СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОГОДЫ Российский патент 2006 года по МПК G01W1/10 

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

Известно устройство для автоматической сигнализации о прогнозе наступления явлений погоды, способ прогнозирования которого заключается в преобразовании информативных метеорологических величин в электрические величины, а о наступлении прогнозируемого явления судят по суммарному значению этих электрических величин на выходе устройства (авт. свид. СССР №895210).

Недостатком способа является невысокая точность, обусловленная использованием для формирования прогноза наступления явления погоды суммарного значения электрической величины датчиков. Кроме того, способ позволяет оценить только вероятность наступления прогнозируемого явления.

Наиболее близким к заявляемому решению является способ определения изменения погоды, заключающийся в измерении и сравнении информационных метеорологических величин. При этом атмосферное давление, температуру и относительную влажность воздуха измеряют с начала суток каждые три часа. Изменение погоды определяют сравнением полученных данных в заданном временном интервале, а наборы измеренных в течение текущих и предшествующих суток метеорологических величин а и b сравнивают между собой по заданному условию a/k-b/k=0 и по полученным для каждой пары предыдущих и текущих суток значениям показателя изменения погоды k строят его зависимость от времени и по ней составляют прогноз изменения погоды (заявка №98112354/28, опублик. 10.03.2000).

Однако известный способ позволяет прогнозировать с достаточной точностью только среднесрочные изменения погоды.

Задачей предложенного способа является расширение спектра заблаговременности прогноза, а именно составление краткосрочных (до нескольких часов), среднесрочных (до нескольких суток) и долгосрочных (до нескольких месяцев) прогнозов погоды.

Поставленная задача решается так, что в способе прогнозирования погоды, заключающемся в измерении и сравнении информативных метеорологических величин в заданном временном интервале, при этом наборы значений предыдущих и последующих измерений метеорологических величин сравнивают друг с другом путем последовательного деления нацело и попеременного вычитания в цикле от 1 до n до получения значения "0", n - показатель изменения погоды, по вычисленным значениям получают зависимости изменения погоды во времени, выделяют по ним погодные кластеры, по изменению знака зависимости судят о границах кластеров, по характеру зависимости внутри кластера и по смене типа зависимости и типу пограничных с ним кластеров составляют прогноз погоды, измерения метеорологических величин осуществляют с минимальным базовым временным интервалом, а изменения погоды вычисляют как по базовому временному интервалу, так и по выбранным на его основе другим временным интервалам, не превышающим предельный максимальный интервал, путем попеременной засылки наборов значений метеорологических величин в пару регистров.

Среднесрочное изменение погоды от суток к суткам вычисляют на основе 8-ми значений показателя изменения погоды - n для предельного максимального временного интервала в паре регистров.

Долгосрочное изменение погоды от суток к суткам вычисляют в паре регистров на основе вычисленных 8-ми значений показателя изменения погоды - n предыдущих текущим суткам и таких же данных базы данных, находят аналог текущей погоде, сдвигают на 1 сутки вперед по базе и эти данные берут за прогноз 1 на завтра, фиксируют их, в базе данных находят и фиксируют аналог для прогноза 2 на завтра, вновь сдвигаются на 1 сутки вперед и эти данные берут за прогноз 1 на вторые сутки, снова определяют для него аналог - прогноз 2 на вторые сутки, операцию поиска аналога и получения суточного прогноза повторяют многократно до выполнения продолжительности заблаговременности долгосрочного прогноза.

Способ прогнозирования погоды предусматривает составление прогнозов всего временного спектра и осуществляется следующим образом.

Краткосрочные прогнозы погоды основаны на измерениях и сравнении их данных только в течение одних - нескольких текущих суток, долгосрочные - на привлечении стандартной многолетней базы данных (восьмисрочные суточные измерения).

Детальность прогноза и его заблаговременность зависят от временного интервала. Например, за минимальный базовый временной интервал берут 10 мин, что позволяет прогнозировать погоду на ближайший час, интервал 30 мин - на несколько часов, предельный максимальный интервал 3 часа - на 12 часов и более, но не выходя за пределы суток. Рассмотрим осуществление способа на примере краткосрочного прогнозирования погоды. Интервал 10 минут выбран, как известно из практики, на основе предельного разрешения метеорологических процессов и может быть использован, например, для прогнозирования гроз. Экспериментально доказано, что устойчивые связи между метеорологическими параметрами сохраняются в интервале до 3-х часов включительно, свыше этого интервала связи теряются, например, при интервале измерения 6 часов (4 раза в сутки) прогноз по данному способу не возможен.

Данные, полученные с датчиков 1, 2, 3 (устройство и реализуемая зависимость подробно описаны в патенте №2200336, заявка №98112354) за предыдущие и текущие измерения, поступают в микрокомпьютер 4 (программируемая микросхема 5) для обработки зависимости -

а - измеренные параметры погоды RH, Р, Т в течение выбранного промежутка времени (начало);

b - измеренные параметры RH, Р, Т погоды в течение выбранного промежутка времени (конец);

k=1...n;

n - показатель изменения погоды.

Для использования зависимости (1) попеременно в пару регистров микрокомпьютера 4 засылают значения измеренных величин (RH - относительной влажности, Р - давления, Т - температуры воздуха) с датчиков 1, 2, 3 в начале временного интервала (а) и в его конце - (b). Информацию получают при делении каждого числа первого регистра и аналогичных чисел второго регистра, затем результат деления засылают в те же регистры и происходит вычитание содержимого второго регистра из первого. При полном совпадении содержания регистров результат вычитания равен нулю. Это означает окончание цикла за n итераций. Такой результат может быть получен и за один проход цикла (деление на 1), но это возможно только при полном совпадении содержимого регистров изначально (разность равна 0). Все это происходит в результате деления нацело в цикле от 1 до n с попеременным вычитанием частного одного регистра из частного другого регистра до разности, равной нулю. При делении нацело или целочисленном делении дробные части результата отбрасываются и в регистры записывается только целая часть числа после деления.

Минимальное изменение погоды, при котором (RH, Р, Т) - основные погодообразующие параметры, т.е. а и b полностью совпадают, при n=1. Следует отметить, что изменение погоды не может принимать значение "0", т.к. погода всегда меняется (например, при полном совпадении значений относительной влажности, температуры и давления различия могут быть в направлении, скорости ветра и пр.). Важно то, что чем больше значения принимает (n), тем значительнее изменилась погода.

По полученным значениям n для каждой пары предыдущих и последующих измерений компьютер (6) строит график зависимости n от времени. Анализ графика позволяет выявить погодный кластер, а сравнение последующих значений дает возможность дать заключение о прогнозе на заданный временной интервал: минуты, часы, сутки, неделя, месяц.

Среднесрочное прогнозирование погоды осуществляется в отличие от известного (патент №2200336 от 22.06.98 г.) следующим образом.

В данном прогнозировании погоды используется только 3-х часовой интервал изменения погоды. В результате на каждые сутки получается 8 значений изменения погоды от "0" часов до "0" часов. Поэтому показатель n' определяется также по зависимости (1) (но множества значений a, b представлены не набором измеренных погодных параметров, а полученными на их основе значениями n') и несет в себе информацию о сравнении погоды по заданному алгоритму для двух суток, что представляется в виде одного числа, что и отмечено как n' (со штрихом).

Изменение погоды от суток к суткам определяется путем вычислительных операций в микрокомпьютере 4 над вычисленными 8-ю значениями показателя изменения погоды n предыдущих и последующих суток. Осуществляется обработка зависимости (1), т.е. операция деления этих значений нацело в цикле от 1 до n' и вычитания до получения значения "0", где n' - показатель изменения среднесрочного прогноза погоды. По вычисленным значениям получают зависимости изменения погоды во времени, выделяют по ним погодные кластеры, по изменению знака зависимости судят о границах кластеров, по типу зависимости внутри кластера и по смене типа зависимости и типу пограничных с ним кластеров составляют прогноз погоды (аналогично описанному в патенте №2200336).

Прогнозирование погоды и особенно на длительный срок (месяц и более) также возможно при помощи заявленного способа путем автоматического подбора аналогов и осуществляется с использованием базы данных, также с использованием зависимости (1).

При этом изменение погоды от суток к суткам вычисляется также в регистрах микрокомпьютера 4 над 8-ю значениями показателя изменения погоды n'' предыдущих текущим суткам и таких же данных базы данных. В первый регистр засылаются показатели изменения погоды предыдущих текущим суткам, а во второй - такие же показатели изменения погоды определенных суток из базы данных, находят измеренным суткам аналог в базе данных, сдвигаются на 1 сутки вперед и эти данные берут за прогноз 1 на завтра, фиксируют их в этом же регистре, а данные из базы передают в свободный регистр, где находят аналог для прогноза 1 и фиксируют его как прогноз 2 на завтра. Вновь сдвигают в базе на 1 сутки вперед и эти данные берут за прогноз 1 на вторые сутки. Снова ищут в другом регистре для него аналог - прогноз 2 на вторые сутки, операцию поиска аналога и сдвига на сутки вперед для получения суточного прогноза повторяют многократно до завершения продолжительности заданной заблаговременности долгосрочного прогноза.

Дополняя график поступающими данными, можно делать заключение - находимся мы в кластере или выходим из него, какой это кластер (теплый, холодный, дождливый, грозовой и т.д.), продолжительность, прогноз нового кластера и т.д.

Пример конкретного устройства для осуществления способа приведен в описании к патенту №2200336, заявка №98112354 от 22.06.98, фиг.1.

Измерение погоды осуществляют по 3-м метеорологическим величинам: 1 - относительной влажности воздуха (RH), 2 - атмосферному давлению (Р), 3 - по температуре (Т). Датчик относительной влажности 1 (например, американской фирмы Ханивел, датчик давления 2 - Моторола, датчик температуры 3 - Даллес). Датчики 1, 3 температуры и влажности подключены проводами к микрокомпьютеру 4 (контроллеру в известном описании к патенту №2200336) и располагаются вне помещения, а датчик давления 2 вмонтирован в микрокомпьютер 4. Микрокомпьютер 4 содержит программируемую микросхему 5. Все основные вычислительные операции по алгоритму производятся микросхемой. В компьютере 6 хранится база данных. На монитор компьютера 6 выдаются данные измерений и вычислений изменения погоды в виде таблиц чисел (четыре колонки: влажность, давление, температура и значения различных n), а также графиков зависимости изменения погоды от времени. Микрокомпьютер 4 имеет собственную память, автономное питание от сети, режим его работы - круглосуточный при выключенном компьютере. В устройстве используется бытовой компьютер, ресурс задействования которого составляет примерно 15 мин в сутки. Для расширения сферы применения заявляемого устройства данные измерений вводят в микрокомпьютер 4 вручную с клавиатуры компьютера 4. Также данные измерений передаются по каналам связи и засылаются в регистр микрокомпьютера 4 автоматически из памяти компьютера. Микрокомпьютер 4 снабжен 12 байтовыми регистрами для составления краткосрочных прогнозов и 8 байтовыми регистрами для составления среднесрочных и долгосрочных прогнозов погоды.

Использование предлагаемого способа позволяет расширить прогностические функции от краткосрочных через среднесрочные до долгосрочных прогнозов. Кроме того, предлагаемая технология позволяет осуществлять такие прогнозы как в гидрометеоцентрах, так и в пунктах метеорологической сети, например на метеостанциях и вне их.

Предлагаемая технология позволяет автоматизировать не только процесс получения информации, но и процесс прогнозирования погоды.

Изобретение относится к области метеорологии. Технический результат заключается в расширении спектра заблаговременности прогноза. Способ состоит в том, что измеряют информативные метеорологические величины в заданном временном интервале, обрабатывают их и по результатам обработки получают зависимости изменения погоды во времени, выделяют по ним погодные кластеры, по характеру зависимости внутри кластера и по смене типа зависимости внутри кластера и типу пограничных с ним кластеров составляют прогноз погоды, причем измерения метеорологических величин осуществляют с минимальным базовым временным интервалом, а изменения погоды вычисляют как по базовому временному интервалу, так и по выбранным на его основе другим временным интервалам, не превышающим предельный максимальный интервал, путем попеременной засылки значений предыдущих и последующих измерений в пару регистров микрокомпьютера. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ прогнозирования погоды, заключающийся в измерении информативных метеорологических величин, при этом значения предыдущих и последующих измерений метеорологических величин делят нацело в цикле от 1 до n и вычитают до получения значения "0", n - показатель изменения погоды, по вычисленным значениям получают зависимости изменения погоды во времени, выделяют по ним погодные кластеры, по изменению знака зависимости судят о границах кластеров, по характеру зависимости внутри кластера и по смене типа зависимости и типу пограничных с ним кластеров составляют прогноз погоды, отличающийся тем, что измерения метеорологических величин осуществляют с минимальным базовым временным интервалом, а изменения погоды вычисляют как по базовому временному интервалу, так и по выбранным на его основе другим временным интервалам, не превышающим предельный максимальный интервал, путем попеременной засылки значений предыдущих и последующих измерений в пару регистров микрокомпьютера.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение погоды от суток к суткам вычисляют в паре регистров на основе вычисленных восьми значений показателя изменения погоды - n предыдущих и последующих суток.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что изменение погоды от суток к суткам вычисляют в паре регистров на основе вычисленных восьми значений показателя изменения погоды - n предыдущих текущим суткам и таких же данных базы данных, находят аналог, сдвигают на одни сутки вперед и эти данные берут за первый прогноз на завтра, фиксируют их, в базе данных находят и фиксируют аналог для второго прогноза на завтра, вновь сдвигаются на одни сутки вперед и эти данные берут за первый прогноз на вторые сутки, снова ищут для него аналог - второй прогноз на вторые сутки, операцию поиска аналога и получения суточного прогноза повторяют многократно до выполнения продолжительности заблаговременности долгосрочного прогноза.