На высоте 3,4 километра — ноль градусов, на 5,6 километра — уже минус пятнадцать. Такой разрез атмосферы дал радиозонд из Воейково 9 июня 2020 года: по мере подъёма прибор пересекал температурные слои, невидимые с земли. Его измерения затем использовали для исследования облака над Ленинградской областью.

Погода над термометром

В пору перехода от дождей к снегу особенно заметно, насколько погода зависит от устройства воздуха по высоте. У поверхности может лежать холодный воздух, а над ним — более тёплый. При пересечении атмосферного фронта радиозонд способен сначала пройти слой, где температура падает, затем попасть в полосу её повышения. Подобный переход описан в учебном пособии Российского государственного гидрометеорологического университета.

Наземный термометр показывает условия в одной точке. Радиозондирование добавляет к ним вертикальный профиль: последовательность значений температуры и влажности, давления, скорости и направления ветра на разных высотах. Именно такой набор получали при запуске в Воейково, подробно зафиксированном в полевом фоторепортаже 2008 года.

От будки до радиосигнала

У полёта есть наземная часть. В репортаже со станции описана подготовка радиозонда в метеорологической будке: прибору дают время перейти от температуры помещения к условиям наружного воздуха. Шар и подвешенный к нему зонд готовят к выпуску с учётом ветра — у здания для этого предусмотрены подставки с разных сторон. Это описание конкретного запуска 2008 года.

Последовательность наблюдения связывает небольшой прибор в воздухе с аппаратурой на земле:

  1. Датчики радиозонда измеряют характеристики окружающего воздуха.
  2. Поднимающийся шар переносит прибор через атмосферные слои, а радиосигнал доставляет результаты на станцию.
  3. Из полученных значений составляют таблицу распределения метеорологических величин по высоте.

В таблице рядом оказываются температура, точка росы или относительная влажность, направление и скорость ветра. Поэтому один подъём описывает сразу несколько сторон состояния атмосферы.

Ветер за облачной завесой

Измерения ветра в Воейково связаны с историей радиолокационного сопровождения зондов. В воспоминаниях начальника станции Евгения Рыбакова, опубликованных Росгидрометом, описаны приборы со специальной антенной или передатчиком-ответчиком. Наземная аппаратура следила за их перемещением и позволяла определять скорость и направление ветра на высотах подъёма.

Раньше за летящим прибором наблюдали оптическим теодолитом. Облака закрывали цель, темнота ограничивала наблюдение. Радиолокация позволила продолжать сопровождение за облачной завесой. Первоначально радиолокационная станция и станция радиозондирования работали отдельно; после объединения подразделение получило название станции радиолокационного зондирования, а позднее — аэрологической станции Воейково.

Исходные условия для облака

У измерений есть продолжение в численной модели. В исследовании, опубликованном в выпуске 614 трудов Главной геофизической обсерватории за 2024 год, использовали температурный и влажностный профили Воейково за 9 июня 2020 года. Их дополнили наземными наблюдениями, учитывая различия подстилающей поверхности. Исследуемая облачная ячейка появилась к востоку от Гатчины.

В расчёте прослеживали движение воздуха и превращения воды. Модель учитывала водяной пар, облачные и дождевые капли, облачные ледяные кристаллы и граддины. Радиозонд задавал начальное распределение температуры и влажности, от которого зависело дальнейшее развитие расчётного облака.

По оценке авторов, уровень конденсации находился на высоте 1,5 километра, а уровень равновесной температуры — на 11,6 километра. Эти отметки примерно соответствовали нижней и верхней границам облаков. Так измерения одного подъёма становились исходными условиями для воспроизведения целого атмосферного процесса.

Проверка атмосферной влаги

Другой способ использования данных Воейково — сопоставление с приборами, измеряющими атмосферу с земли. Радиозонд проходит через воздух и последовательно измеряет его свойства. Микроволновый радиометр позволяет определять общее содержание водяного пара дистанционно. Сравнение этих методов помогает оценить точность измерений.

В статье журнала «Оптика атмосферы и океана» за 2016 год исследователи сопоставили данные станции Воейково с наземными микроволновыми измерениями. В работу вошло более 850 дневных и ночных сравнений за период с 13 марта 2013 года по 31 мая 2014 года. Расхождения могли достигать десятков процентов: влияли и погрешности приборов, и неоднородное распределение влаги в пространстве.

После исключения наиболее сильного влияния пространственной неоднородности средние расхождения двух методов удалось снизить до 3–4 процентов.