון העולמית משיקה כמעט 900 בלונים יומיים ביום, ומספקת נתונים חיוניים לחיזוי מזג אווירי.

כיצד חיישנים בלחץ מודרני עובדים

חיישני לחץ מודרניים המשמשים בחיזוי מזג אוויר להסתמך על מספר עקרונות פיזיים.

• (FLT:0) חיישנים פילוריסטיים: FLT:1 סיליקון diaphragm עם התנגדות מוטבעת שינויים התנגדות כאשר מפורשים על ידי לחץ יישומי.שינוי התנגדות זה נמדד ומומר לקריאת לחץ.חיישנים אלה הם קטנים, מדויקים וזולים יחסית, מה שהופך אותם נפוצים בתחנות מזג אוויר אוטומטיות.
• (FLT:0) חיישנים קפקאטיביים: FLT:1 הלחץ מסיט את ה-diaphragm, שינוי הכניעה בין זה לבין צלחת קבועה. Capacitance נמדדת על ידי מעגל אלקטרוני.חיישנים אלה מציעים יציבות מעולה וצריכת חשמל נמוכה, מתאים יישומים מרוחקים וסוליים.
• (FLT:0)MEMS ברומטרים: FLT:1ir הם חיישני סיליקון זעירים המקובעים באמצעות טכניקות ייצור Semiconductor. הם משלבים לעתים קרובות עקרונות משככי כאבים וחילולים בחבילה זעירה, והם נמצאים באלקטרוניקה לצרכנים כמו טלפונים חכמים וצופים חכמים. בעוד פחות מדויק מאשר חיישנים ברמה מקצועית, ubiquity מאפשרת נתונים ממונעים שיכול לשפר כאשר הם מצטברים איכות מבוקרת.
• (FLT:0) חיישנים המבוססים על ויברציה (למשל, גביש קוורץ): כמה חיישנים בעלי דיוק גבוה משתמשים ב quartz כי גבישים בתדר תלוי בלחץ.אלה משמשים לעתים קרובות ביישומים תעופה ומחקר הדורשים דיוק יוצא דופן, אם כי הם יקרים יותר ופחות נפוצים ברשתות מזג אוויר שגרתיות.

כל החיישנים האלה דורשים כיבוד קפדני כדי להסביר את השפעות הטמפרטורה, ההזדקנות, וסחף. בתחנות מזג אוויר מקצועיות, חיישני הלחץ שוכנו בדרך כלל במתחם מבוקר טמפרטורה או כוללים על אלגוריתמים של פיצויי לוח.הלחץ הגולמי (לחץ ההריסה) מותאם ללחץ ברמת הים באמצעות נוסחה החשבונאית לגובה התחנה ולפרופיל הטמפרטורה הנוכחי.

חיישן לחץ ב-Actal Weather Networks

תחנת Surface Synאופטיקה

עמוד השדרה של התבוננות בלחץ פני השטח הוא הרשת העולמית של תחנות מזג אוויר סינפטיות.תחנות אלה, המופעלות על ידי שירותים מטאורולוגיים לאומיים, מצוידות בחיישנים באיכות גבוהה של לחץ העומד בסטנדרטים של ארגון מטאורולוגי העולמי (WMO) הן מדווחות שעה (או לעתים קרובות יותר) למרכזי נתונים בינלאומיים.מערכת ההשתמרות הגלובלית של WMO מתאמת תצפיות אלה, ומבטיחה עקביות וזמינות למודל מזג אווירי.

דוגמאות כוללות את מערכות ההשתמרות של משטח (ASOS) האוטומטיות בארצות הברית, המופעלות על ידי שירות מזג האוויר הלאומי, ורשתות דומות באירופה (כמו רשת DWD הגרמנית) ואסיה (כגון תחנות הסוכנות המטאורולוגית של יפן). תחנות אלה משתמשות בחיישנים בלחץ עם איקודורות של 0.1 hPa או טוב יותר, מותאמות באופן קבוע נגד תקני ההתייחסות.

רדיוסון

רדיונס מספקים פרופילים ללחץ אנכי, מדידת לחץ על פני כמה גובהים כמו בלון עולה. רדיונים מודרניים משתמשים ב- capacitive או סיליקון לחץ חיישנים קלים ומתוכנן לפעול מגובה ים עד 30 ק"מ, שבו הלחץ יורד רק כמה hPa. הנתונים מן הגבהים האלה הם קריטיים להגדרת המבנה תלת-ממדי של שדות לחץ, אשר השפעות רוח, טמפרטורה ומודלים לחות.

מודלים נימוסיים של מזג אוויר חיזוי מודלים להטמיע נתונים של לחץ רדיוסון כדי לזרז את הניתוחים שלהם.ללא פרופילים אנכיים אלה, מודלים יצטרכו להסתמך רק על תצפיות על פני השטח ועל רטיוולות הלווין, שהם פחות מדויקים בגובה נמוך יותר.

תצפית מבוססת מטוסים

מטוסים מסחריים נושאים חיישנים בלחץ כחלק מהמחשבים של נתוני האוויר שלהם.אלה מדדים לחץ סטטי (לחץ אטמוספירי) ולחץ דינמי (הדרדר מצנרת בורות) כדי לקבוע גובה ומהירות אוויריות.תוכנית הנתונים המטאורולוגיים של המטוס (AMDAR) אוספת את הקריאות הלחץ הללו במהלך ההמראה, עלייה, הידבקות, הנחיתה, העברתם באמצעות לוויין או רדיו.

מדידות הלחץ מטוסים הן בעלות ערך מיוחד משום שהן מספקות החלטה אנכית גבוהה לאורך נתיבי טיסה.הם גם מדגימות את הסטרופה העליונה ושכבות נמוכות יותר, אזורים שבהם שומונים הם דלים. Assimilating נתוני AMDAR הוכח לשיפור התחזיות לטווח הקצר, במיוחד עבור מזג אוויר וסופה מעקב.

ספינות וספינות

מעל האוקיינוסים, buoys מזג האוויר וספינות לספק נתונים לחץ חיוני.המערך הגלובלי של buoys מוטבע (כגון Atmosphere Ocean (TAO) מערך האוקיינוס השקט) וסחף buoys מצוידים חיישנים לחץ הדו"ח שעה. תצפיות אלה קריטיות לאיתור ציקלונים טרופיים, ניטור אל Niño, מודלים גלובליים ראשוניים של דיוק, כולל חיישנים גליקו, בדרך כלל, 0.

לחץ מבוסס לוויין Sensing

לווינים אינם מודדים לחץ על פני השטח ישירות, אבל הם יכולים להפר פרופילים של לחץ באמצעות רדיו אוקולטציה / מיקרו-גל גלי רדיו אוקולטי (GPS-RO) מודדים את הכת של אותות GPS כפי שהם עוברים דרך האווירה, שממנו הלחץ, הטמפרטורה ופרופיל הלחות נגזרים.טכניקה זו מספקת כיסוי עולמי והוא בעל ערך גבוה במיוחד על פני האוקיינוסים ואזורים של לוויין נוכחיים כמו COSM-2C, שיפור משמעותי של מערכת הראייה היומית, ICC, שיפור משמעותי, IGNIQIQIQS, שיפור משמעותי, שיפור משמעותי, חיזוי מערכת אבטחה, ו-יומית, חיזוי מערכות אבטחה, ו-IQIQIQIQIQING, שיפור משמעותי, שיפור משמעותי, חיזוי מערכות אבטחה, שיפור משמעותי, חיזוי מערכות אבטחה, ו-יומיומיים, ו-יומיים, חיזוי מערכות אבטחה, שיפור משמעותי, ו-יומיים, , חיזוי מערכות אבטחה, במיוחד על פני האוקיינוסים, ו-יומיומיים, ו-יומיומיים, ו-יומיומיים, שיפור משמעותי, שיפור משמעותי, חיזוי מערכות אבטחה, ו-יומיומיים, חיזוי מערכות אבטחה, חיזוי מערכות אבטחה, חיזוי אקלים, ו-

בנוסף, נשמעים לווייניים כמו Aאטמוספירה Infrared Sounder (AIRS) על לוויין Aqua של נאס"א ו- Aאטמוספירה Sounding Interferometer (IASI) על לווייני MetOp מדדים קרינה כי הם הטמיעו כדי להפיק לחץ ושדות טמפרטורה. בעוד לא המדידות לחץ ישיר, נתונים אלה מספקים מידע קריטי שמשלים בחיישנים של ישיבה.

קידום טכנולוגי חדש

כמה חידושים מעצבים מחדש כיצד חיישנים בלחץ תורמים לחיזוי מזג האוויר:

• (FLT:0Microsensors and IoT:FreaLT:1 חיישנים בלחץ נמוך MEMS עכשיו להיות פרוס ברשתות עירוניות צפופות, כגון רשת תת-קרקעית מזג האוויר של תחנות מזג אוויר אישיות ואת הפרויקטים המדעיים האזרחיים כמו Purple Air, אשר גם מודדים לחץ.רשתות אלה יכולות לספק תצפיות ברמה רחוב, שיפור התחזיות לתופעות היפרלוקליות כמו איים חום עירוניים, סיבי הים, ומיזוגים ופתיחת שתן.
• (FLT:0) רשתות לחץ על גילוי הסערה: FIRLT:1 בארצות הברית, המינהל הלאומי לאוקיינוסי ואטמוספירה (NOAA) בודק את השימוש ברשתות חיישן לחץ צפופה לזיהוי קרורדו משופר. Tornadoes לייצר ירידה אופיינית במזג האוויר על פני השטח כפי שהם עוברים.עם צפיפות גבוהה של חיישנים (הפצה של 5-10 ק"מ), ניתן לזהות את "לחץ האוויר"ל" מוקדם יותר יכול לשפר חיישנים חמורים של כמה דקות של מחקר מוקדם יותר.
• (FLT:0) למידה והטמעת נתונים: אלגוריתמי למידת מכונות משמשים לתצפיות בעלות בקרת איכות, לזהות שגיאות חיישן, ותחומים של לחץ בין-פולט.הם יכולים גם לשלב נתונים לחץ ממקורות מגוונים (למשל, טלפונים חכמים, תחנות מזג אוויר, מטוסים) כדי לייצר ניתוחים ברזולוציה גבוהה.המרכז האירופי לתחזיות בינוניות-Range Weathers (ECMWF) הוא חקר רשתות חיזוי עצביות, שיפור תצפיות מודל ראשוניות.
• (FLT:0) תחנות ללא חשמל ושמשיות: חיישנים בלחץ מודרני משולבים בתחנות אלחוטיות, המופעלות על ידי השמש שניתן לפרוס באזורים מרוחקים ללא תשתיות.תחנות אלה משתמשים בלוויינים או במותגים סלולריים כדי להעביר נתונים, ממלאים פערים קריטיים ברשת התצפית העולמית, במיוחד באפריקה ובאזורים הקוטביים.

דוגמה בולטת אחת היא רשת הקואופורה הלאומית של שירות מזג האוויר (National Weather Service COOPIRLT:1), אשר היא מודרנית עם חיישנים אוטומטיים. Another היא ה-FLT:2klahoma MesonetFLT 3:, רשת צפופה של 120 תחנות המספקות נתונים בלחץ גבוה למחקרי מזג אוויר חמורים וחיזוי תפעולי.

אתגרים ומגבלות

למרות כוחם, חיישני הלחץ מתמודדים עם אתגרים רבים בחיזוי תפעולי:

• (FLT:0) סחף: FLT:1 כל החיישנים נסחפו לאורך זמן בשל צץ מכני, רכיבה על טמפרטורה וזיהום. חיישנים מקצועיים דורשים תגמול כל 1–2 שנים נגד תקן התייחסות. Drift יכול להציג שגיאות של 0.5-1Pa, אשר משמעותי לזיהוי מתח חלש או מגמות אקלים לטווח ארוך.
• רגישות לטמפרטורה:0 (FLT:1 גם עם פיצוי, שינויים טמפרטורה משפיעים על פלט חיישן. Rapid טמפרטורה שינויים (למשל, במהלך ליקוי חמה או מעבר חזית קר) יכול לגרום שגיאות חולפות. עיצוב חיישן טוב ומגן להפחית את זה, אבל זה נשאר דאגה.
• (FLT:0) תיקוןי בטיחות: FLT:1 הפעלת לחץ התחנה בלחץ ברמה הים דורש לדעת את גובה התחנה במדויק ואת הטמפרטורה של עמודה האוויר מתחת.שימוש פרופיל טמפרטורה סטנדרטי יכול להציג שגיאות בקור קיצוני או חום. עבור תחנות בגובה גבוה (above - 1000 מ"מ), הפחתת לחץ ברמת הים הופכת לא אמינה, ותחנות כאלה עשויות לדווח על לחץ במקום זאת.
• פערי הכיסוי:0 (FLT:1) למרות השיפורים, אזורים רבים, במיוחד באפריקה, בדרום אמריקה, הארקטי והאוקיינוס הדרומי, יש תצפיות לחץ רבות.לוויינים ומטוסים, אך הם אינם יכולים להתאים את הדיוק של תחנות פני השטח.חוסר נתונים זה מגביל את התנאים הראשוניים לתחזיות בתחומים אלה.
• (FLT:0) בקרת איכות: 1FLT עם התפשטות של חיישנים זולים, איכות נתונים משתנה באופן נרחב.נתוני Crowd-sourced לעתים קרובות מכילים הטיה, מחוץ לערים, ומטבוליים חסרים (כמו גובה) מערכות בקרה איכותיות אוטומטית חייבות לסנן נתונים רעים לפני הטמעה כדי להימנע מתחזיות משפילות.

עתידם של חיישנים בלחץ בחיזוי מזג האוויר

התפקיד של חיישני הלחץ יגדל רק ככל שהטכנולוגיה מתקדמת, וככל שהביקוש לתחזיות ברזולוציה גבוהה יותר עולה.התפתחויות מפתח לצפייה כוללות:

• (FLT:0)Quantum וחיישנים אטומיים: FLT:1 טכנולוגיות מתפתחות כמו שעונים אטומיים בקנה מידה שבב ומטרים אטום להבטיח מדידות לחץ עם דיוק חסר תקדים, פוטנציאל להשיג טוב יותר מ 0.01 hPa למרות עדיין ניסיוני, אלה יכולים לחולל מהפכה תצפיות של מדרגה ראשונה.
• (FLT:0) המדידות של לחץ מבוסס ד"ר:FLT:1 כלי רכב אוויריים בלתי מזוקקים (UAVs) מצוידים בחיישנים בלחץ יכול לדגום את האווירה הנמוכה ביותר ברזולוציה גבוהה, מילוי פער בין תחנות פני השטח לבין רדיונדדס.המנהל הלאומי של האוקיינוסים והאטמוספירה (NOAA) הוא בדיקות מזל"טים עבור הוריקן ושכבת גבול.
• (FLT:0) אינטגרציה עם זרמי נתונים גלובליים: ההרחבה: ⁇ 1) מדיניות הנתונים הלא-מודע של WMO שואפת להפוך את כל הנתונים לזמין באופן חופשי, כולל מרשתות פרטיות.זה ידרוש פורמטים סטנדרטיים, מטא-נתונים ודגלים איכותיים, אך יגדיל באופן דרמטי את נפח הנתונים הזמין לדגמים.
• (FLT:0) טכניקות של הטמעת נתונים מוכחות: הטמעת נתונים מתקדמים:0) שיטות הטמעת נתונים מתקדמות, כגון מסננים של Kalman ו- 4 ממדים, יכולות לנצל טוב יותר את צפיפות התצפיות הגוברת של לחץ, במיוחד ממקורות שמקורם המונים.זה יוביל לתנאים ראשוניים מדויקים יותר ותחזיות קצרות טווח יותר.

קישורים חיצוניים לארגונים מטאורולוגיים סמכותיים מספקים קריאה נוספת:

• (המדריך ל- 0WMO) ל-Norological Instruments and Methods of Observation (CIMO Guide) ,R) , פרק על מדידת לחץ
• (ב) ⁇ 0 (NOAA JetStream: Air Pressureph:1)
• מאמר זה של ההרחבה "0ECMWF" בנושא תצפית מטוסים ב-Data Assimilation 1
• (FLT:0WMO OSCAR: Space-based Pressure profiles)

לסיכום, חיישני הלחץ נשארים מרכיב בלתי ניתן להחלפה של מערכת התצפית של מזג האוויר העולמית.ממגובה הכספי הקלאסי לצ'יפס ו-SMS מודרני, מכשירים אלה מספקים את המדידות הלחץ הבסיסיות שמניעות את הבנתנו את האווירה.האבולוציה המתמשכת שלהם - לדיוק גבוה יותר, בעלות נמוכה יותר, ופריסה רחבה יותר - פרומות כדי להפוך תחזיות מזג אוויר אפילו יותר אמינות, עוזר לחסוך חיים ונכס בעידן של מזג אוויר הולך וגובר.