Budowa stacji meteorologicznej, stacje meteo

Co się dzieje w pogodzie?

Andrzej Łobzowski, Kazimierz WilczewskiLAB-EL Elektronika Laboratoryjna S.J.
artykuł publikowany w piśmie POMIAR nr 4/2012

Od wieków wiedza o nadchodzących zjawiskach pogodowych była ważnym elementem planowania działań, powodzenia w wojnach, uprawach i hodowli a także była elementem władczej przewagi. Szamani, czarownicy, kapłani wykorzystywali swoją wiedzę dla uzyskania władzy lub pozyskania dóbr materialnych. Ich tajemna wiedza przechodziła z pokolenia na pokolenie i powstawała w oparciu o zjawiska zachodzące w przyrodzie, zależności czasowe i związki odczuć własnych w powiązaniu z nadchodzącymi zmianami pogody. Prognozy pogody były obarczone dużym błędem, stąd opowieści o dwóch braciach, którzy doskonale prognozowali pogodę. Jeden mówił będzie padać, drugi nie będzie i w ten sposób mieli 100% sprawdzalności.
Dopiero ok. 300 lat p.n.e. pojawiły się pierwsze pisane interpretacje zjawisk pogodowych. W czasach nowożytnych za prekursorów prognozowania pogody uważa się Francisa Beauforta i Roberta FitzRoya. Prognoza pogody to inaczej przewidywanie w czasie i przestrzeni zmian stanu atmosfery. Parametrami opisującymi stan atmosfery są ciśnienie, temperatura, prędkość i kierunek wiatru. Z punktu widzenia odczucia komfortu klimatycznego istotna jest także wilgotność powietrza.
Gwałtowny rozwój prognozowania pogody nastąpił po umożliwieniu, dzięki rozwojowi techniki komunikacji, pozyskiwanie danych z różnych punktów świata a później dzięki rozwojowi komputeryzacji, co pozwoliło na wykonywanie obliczeń za pomocą bardzo złożonych algorytmów i modeli pogody. Nadal prognozowanie pogody jest obarczone błędami, tym większymi im dalej sięgają prognozy. Głównym źródłem danych do przygotowywania prognoz pogody (własnych, lokalnych lub o zasięgu globalnym) są stacje meteorologiczne, rejestrujące stan atmosfery. Tego typu stacje są budowane w firmie LAB-EL.

Konfiguracja stacji meteo

Chociaż istnieją stacje wykorzystujące metodę ultradźwiękową pomiarów (kompaktowe stacje bez ruchomych części mechanicznych) to ich wysoka cena i pewne obostrzenia w sposobie użytkowania powodują, że najbardziej popularne są stacje meteo składane z mierników poszczególnych parametrów, zgodnie z życzeniem użytkownika. Ilość i rodzaj pomiarów jest dobierany przez użytkownika w zależności od potrzeb, możliwości finansowych i postawionych przed stacją zadań. Inny zestaw pomiarów stosowany jest w stacjach meteorologicznych do podstawowej obserwacji stanu atmosfery a inny np. do pomiarów związanych z kontrolą uprawy roślin, przygotowaniami pod energetykę wiatrową czy specjalizowanymi badaniami naukowymi.

Parametrami, jakie mogą być mierzone w takich kompletowanych stacjach meteorologicznych, pod wymagania użytkownika to:

temperatura powietrza, mierzona przy pomocy np. termohigrometru LB-710R w klatce meteo LB-719 produkcji LAB-EL;
wilgotność powietrza, mierzona przy pomocy np. termohigrometru jw.;
temperatura gruntu, mierzona przy pomocy np. termometru 8 kanałowego LB-711 z czujnikami TL-2 produkcji LAB-EL;
ciśnienie barometryczne, mierzone przy pomocy np. barometru LB-716 produkcji LAB-EL;
prędkość wiatru, mierzona przy pomocy np. wiatromierza LB-746 produkcji LAB-EL;
kierunek wiatru, mierzona przy pomocy np. wiatromierza jw.;
opad atmosferyczny (deszcz), mierzone przy pomocy np. deszczomierza ARG100;
promieniowanie słońca, mierzone przy pomocy np. miernika promieniowania słonecznego LB-900 produkcji LAB-EL;
wilgotność powierzchniowa, mierzona przy pomocy np. miernika zalania LB-810 produkcji LAB-EL;
poziom wody w rzekach, mierzony przy pomocy np. czujnika SR50;
wilgotność gleby, mierzona przy pomocy np. miernika wilgotności gleby LB-797 produkcji LAB-EL;
stężenie zanieczyszczeń w powietrzu, mierzone przy pomocy odpowiednio dobranych do celu urządzeń;
i innych parametrów wg. wymagań zamawiającego (po uzgodnieniu z LAB-EL).

Szczegółowe opisy wymienionych urządzeń można znaleźć na stronie http://www.label.pl/po/ix.dmet.html (czyli LAB-EL » Przyrządy » Przyrządy meteorologiczne)
Wszystkie te pomiary (z przyrządów) są przekazywane do stacji meteo (np. LB-741), której zadaniem jest zbieranie danych wyświetlanie ich na wyświetlaczu, jeśli jest to konieczne i przekazywanie do komputera z oprogramowaniem (np. LBX) umożliwiającym wizualizację, archiwizację i przetwarzanie danych. Przesyłanie danych ze stacji do komputera może się odbywać przy pomocy kabla, drogą radiową lub poprzez sieć telefonii komórkowej.
Wiele stacji meteo jest zlokalizowanych w miejscach ciężko dostępnych i pozbawionych możliwości zasilania z sieci energetycznej. Jedyną możliwością jest zastosowanie alternatywnych źródeł zasilania (energia słoneczna lub/i wiatrowa). Skrajnym przypadkiem, który wystąpił w BPN jest stacja geobotaniczna o zasilaniu jedynie akumulatorowym.
Umieszczenie jej w środku parku, poniżej koron drzew zaowocowało nie tylko brakiem sieci energetycznej, ale i brakiem dostępu słońca i wiatru. Pozostała tylko uciążliwa, okresowa wymiana akumulatorów noszonych na plecach przez ostępy dzikiej przyrody. W tym przypadku nowe stacje meteo w tym wdrażana właśnie w LAB-EL stacja meteorologiczna LB-490 potrafią zarządzać źródłami energii w sposób optymalny zapewniając także minimalny pobór mocy potrzebny do pracy stacji.

Budowa stacji meteo

Projekt automatycznej stacji meteorologicznej to nie tylko dobór potrzebnego zestawu pomiarów (przyrządów) ale również właściwy dobór miejsca i sposobu zabudowy. Standardowo to maszt 10/12 m postawiony na poletku pomiarowym. Sposób wykonania poletka pomiarowego oraz lokalizacja i zabezpieczenie poszczególnych przyrządów musi zapewnić brak zakłóceń pomiarów od najbliższego otoczenia, wzajemnie pomiędzy przyrządami a także przez intruzów (osoby niepowołane, zwierzęta). Wymagania techniczne dla automatycznej stacji meteorologicznej LAB-EL są podane na stronie http://www.label.pl/po/metstacja.html (czyli LAB-EL » Inne » Porady » wymagania….) .
Chociaż zalecane warunki instalacji stacji meteo są określone to życie powoduje sytuacje, w których np. wiatromierz jest zainstalowany na maszcie (rurze przytwierdzonej do komina na budynku), termohigrometr wisi na pobliskiej latarni lub na wysięgniku przymocowanym do ściany a barometr jest ulokowany w pomieszczeniu z komputerem i panelem stacji meteo. Stacja meteo z taką lokalizacją mierników, przy zachowaniu warunku braku zakłóceń jw., może spełniać swoje zadanie zwłaszcza przy mniej zaawansowanych zastosowaniach dla potrzeb lokalnych.

Specjalne stacje meteorologiczne

Standardowe stacje meteorologiczne, zasilanie z sieci 230VAC, służące do określenia stanu atmosfery mierzą temperaturę (wzbogaconą o wilgotność), ciśnienie, siłę i kierunek wiatru przekazują do komputera mierzone dane (najczęściej drogą kablową) w celu wizualizacji i przetwarzania. Jest to zastosowanie najprostsze i najczęstsze. Istnieje jednak szeroka gama innych zastosowań pomiarów meteorologicznych o specyficznych wymaganiach.

Pomiar siły wiatru na potrzeby budowy elektrowni wiatrowej. Dla sprawdzenia efektywności ekonomicznej projektowanej elektrowni wiatrowej, postawienie wiatraków należy poprzedzić badaniem siły wiatru w skali roku w miejscu ich postawienia. Takiemu celowi może służyć miernik siły wiatru LB-747P połączony do rejestratora np. LB-755, rejestrującego w długim okresie czasu (najczęściej przez rok) prędkość wiatru. Zasilanie bateryjno sieciowe i duża pamięć pozwala na autonomiczną pracę i sczytywanie wyników do komputera z oprogramowaniem Logger np. raz na miesiąc. Jest to rozwiązanie najtańsze ale wymaga umieszczenie rejestratora LB-755 w pomieszczeniu zamkniętym. Inne rejestratory np. LB-741, LB-487 pozwalają na pracę na zewnątrz w dodatkowej obudowie a także na transmisję danych poprzez podłączony modem GSM np. LB-431. Szerszy opis rejestratorów można znaleźć na stronie http://www.label.pl/po/ix.dmet.html (czyli LAB-EL » Przyrządy » Przyrządy meteorologiczne). Szeroki opis zagadnień związanych z budową elektrowni wiatrowych można znaleźć na stronie http://www.label.pl/po/farmy_wiatr_1.html (czyli LAB-EL » Inne » Artykuły » Farmy wiatrowe cz.1).

Pomiary związane z uprawą roślin i związanymi badaniami gdzie poza podstawowymi pojawiają się pomiary natężenia promieniowania słonecznego (w różnych zakresach widmowych) i pomiary opadu deszczu.
Jedną z najciekawszych aplikacji była instalacja stacji meteo, na SGGW w Warszawie, wyposażonej w mierniki promieniowania słonecznego (piranometry) LB-900 poruszane siłownikami tak, aby śledziły położenie słońca na niebie. Algorytm śledzenia i związane z tym obliczenia wykonywane były przez sterownik-regulator LB-600 produkowany w LAB-EL. Więcej informacji na http://www.label.pl/po/lb-600-pyranometr-02.html (czyli LAB-EL » Zastosowania » Sterowanie piranometrem).

Pomiary specjalizowane jak np. wspomniana już stacja geobotaniczna w BPN gdzie są mierzone jedynie temperatury gruntu w określonym rozmieszczeniu przestrzennym w funkcji czasu i przesyłane siecią komórkową do komputera wykonującego wymagane obliczenia.

Wiele innych stacji meteo służących specyficznym potrzebom instytucji i miejsc, w których zostały postawione (np. na potrzeby GOPR w Tatrzańskim Parku Narodowym, na potrzeby Politechniki Warszawskiej na Arktycznej Stacji Badawczej, na potrzeby wielu gmin w celu wyświetlania informacji na swoich stronach internetowych).