В конце мая 2024 года Стив Пилц и его команда метеорологов из Талсы, штат Оклахома, столкнулись с дилеммой: у них не было достаточного количества данных, чтобы определить, могут ли несколько неприметных гроз превратиться в мощный торнадо.
Профессор из Университета штата Оклахома восполнил этот пробел, запустив дрон на высоту 1 600 футов (488 метров) в ночное небо. Полученных им данных о влажности и ветре оказалось достаточно, чтобы команда Пилтца из Национальной службы погоды повысила уровень общественного предупреждения. Спустя несколько часов смертоносный торнадо категории EF3 — третий по силе — обрушился на округ Роджерс, оставив за собой полосу разрушений протяженностью 24 мили (39 километров).
Дрон передал важнейшую информацию из так называемого пограничного слоя — нескольких километров атмосферы, расположенных ближе всего к земле. Именно здесь формируется большая часть погодных явлений, влияющих на людей — туман, низколежащие облака, ветер и штормы, — но это также плохо наблюдаемая область, где традиционные наземные станции, метеозонды и спутники оставляют значительные «слепые зоны» в покрытии.
В настоящее время швейцарская компания Meteomatics находится в авангарде усилий по изучению этого слоя с помощью автоматизированных дронов. Ее дроны Meteodrones совершают многократные вертикальные полеты, передавая данные о температуре, влажности, давлении и ветре в модели прогнозирования. Необходимо преодолеть значительные нормативные и эксплуатационные трудности, но дроны для исследования пограничного слоя призваны автоматизировать ключевой элемент прогнозирования погоды, который не менялся на протяжении десятилетий.
Собранные данные предоставляют военным стратегам и диспетчерам воздушного движения важнейшую информацию о штормах, снеге и льде. Но детализированные прогнозы также могут дать преимущество трейдерам на рынке электроэнергии, который становится все более чувствительным к объемам выработки ветровых и солнечных электростанций.
По словам Брэда Гуэя, метеоролога из компании Meteomatics, трейдеры — стремящиеся исключить дорогостоящие ошибки в прогнозах и найти выгодные возможности — входят в число крупнейших клиентов компании. Такое базовое явление, как температурная инверсия, задерживающая рассеивание облачного покрова под воздействием солнца, может обеспечить решающее преимущество при определении спроса и предложения на возобновляемую энергию.
«Вы видите эти довольно незначительные погодные явления, которые могут решить всё», — сказал Гуэй. «Один-единственный неточный прогноз может стоить трейдерам миллионы долларов за один день».
Интерес к более детализированным метеорологическим данным усилился благодаря появлению нового поколения моделей прогнозирования на основе искусственного интеллекта, обученных на исторических наблюдениях. Однако, по словам Тайлера Белла, профессора метеорологии Оклахомского университета, который руководит отдельной платформой метеорологических дронов под названием CopterSonde, точность моделей ИИ зависит от качества входных данных, а спутники и другие системы, предназначенные для крупномасштабных метеорологических наблюдений, не способны фиксировать мелкомасштабные атмосферные явления.
«Мы называем это terra incognita», или неизведанная территория, — сказал Белл, описывая пограничный слой. Он добавляет, что дроны являются идеальной технологией для заполнения этого пробела, поскольку могут отслеживать ветер, температуру, влажность и давление. «Они дешевы, относительно надежны. В них есть все, что нужно, в одном устройстве».
Mercuria Energy Group Ltd. изучает, могут ли данные с дронов, собранные в пограничном слое, повысить точность прогнозов погоды, которые компания использует для прогнозирования спроса и предложения на ключевых энергетических рынках США, включая Совет по надежности электроснабжения Техаса (Electric Reliability Council of Texas) и южный хаб Southwest Power Pool, — сообщил Джейсон Линн, метеоролог компании.
«Идея о том, что больше информации о пограничном слое улучшит краткосрочные прогнозы, теоретически легко понять. Но оказывается, что ни у кого нет этих чертовых наборов данных, чтобы это доказать», — сказал Линн.
Более точные и частые прямые измерения могли бы помочь в создании прогнозов с более высоким разрешением в диапазоне от 48 до 72 часов, что крайне важно для прогнозирования изменчивых атмосферных явлений, таких как облачность и осадки, которые оказывают влияние на нагрузку в энергосистеме, сказал он. Компания Mercuria начала обсуждать возможность использования данных Meteomatics два года назад, а недавно обратилась к Беллу с предложением использовать данные, полученные с помощью его CopterSondes. Одной из идей является создание сети дронов, собирающих данные о пограничном слое перед ветровыми электростанциями, сказал Линн.
«Ветер — это целевой параметр, который больше всего бросается в глаза», — сказал он, особенно в зимние месяцы в ближайшие годы, когда спрос на электроэнергию поглощает избыточную выработку электроэнергии. «Внезапно SPP South и Ercot стали действительно очень интересными, учитывая зависимость ценообразования на ветровую генерацию на этих двух рынках».
Военная стратегия.
Проникновение в пограничный слой также имеет потенциальное стратегическое значение для вооружённых сил в условиях усиления геополитической напряжённости.
Крупнейшие полевые испытания метеорологических дронов компании «Meteomatics» проводятся норвежскими вооружёнными силами, территория которых стала плацдармом для северного фланга НАТО после вступления Финляндии и Швеции в альянс. Зимой 14 стран собрали 30 000 солдат, чтобы проверить, смогут ли они эффективно сражаться как единые силы в суровых арктических условиях.
Когда во время одних из учений в феврале снежная буря нагрянула быстрее и сильнее, чем прогнозировал Норвежский метеорологический институт, видимость на площадке взлета военных разведывательных дронов снизилась практически до нуля. Однако инструмент визуализации погодных условий, получавший данные Meteodrone из пограничного слоя, позволил армии адаптироваться к ситуации.
«Зона взлёта сильно пострадала из-за густого снега и низкой облачности», — сказал Кеннет, специалист по поддержке миссий в эскадрилье беспилотников норвежской армии. «Нам удалось передислоцировать их на участок, где погода была действительно лучше, чтобы они могли восстановить управление дроном и безопасно посадить его».
В настоящее время армия проверяет, сможет ли добавление дополнительных данных о пограничном слое сделать прогнозы погоды ещё более точными. По словам Нильса Хохайма-Саерса, старшего инженера независимого исследовательского института NORCE, курирующего этот трёхлетний проект, первые испытания дают обнадёживающие результаты, особенно в плане прогнозирования условий обледенения, которые представляют собой серьёзный риск при полётах военных дронов.
«Нет других датчиков, способных обнаруживать обледенение и затем передавать эти данные обратно в модели», — сказал он.
Демонстрационный полёт.
Помимо Норвегии, оборудование компании Meteomatics тестируют также ведомства и исследователи в США, Германии, Франции, Швейцарии и Перу.
Шестигранные метеорологические дроны компании специально разработаны для полётов в экстремальных условиях, включая ветер со скоростью 90 километров в час, и оснащены встроенными системами противообледенительной защиты, позволяющими им летать при температуре -45 °C (-49 °F).
Дроны предназначены для запуска с наземных станций с климат-контролем, где они хранятся между полетами и которые служат в качестве узла связи. Перед запуском распашные двери наземной станции открываются, позволяя дрону подняться с стартовой площадки. Когда дрон возвращается, автоматическая система центрирует его на стартовой площадке и подключает к источнику питания для подзарядки, после чего двери станции закрываются.
В этом месяце Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA) совместно с компанией Meteomatics и исследователями из Университета штата Оклахома провело демонстрационный полет дрона. NOAA стремится восполнить пробелы в данных о пограничном слое, а также догнать европейские глобальные метеорологические модели, которые в настоящее время являются эталоном.
По словам Тейлора Джордана, помощника секретаря NOAA по вопросам коммерции в сфере наблюдения за окружающей средой и прогнозирования, агентство ещё не определилось, какую роль будут играть дроны компании Meteomatics.
«Я рассматриваю все эти новые технологии как дополнение и расширение наших возможностей», — сказал он.
Безусловно, остаются нерешённые проблемы.
В Германии государственная метеослужба DWD сталкивается с нормативными ограничениями при испытаниях дронов компании Meteomatics. По словам Бена Скодды из DWD, правила Европейского союза по-прежнему требуют, чтобы каждый полет дрона перед взлетом вручную санкционировался и контролировался человеком, а близость берлинского аэропорта к месту испытаний не позволяет в полной мере исследовать пограничный слой.
«По-прежнему нужен кто-то, кто проверит, что всё в порядке, — сказал Скодда. — Нельзя просто запланировать полёты каждые полчаса».
По словам Джордана, NOAA сталкивается с аналогичными ограничениями: агентству по-прежнему необходимо согласовать с регулирующими органами разрешения Федерального авиационного управления (FAA) и правила, касающиеся прямой видимости.
DWD также пока не удалось самостоятельно протестировать датчики Meteomatics, отчасти потому, что они встроены в дроны, которые слишком велики, чтобы летать в аэродинамической трубе метеослужбы. Скодда отметил, что у DWD также возникли трудности с тем, чтобы заставить Meteomatics снизить скорость набора высоты дрона, которая слишком велика для оптимального тестирования по сравнению с данными, собираемыми метеозондом, поднимающимся с меньшей скоростью.
Гай отметил, что Meteomatics сотрудничает с DWD и другими ведомствами для решения проблем, связанных с непосредственным тестированием датчиков дрона, но подчеркнул, что более высокая скорость набора высоты является ключевой частью конструкции дрона, а его датчики и система обработки данных настроены именно на эту скорость полета.
Несмотря на эти трудности, Гай заявил, что прогресс в области автономности батарей дронов, снижение их стоимости и усовершенствование систем навигации делают полностью автоматизированные метеорологические наблюдения вполне реальной перспективой.
«Мы, так сказать, находимся на пороге переосмысления глобальной сети наблюдений, — сказал он. — Раньше мы собирали данные два раза в день, потому что именно так мы поступали со времён Второй мировой войны, но это не всегда отражает метеорологическую реальность».
Добавить комментарий