СПОСОБ КРАТКОСРОЧНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОБЛАЧНОСТИ И ВИДА НЕБОСВОДА НАД МЕСТНОСТЬЮ НАБЛЮДЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01W1/02 G01W1/10 

Изобретение относится к метеообработке результатов измерения метеорологической величины атмосферного давления.

Известен способ прогнозирования климатических изменений температуры поверхности Земли, в котором прогнозируется климатическое изменение температуры поверхности Земли, включающий измерение метеорологических величин: температуры, давления, влажности с последующей математической обработкой и прогноз температуры и оценку трех фазовых состояний пара в слое атмосферы, отличающийся тем, что путем построения метеокибернетической системы, состоящей из трех групп обратных связей:
1 гр. - между жидкокапельным состоянием и относительной влажностью,
2 гр. - между жидкокапельным состоянием и жидкими осадками,
3 гр. - между радиационно-оптическими параметрами облачности и длинноволновым радиационным притоком тепла, прогноз температуры и трех фазовых состояний пара в атмосфере (пар, вода, лед), получают путем определения трех групп обратных связей на основе комбинированной знакопеременной функции.

Недостатками прогноза являются отсутствие прогноза небосвода, некраткосрочность прогноза, невизуализация прогноза, погрешность ошибок прогнозирования.

Целью изобретения является способ, при котором прогнозируются на глубину времени t метеохарактеристики: вид небосвода и облачность, выраженная в баллах, атмосферное давление и его динамические характеристики над конкретной местностью.

Под видом небосвода подразумевается вид небосвода над данной конкретной местностью, скажем, через два часа после наблюдения, соответствующий той характеристике облачности, выраженной в баллах и соответствующей морфологией облаков, которая получилась в результате прогноза. Под краткосрочным прогнозом некоторых метеорологических характеристик (атмосферное давление, его динамические характеристики, облачность в баллах, вид небосвода с соответствующей морфологией облаков) в конкретной географической местности, понимается прогноз в форме дисплейной информации с заблаговременностью от нескольких часов до суток. Конечно, с увеличением заблаговременности прогноза, его успешность будет уменьшаться. Прогноз предусматривает привязку и адаптацию к данной географической местности, сезону и времени суток.

Атмосферное давление (АД) - важный параметр, определяющий состояние атмосферы в данной географической местности. Обозначим через P(t) давление атмосферы в момент времени t в данной конкретной географической точке. Как показали наблюдения, при помощи соответствующего сглаживания функции P(t) (фильтрации шумов) можно получить функцию, на основе которой возможно построение системы предсказания ее последующего хода на время от нескольких часов до одних суток. Это представляется возможным, если учесть то, что величина атмосферного давления меняется достаточно постепенно, эволюторно.

Указанный технический результат достигается тем, что предложенный способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения, включающий измерение метеорологической величины атмосферного давления в дискретные моменты времени, прогноз облачности и видов небосводов над конкретной местностью, путем построения метеокибернетической системы человек-компьютер, состоит из трех компонент с обратными связями:
первый компонент - визуальное наблюдение и выбор наблюдателем того вида небосвода с соответствующей облачностью из упорядоченной матрицы видов небосводов, хранящейся в памяти компьютера, которая близка картинке небосвода, наблюдаемой наблюдателем в данный момент над местностью;
второй компонент - математическая обработка результатов измерения атмосферного давления с помощью которой выделяют необходимые динамические параметры атмосферного давления, вычисляют прогнозирующий многочлен, который определяет наиболее вероятное поведение атмосферного давления в последующее время после наблюдения;
третий компонент - сопоставление по выделенной наблюдателем начальной картинке небосвода и вычисленному прогнозирующему многочлену упорядоченную последовательность видов небосвода, которая соответствуют последующему за наблюдением ходом времени; при этом далее используют адаптационный механизм, который корректирует работу третьего компонента путем сопоставления предсказанных картинок небосвода с занесенной наблюдателем новой начальной картинки небосвода.

Нами предлагается способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, который основан на следующей методике.

Приведем методику работы системы предсказателя. Обозначим через P(t) атмосферное давление в данной географической точке в момент времени t. Функция P(t) является интегральным результатом различных факторов, воздействующих на атмосферу и ее можно представить в виде суммы где тренд довольно плавная эволюторная характеристика атмосферного давления, несущая в себе прогнозируемую закономерность, а функция H(t) - шум (фиг. 1). Представления об инерционном характере метеорологической ситуации позволяют выделить плавную составляющую B основе метода лежит метод скользящих средних. Суть последнего в том, что коэффициенты прогнозирующего многочлена определяются с помощью метода наименьших квадратов:

Полученные параметры α, β, γ имеют смысл соответственно усредненной значения, усредненной скорости и усредненного ускорения изменения величины атмосферного давления, которые также можно, исходя из смысла, обозначить через Такие обозначения введены потому, что эти величины не являются производными по определению, а усредненными (на определенном промежутке времени) производными.

Рассмотрим работу системы предсказателя (см. фиг. 1, на графике по линии ординат отложена величина атмосферного давления в Mбар, по оси абсцисс - время в условных единицах).

Пусть в момент наблюдения t₀ необходимо знать прогноз последующего хода атмосферного давления. Учитывая постепенный характер изменения функции P(t), будем считать что эта функция хорошо приближается параболами. Найденные при решении задачи на минимум коэффициенты α, β, γ являются основными информационными характеристиками системы предсказателя и названы динамическими параметрами атмосферного давления. В общем случае коэффициенты α, β, γ являются функциями t₀, т.е. α(t_o), β(t_o), γ(t_o) и функция
P_пред(t) = α(t_o)+β(t_o)t+(1/2)γ(t_o)t²
не быстро меняется в зависимости от t₀. На фиг. 1 изображена схема экстраполирования хода атмосферного давления параболами. По полученным прогнозирующим параболам P_пред(t) оценивается максимальное время глубины прогноза ΔT, на который возможны предсказательные ответы по дальнейшему ходу P(t). Если обозначить P_max и P_min - максимальное и минимальное давление, наблюдавшееся в данной местности, то ΔT находится из неравенств

Так как достижение P_min, P_max маловероятно, то в качестве P_min, P_max нужно брать усредненные P_min, P_max (которые автоматически уточняются в адаптационном механизме). Рассмотрим предварительную таблицу из возможных ситуаций с коэффициентами α, β, γ, которая определяет "куски" прогнозирующих парабол. Эти кривые совпадают (ср. фиг. 2 и рис. 2 на табл. 2) с участками кривых атмосферного давления, составленными и классифицированными на основе многолетних метеорологических наблюдений (см. табл. 1, рис. 2, в таблице мы приводим только знаки этих параметров, сами же величины определяют размеры парабол или интенсивность изменения метеовеличины атмосферного давления).

Прогностические параболы, соответствующие пунктам в табл. 1, представлены на фиг. 2.

Прежде чем перейти к характеристикам метеорологических ситуаций, касающихся только одной части таблицы, адекватным четырем таким кривым 2.1-2.4, кратко остановимся на синоптических процессах, которые приводят к тому или иному ходу атмосферного давления в заданном районе и соответствующим изменениям погоды. В умеренных и полярных широтах (30-90^o широты) обоих полушарий Земли резкая смена погодных условий в данной географической точке обусловлена в основном прохождением через эту точку зоны пониженного или повышенного давления. К первым относятся внетропические фронтальные циклоны и связанные с ними барические ложбины с фронтальными разделами между воздушными массами. Ко вторым - антициклоны и барические гребни. Наиболее резкие колебания давления и погодных условий связаны с циклоническими образованиями. Последовательность хода P(t) и соответствующую этому ходу последовательность смены погодных условий, можно представить на основании анализа прохождения через заданную точку развивающегося фронтального циклона. Если циклон проходит через пункт наблюдения, то погода в этом пункте будет меняться следующим образом: сначала появятся высокие облака, затем облачность будет опускаться, а ее количество увеличивается, давление будет равномерно падать, начнутся осадки. С прохождением теплого фронта падение давления и осадки прекращаются. Температура повышается, т.к. пункт попал в теплый сектор, где возможно уменьшение облачности в теплое время года. Зимой в теплом секторе нередко наблюдается низкая облачность. При приближении холодного фронта усиливается ветер. Возможны разрывы в слоистых облаках теплого сектора. Затем надвигаются мощные кучевообразные облака, начинаются ливневые осадки, АД быстро растет, температура падает, фронт проходит быстро. Он движется быстрее теплого фронта. За фронтом наблюдаются разрывы в облаках, возможно кратковременное очищение неба от облачности, особенно в ночные часы. Тыловая часть циклона характерна тем, что на фоне роста давления, после прохождения основного холодного фронта, в дневные часы возможно прохождение нескольких вторичных фронтов с интервалом 1.5-2 часа. Вторичные фронты сопровождаются облачностью, кратковременными осадками, шквалистым ветром. В дальнейшем рост давления уменьшается, облачность рассеивается, устанавливается антициклональная погода. На метеостанциях ведутся регулярные наблюдения не только за величиной, но и временным ходом АД, включающие в себя расчет величины барометрической тенденции, которая является алгебраической разностью между значениями давления за ближайший трехчасовой интервал времени. Дается графическое описание типа кривой изменения давления.

Выделено более десяти типов кривых изменения АД в точке наблюдения. На основе многолетней статистики для каждого из этих типов подобрана соответствующая метеорологическая ситуация. В качестве примера можно привести 4 типа кривых, соответствующих кривым на рис.2.1-2.4 (табл. 2) (здесь следует отметить, что полученные на основе метода наименьших квадратов параметры более тонко улавливают тенденцию изменения величины атмосферного давления).

Анализ конкретных метеонаблюдений показывает, что при использовании кривых изменения давления при краткосрочном прогнозе метеоситуаций полезно учитывать не только тот факт, что давление падает, но и крутизну и кривизну падения, (т. е. первую и вторую усредненные производные АД) т.к. по интенсивности падения и кривизне можно судить об ожидаемой интенсивности осадков, контрасте температур на фронтальном разделе и т.д.

Поясним работу системы предсказателя на фиг. 3.

На фиг. 3 введены следующие обозначения:
Cu - кучевые облака, Sc - слоисто-кучевые облака, Ns -слоисто-дождевые облака, Cs - перисто-слоистые облака, Ас - высококучевые облака. Функция N(t) - количество баллов общей облачности в момент времени t. Оси ординат для графиков P(t) и N(t) совмещены для наглядности (горизонтальная ось графиков имеет разрыв).

Поясним работу предсказателя основываясь на фиг. 3. Наблюдатель находит по таблице небосводов (находящейся в памяти компьютера) тот небосвод, который является ближайшим к виду небосвода, который наблюдается над данной местностью в данный момент времени. Тем самым автоматически определяется облачность, выраженная в баллах, и морфология облаков (это происходит автоматически, так как матрица небосводов содержит небосводы упорядоченные по видам и формам облаков и прозрачностью небосвода в баллах). Выбранный наблюдателем вид небосвода назовем начальной картинкой небосвода. К моменту наблюдения в памяти находится информация о ходе АД за предыдущее время. По полученной от наблюдателя начальной картинке небосвода и вычисленному в компьютере прогностическому многочлену P_пред(t) определяется типичная последовательность картинок небосводов с соответствующей облачностью, выраженной в баллах (эта последовательность выбирается из той же матрицы). При прошествии некоторого времени наблюдаемый вид небосвода может не быть близким к предсказанному на данный момент времени. Новая начальная картинка небосвода, "закладываемая" наблюдателем в компьютер, служит, с одной стороны, для корректирования предсказываемой последовательности небосводов, с другой стороны - как начальная картинка для дальнейшего прогноза. Причем корректируется только скорость смены облачности, сама же тенденция не сильно зависит от полученной новой картинки небосвода (если, конечно, она получена в течениe срока предсказания). Этот механизм назван адаптационным, так как скорость смены облачности зависит от большого количества метеорологических факторов и географии местности. Так как для более точного выявления тенденции необходимо надежно определить параметр γ (ускорение изменения АД), то в адаптационном механизме предусмотрено изменение (увеличение) количества выборок (параметр N).

Опишем работу устройства (см. фиг. 4). Устройство реализует алгоритм краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения, включает датчик атмосферного давления, запоминающее устройство измеренных значений метеовеличины атмосферного давления, часы, компьютер с монитором. Начальная картинка небосвода, получаемая от человека - оператора как от элемента системы человек-компьютер, выбирается из памяти компьютера, где хранится матрица упорядоченных небосводов в количестве 2^m, m≥7. Далее запускаются программы по заранее измеренным в предыдущее время соответствующие ассоциированные с небосводом метеорологические факторы с учетом времени суток и года. Устройство по п. 14, отличается тем, что ответ о прогнозируемой последовательности картинок небосводов с соответствующей облачностью получается сразу после выбора оператором начальной картинки небосвода, так как компьютер тратит доли секунды на нахождение прогнозирующего многочлена и получения последовательности слайдов прогнозируемых видов небосводов, с соответствующей облачностью N(t).

Сущность изобретения: способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения основан на создании метеорологической системы человек-компьютер с обратными связями и работающей в режиме он-лайн. Основными элементами системы являются математическая обработка массива данных величины атмосферного давления над данной местностью с целью ее краткосрочного прогноза и занесение в компьютер начального вида небосвода в момент наблюдения (или близкого к нему). Система позволяет, основываясь на начальной картинке небосвода и на прогнозе величины атмосферного давления, в ближайшие часы прогнозировать облачность и картинки небосводов на последующее после наблюдения время. Система имеет адаптационный механизм, позволяющий корректировать прогноз. Устройство включает датчик атмосферного давления, запоминающее устройство, часы, компьютер. В компьютере хранится матрица упорядоченных небосводов. Обеспечено расширение функциональных возможностей. 2 с. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения, включающий измерение метеорологической величины атмосферного давления в дискретные моменты времени, прогноз облачности и видов небосводов над конкретной местностью путем построения метеокибернетической системы человек-компьютер, состоящей из трех компонент с обратными связями: первый компонент - визуальное наблюдение и выбор наблюдателем того вида небосвода с соответствующей облачностью из упорядоченной матрицы видов небосводов, хранящейся в памяти компьютера, которая близка картинке небосвода, наблюдаемой наблюдателем в данный момент над местностью; второй компонент - математическая обработка результатов измерения атмосферного давления с помощью которой выделяют необходимые динамические параметры атмосферного давления, вычисляют прогнозирующий многочлен, который определяет наиболее вероятное поведение атмосферного давления в последующее время после наблюдения; третий компонент - сопоставление по выделенной наблюдателем начальной картинке небосвода и вычисленному прогнозирующему многочлену упорядоченную последовательность видов небосвода, которая соответствует последующему за наблюдением ходом времени. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прогнозированная последовательность видов небосводов, высвечиваемая на экране монитора, соответствует ходу времени с глубиной прогноза от нескольких десятков минут, до одних суток с любой дискретизацией этого интервала. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве упорядоченной матрицы видов небосводов наблюдателю представляется на выбор на экране дисплея N характерных, промежуточных и упорядоченных состояний небосвода с соответствующей облачностью между двумя его крайними состояниями. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что упорядоченная матрица небосводов содержит небосводы с соответствующей облачностью различных видов и форм, от абсолютной прозрачности до отсутствия прозрачности, или от 0 до 10 баллов и соответствующие трем различным типам облаков - облака верхнего, среднего и нижнего ярусов. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициенты прогнозирующего многочлена определяют с помощью метода наименьших квадратов

где t_i - моменты времени измерения атмосферного давления;
α - усредненное значение величины атмосферного давления;
β,γ - соответственно усредненная скорость и усредненное ускорение изменения величины атмосферного давления. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что для прогнозирования величины атмосферного давления на глубину времени t за пределы момента наблюдения, используют выражение

где коэффициенты α,β,γ, полученные в результате минимизации во второй компоненте. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения прогнозирующей последовательности видов небосводов и облачности, по начальной картине небосвода и прогнозирующему многочлену, используют алгоритм, реализующий логику многолетних наблюдений, который участку прогнозируемой кривой атмосферного давления сопоставляет типичную последовательность метеорологических наблюдений и представленных в виде картинок небосводов с соответствующей облачностью. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что новую поступившую от наблюдателя картинку небосвода, которая не совпадает с прогнозируемой ранее на данный момент времени, используют для корректирования прогноза с учетом тенденции, которая складывается с ходом времени и в течение промежутка предсказания. 9. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что используют адаптационный механизм, работающий с кодами картинок небосводов, которые соответствуют порядку картинки небосвода в упорядоченной таблице видов небосводов. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что под видом небосвода подразумевают вид небосвода, соответствующий той характеристики облачности выраженной в баллах, которая получилась в результате прогноза. 11. Способ по п.2, или 3, или 9, отличающийся тем, что адаптационный алгоритм содержит пополняемый банк данных, в котором содержится информация о данной местности: среднее атмосферное давление, наибольшее и наименьшее значения атмосферного давления, метеофакторы, ассоциированные с видом небосвода, характерные для данной местности, лунный и солнечный календари. 12. Способ по п. 5, отличающийся тем, что для выделения усредненного значения, усредненной скорости и усредненного ускорения изменения величины атмосферного давления применяют малошумящие дифференцирующие фильтры. 13. Способ по п.1, отличающийся тем, что краткосрочный прогноз дается сразу после получения от наблюдателя начальной картинки небосвода. 14. Устройство краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения, включающее датчик атмосферного давления, запоминающее устройство измеренных значений метеовеличины атмосферного давления, часы, компьютер с монитором, при этом оно реализует алгоритм предсказания, использующий информацию, получаемую от человека-оператора как от элемента системы человек-компьютер, имеющей обратные связи, причем в памяти компьютера хранится матрица упорядоченных небосводов и соответствующие ассоциированные с небосводом метеорологические факторы. 15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что ответ о прогнозируемой последовательности картинок небосводов с соответствующей облачностью получается сразу после выбора оператором начальной картинки небосвода.