СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОГОДЫ Российский патент 2001 года по МПК G01W1/10 

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано на метеорологических станциях, а также в любом пункте на определенном расстоянии от метеостанции, в том числе и на подвижных объектах, например на судах и на других объектах, где необходимы прогнозы погоды.

Наибольшее распространение для прогнозирования погоды получили синоптические способы, основанные на анализе состояния атмосферы на значительной площади земной поверхности представленные в виде карт погоды. Развитие синоптических способов было связано с постоянным расширением сети метеорологических наблюдений, считалось чем большую площадь анализировать одновременно, тем более совершенным будет прогноз, то есть постоянно наращивали пространственную составляющую, причем не только по координатам x, у (по площади), но и по z (по высоте), но только не по t (времени). И это понятно так, как очень сложно найти аналог в синоптическом архиве (скорее всего это просто невозможно сделать даже на суперкомпьютере). Причина этого отсутствие подходящего критерия, поэтому временная составляющая здесь не задействована в полной мере. В связи с этим пространственно-временное соотношение измеряемых метеорологических параметров сдвигалось влево (в сторону пространства). Более того, временная составляющая в синоптических способах минимизировалась, например, в идеальном случае для лучшего осуществления этого способа стремились иметь глобальную карту погоды, составленную как можно за короткий период времени, то есть в данном случае пространственная составляющая стремиться к максимуму, а временная к минимуму. Такое неоптимальное пространственно-временное соотношение, используемое в синоптических методах, привело к тому, что наиболее надежные прогнозы могут составляться в основном на три дня. Для преодоления этого рубежа стали применять суперкомпьютеры типа CRAY-YMP8 [1].

Указанный компьютерный способ позволяет обеспечить составление детализированных по дням прогнозов погоды на срок до 10 дней (вместо существующих 3-дневных прогнозов), повысить оправдываемость прогнозов стихийных гидрометеорологических явлений, увеличить заблаговременность их выпусков; обеспечить выпуск численных прогнозов температуры, влажности, скорости ветра, осадков для крупных населенных пунктов.

Недостатками этого способа является прежде всего предел прогнозируемости 14 дней, высокая стоимость компьютера 18 миллионов долларов США плюс 15-20% стоимость периферийных устройств, а также составление прогнозов только на 10 дней (при пределе прогнозируемости 14 дней).

Известен способ [2] составления прогнозов среднесрочных (15 суток) и долгосрочных (месяц), а также способ составления прогноза погоды [3], основанные на использовании аналогов синоптических процессов.

Эти способы включают проведение текущих метеорологических и аэрологических измерений, определение по этим измерениям аналогов в базе данных и составление прогноза погоды по выбранному аналогу. Аналоги отбираются по меткам тенденций геопотенциалов, а также по меткам данных метеорологических величин по методу наибольшего правдоподобия, при этом используются осредненные данные. Недостатки этих способов в том, что они основаны на использовании аналогов синоптических процессов (площадных), хотя и имеют более оптимальное чем у вышеуказанных способов, пространственно-временное соотношение, так как используется многолетний ряд аналогов синоптических процессов. Последнее усложняет процедуру выбора аналогов, значительно снижает их точность. Поиск синоптического аналога (площадного) в базе данных значительно сложнее осуществить в сравнении с точечным аналогом, предлагаемым в заявляемом способе. Точность прогнозов существенно снижает использование осредненных данных. Кроме того, проведение аэрологического зондирования требует дополнительных затрат и может быть выполнено в ограниченном объеме, например, в региональных центрах, аэропортах и др. Это ограничивает широкое применение этого способа. Проблема более совершенного поиска аналога в этом способе не решена, так как не предложено объективного критерия его оценки, что также ограничивает применение этого способа.

Наиболее близким к заявляемому является способ [4], выбранный за прототип, используемый в "Вычислительном устройстве для прогнозирования погоды". По этому способу измерение температуры относительной влажности и давления проводят один раз в сутки, например, в 12 часов в день составления прогноза и в предыдущий день и сравнивают по критерию "Равно" с аналогичными данными, полученными на ближайшей метеостанции за 50-100 лет наблюдений. Данные последовательно квантуют с шагом 1, 2, 4, 8, 16 и попеременно сравнивают попарно со сдвигом на один день до достижения критерия "Равно" при этом дробные части отбрасывают. При достижении критерия "Равно" к найденной паре дней добавляют третий и берут его в качестве прогноза, в тройке дней первый отбрасывают, по оставшимся двум находят третий день и так до составления прогноза до конца текущего календарного месяца.

Недостатками прототипа является низкая точность прогноза, обусловленная тем, что текущие измерения проводят только один раз в сутки. Ступенчатое квантование снижает точность отбора аналога.

Цель изобретения - оптимизация пространственно-временного соотношения измеряемых параметров и увеличение временной составляющей.

Сущность изобретения в том, что проводят текущие метеорологические измерения с периодом, равным периоду прогноза, определяют по этим измерениям аналог в ряду многолетних данных метеорологических наблюдений и составляют прогноз погоды по выбранному аналогу, путем представления пространства точкой метеорологической сети, а временной составляющей рядом многолетних данных метеорологических наблюдений. Текущие измерения проводят путем измерения каждые три часа температуры в градусах Кельвина, атмосферного давления и относительной влажности воздуха, измеренные значения величин записывают в виде строки по 12 символов на каждый замер, составляют и записывают за восемь замеров строку из 96 символов. Далее последовательно сравнивают эту строку со строками значений величин базы данных, которую представляют аналогичным образом в виде строк из 96 символов, где каждым календарным сутках соответствует своя строка. Если тождественная строка в базе данных не найдена, то сравниваемые строки квантуют путем деления нацело их значений на числа от двух до n с шагом 1, попеременно с указанным сравнением строк до нахождения в базе данных после указанного деления тождественной строки; соответствующую ей исходную, до упомянутого деления, строку из базы данных принимают за строку-аналог; следующую за ней строку базы данных берут за первое значение суточного прогноза, фиксируют его, сравнивают описанным выше образом с базой данных, при этом найденную строку в базе данных пропускают, и вышеописанным образом определяют для нее строку-аналог, которую берут за второе значение суточного прогноза, фиксируют интервал изменения прогнозируемых параметров, затем по второму значению суточного прогноза путем смещения на одну строку базы или на одни сутки вперед, определяют первое значение прогноза на вторые сутки, фиксируют его, сравнивают с базой данных, при этом найденную строку в базе данных пропускают и вышеописанным образом определяют строку-аналог, которую берут за второе значение прогноза на вторые сутки, фиксируют интервал изменения прогнозируемых параметров, затем по второму значению прогноза на вторые сутки путем смещения на одну строку базы или на одни сутки вперед определяют первое значение прогноза на следующие сутки, фиксируют его. Такие операции выбора аналога, сдвига на одни сутки в базе данных и фиксации прогнозируемых параметров многократно повторяют до достижения срока заблаговременности прогноза. N - предельный показатель точности прогноза, расположен в интервале 30 < n < 60. Радиус действия метеостанции равен половине расстояния между двумя ближайшими метеостанциями.

Способ прогноза погоды осуществляется следующим образом.

Измеренные в ноль часов, три часа, шесть часов, девять часов, двенадцать часов, пятнадцать часов, восемнадцать часов и двадцать один час значения температуры с десятыми долями в градусах Кельвина составляющие четыре символа, давление в гектопаскалях с десятыми долями составляющее пять символов и, наконец, относительная влажность - три символа, записывают в виде строки по двенадцать символов на каждый замер. Таким образом, из двенадцати символов, полученных за восемь замеров, составляют и записывают строку из 96 символов (байтов). Аналогичным образом в виде строк из 96 байтов представляется база данных, где также каждым календарным суткам соответствует своя строка.

Поиск аналога осуществляется последовательным сравнением этой строки со строками значений величин базы данных, которую представляют аналогичным образом в виде строк из 96 символов, где каждым календарным сутках соответствует своя строка. Если тождественная строка в базе данных не найдена, то сравниваемые строки квантуют путем деления нацело их значений на числа от двух до n с шагом 1. Попеременно с указанным сравнением строк до нахождения в базе данных после указанного деления тождественной строки; соответствующую ей исходную, до упомянутого деления, строку из базы данных принимают за строку-аналог; следующую за ней строку базы данных берут за первое значение суточного прогноза, фиксируют его, записывая в первую колонку таблицы прогноза. Первое значение суточного прогноза сравнивают описанным выше образом с базой данных, при этом найденную строку в базе данных пропускают, и вышеописанным образом определяют для нее строку-аналог, которую берут за второе значение суточного прогноза, записывают во вторую колонку таблицы. Таким образом фиксируют интервал изменения прогнозируемых параметров на восемь сроков. Затем по второму значению суточного прогноза путем смещения на одну строку базы или на одни сутки вперед, определяют первое значение прогноза на вторые сутки, фиксируют его, сравнивают с базой данных, при этом найденную строку в базе данных пропускают и вышеописанным образом определяют строку-аналог, которую берут за второе значение прогноза на вторые сутки, фиксируют интервал изменения прогнозируемых параметров, затем по второму значению прогноза на вторые сутки путем смещения на одну строку базы или на одни сутки вперед определяют первое значение прогноза на следующие сутки, фиксируют его, такие операции выбора аналога, сдвига на одни сутки в базе данных и фиксации прогнозируемых параметров многократно повторяют до достижения срока заблаговременности прогноза (10 дней, 2 недели, месяц, сезон), n - предельный показатель точности прогноза, расположенный в интервале 30 < n < 60, при этом текущие метеорологические измерения проводят в пределах радиуса действия метеостанции, который принимают равным половине расстояния между ближайшими метеостанциями.

Практически нахождение тождественной строки в базе данных реализуется крайне редко или вообще не реализуется. Если этот критерий реализуется, то очень большая вероятность того, что одна и та же строка ошибочно записана дважды, для этого перед сравнением строки квантуют с шагом единица, что достигается путем деления нацело их значений на числа от двух до n (при этом дробные части отбрасываются, а целые сравниваются).

Показатель интервала значений "n" получен экспериментальным путем при составлении прогнозов погоды по данному способу. В результате проведенных исследований установлено, что наилучшая оправдываемость прогнозов при n = 30, а при n = 60 и более точность прогноза снижается. Приведенные результаты получены на базах данных за период с 1966 по 1983 (1985) гг.

Для оптимальной эксплуатации заявляемого способа желательно иметь базу данных за 30-50 лет наблюдений, при этом показатель точности прогноза погоды n должен сместиться влево и достигнуть, например, таких значений: 20 < n < 60.

Положительный эффект способа обеспечивается прежде всего тем, что используют неосредненные данные метеорологических измерений с дискретизацией по времени в три часа. При такой дискретизации не происходит разрыва естественного метеорологического процесса. Это доказано экспериментально при работе с аналогичной базой данных с 1936 по 1965 гг., но с дискретизацией по времени 6 часов, то есть при измерении параметров 4 раза в сутки. Установлено, что при работе с этой базой заявляемый способ не дает положительных результатов, по тому что теряется связь внутри природных метеорологических процессов при переходе одного срока измерения к другому.

При замене пространства на время, для оптимизации пространственно-временного соотношения измеряемых параметров происходит следующее. Пространство (слой атмосферы над определенной частью земной поверхности), используемое в синоптических способах прогнозов погоды, в заявляемом способе также используется, поскольку атмосфера постоянно находится в движении и быстро меняется, но все это фиксируется в длинном ряду метеорологических наблюдений на конкретной метеостанции. Получается так, что каждое изменение движущейся атмосферы фиксируется, если оно проходит в определенный момент времени (срок наблюдения) над определенной точкой земной поверхности (конкретной метеостанции).

Заявляемый способ обеспечивает увеличение срока заблаговременности, детальности, точности прогноза при одновременном существенном уменьшении затрат на его проведение. Весьма существенно, что такие прогнозы могут осуществлять сотрудники метеостанций на своих рабочих местах и это не требует дорогостоящего оборудования.

Источники информации
1. Краткое описание проектов федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды для Москвы и Московской области. М., 1994 г.

2. Авторское свидетельство N 1721569.

3. Авторское свидетельство N 1780074.

4. Патент N 1429131. Вычислительное устройство для прогнозирования погоды. G 06 F 15/54, 1993 (прототип).

Использование: на метеорологических станциях, подвижных объектах и т.п. , для прогнозирования погоды. Сущность изобретения: проводят через три часа текущие метеорологические измерения температуры в градусах Кельвина, атмосферного давления и относительной влажности воздуха с периодом, равным одним календарным суткам. По этим измерениям определяют аналог в ряду многолетних данных метеорологических измерений путем сравнения по критерию "Равно" строки текущих измерений со строками базы данных. Для этого строки квантуют, а именно делят нацело на числа от 2 до n, где n - предельный показатель точности прогноза. По найденной строке базы данных определяют аналог, а путем сдвига на одни сутки вперед берут первое значение суточного прогноза, сравнивают его также и по найденному аналогу определяют второе значение суточного прогноза, затем, смещаясь на одни сутки вперед, определяют первое значение прогноза на вторые сутки и так далее до конца прогноза. Такой способ прогноза позволяет повысить его достоверность, оптимизировать пространственно-временное соотношение измеряемых параметров и увеличить временную составляющую.

Способ прогнозирования погоды, включающий периодическое проведение текущих метеорологических измерений, определение по этим измерениям аналога в ряду многолетних данных метеорологических наблюдений и составление прогноза погоды по выбранному аналогу, отличающийся тем, что каждые три часа измеряют температуру в градусах Кельвина, атмосферное давление и относительную влажность воздуха, измеренные значения величин записывают в виде строки по 12 символов на каждый замер, составляют и записывают за восемь замеров строку из 96 символов и последовательно сравнивают эту строку со строками значений величин базы данных, которую представляют аналогичным образом в виде строк из 96 символов, где каждым календарным суткам соответствует своя строка; если тождественная строка в базе данных не найдена, то сравниваемые строки квантуют путем деления нацело их значений на числа от двух до n с шагом 1, попеременно с указанным сравнением строк до нахождения в базе данных после указанного деления тождественной строки; соответствующую ей исходную, до упомянутого деления, строку из базы данных принимают за строку-аналог; следующую за ней строку базы данных берут за первое значение суточного прогноза, фиксируют его, сравнивают описанным выше образом с базой данных, при этом найденную строку в базе данных пропускают, и вышеописанным образом определяют для нее строку-аналог, которую берут за второе значение суточного прогноза, фиксируют интервал изменения прогнозируемых параметров, затем по второму значению суточного прогноза путем смещения на одну строку базы или на одни сутки вперед определяют первое значение прогноза на вторые сутки, фиксируют его, сравнивают с базой данных, при этом найденную строку в базе данных пропускают и вышеописанным образом определяют строку-аналог, которую берут за второе значение прогноза на вторые сутки, фиксируют интервал измерения прогнозируемых параметров, затем по второму значению прогноза на вторые сутки путем смещения на одну строку базы или на одни сутки вперед определяют первое значение прогноза на следующие сутки, фиксируют его, такие операции выбора аналога, сдвига на одни сутки в базе данных и фиксации прогнозируемых параметров многократно повторяют до достижения срока заблаговременности прогноза, n - предельный показатель точности прогноза, расположенный в интервале 30 < n < 60, при этом текущие метеорологические измерения проводят в пределах радиуса действия метеостанции, который принимают равным половине расстояния между ближайшими метеостанциями.