Способ определения балла кучевой облачности Российский патент 2023 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к актинометрии, может быть использовано в метеорологии и позволяет определять средний и высокий балл кучевой облачности по данным измерений суммарной радиации.

Кучево-дождевая облачность является источником таких опасных метеорологических явлений, как ливни, грозы, шквалы и град. Стадия начального развития кучево-дождевого облака Сb включает в себя появление кучевой облачности, развитие ее в вертикальном и в горизонтальном направлениях с последующим переходом сначала в стадию кучевых средних облаков Сu med., затем в стадию кучевых мощных облаков Сu cong. и в заключение в стадию кучево-дождевых облаков. При этом переход кучевых облаков в стадию средних и мощных кучевых облаков сопровождается увеличением балла облачности, что позволяет отслеживать процесс формирования кучево-дождевых облаков путем непрерывного мониторинга балла кучевой облачности.

Известен способ определения балла кучевой облачности, когда наблюдатель в определенное время визуально оценивает количество кучевых облаков по всему небосводу [1].

Также известен способ определения балла кучевой облачности по формуле Вайсала [2], для чего визуально определяют балл кучевой облачности в зенитной области, зенитный угол и относительную толщину кучевых облаков вне зенитной области.

Недостатком таких способов является субъективность оценки балла облачности и значительный временной интервал между наблюдениями.

Известен способ определения балла кучевой облачности путем анализа коэффициента отношения измеренной рассеянной солнечной радиации к величине рассеянной солнечной радиации при ясном небе [3].

Недостатком такого способа является необходимость при измерении наводить теневой экран пиранометра на Солнце вручную или с помощью специальной следящей системы и необходимость строить модель ясного неба.

Наиболее близким к предлагаемому является принятый за прототип способ определения балла кучевой облачности по величине, измеряемой рассеянной солнечной радиации [4]. Суть способа заключается в том, что с помощью затененного пиранометра измеряют рассеянную солнечную радиацию, величину которой по ранее полученной зависимости сопоставляют с баллом кучевой облачности. Признаками прототипа, которые совпадают с признаками заявляемого способа, является то, что для определения балла кучевой облачности с помощью пиранометра измеряют солнечную радиацию.

Недостатком такого способа является необходимость при измерении наводить теневой экран пиранометра на Солнце вручную или с помощью специальной следящей системы.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является исключение процесса слежения за Солнцем и упрощение процесса определения среднего (4-7) и высокого (8-10) балла кучевой облачности.

Технический результат заключается в повышении достоверности определения среднего и высокого балла кучевой облачности и расширении функциональных возможностей актинометрических наблюдений.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе для определения балла кучевой облачности с помощью пиранометра измеряют солнечную радиацию, анализируют значения измеренной суммарной солнечной радиации и определяют балл кучевой облачности.

В отличие от известного, в предлагаемом способе незатененным пиранометром измеряют суммарную солнечную радиацию и, используя скользящее окно, анализируют ряд измеренных значений суммарной радиации, а балл облачности определяют как отношение суммарного времени t_D внутри анализируемого окна, когда солнечный диск был закрыт кучевыми облаками, к общему времени t_W анализируемого окна Такой подход возможен, т.к. характерными особенностями кучевых облаков являются их высокая оптическая плотность, четкие контуры и наличие промежутков ясного неба между отдельными облаками. Это приводит к тому, что при движении облаков солнечный диск почти все время находится в одном из двух устойчивых состояний - он или полностью открыт, или полностью закрыт кучевым облаком, а переход между такими устойчивыми состояниями занимает незначительное время (обычно не более 2-3 мин). В результате этого формируется очень неоднородный ряд значений суммарной радиации, где максимальные значения соответствуют состоянию полностью открытого солнечного диска, а минимальные - состоянию полностью закрытого кучевым облаком солнечного диска.

Последовательность определения балла кучевой облачности может быть следующей. С помощью незатененного пиранометра получают непрерывный ряд значений суммарной радиации Q. Затем, например, по способу [5], с помощью 21-минутного скользящего окна (±10 мин от точки анализа), определяют моменты, когда на небосводе присутствует кучевая облачность. Затем внутри того же окна анализа находят максимальное Q_max и минимальное Q_min значения суммарной радиации, а границу между состояниями полностью закрытого и полностью открытого Солнца Q_thr определяют, например, как . Затем определяют балл кучевой облачности как , где t_D определяется как суммарное время в минутах, когда Q<Q_thr.

Для проверки работоспособности способа по приведенному примеру был определен балл кучевой облачности за 2 августа 2018 г. в период с 11:25 по 13:19 (GMT+6) по данным измерений незатененного пиранометра СМ-11 метеообсерватории ИМКЭС СО РАН. Полученные результаты сравнивались с баллом облачности, определенным визуально по изображениям всего неба, полученным с помощью All-sky камеры, установленной в непосредственной близости от пиранометра. Всего было сравнено 115 пар точек, среднеквадратическое отклонение в определении балла кучевой облачности составило 0,12 балла при его изменении от 4 до 9.

Повышение достоверности определения среднего и высокого балла кучевой облачности по сравнению с прототипом заключается в том, что балл облачности определяется не по ранее полученной зависимости между величиной рассеянной радиации и баллом кучевой облачности, которая является средней многолетней величиной, а по реальному состоянию Солнца, суммарное время нахождения которого в полностью закрытом состоянии напрямую связано с баллом кучевой облачности. Расширение функциональных возможностей заключается в том, что незатененным пиранометром можно не только измерять суммарную солнечную радиацию, но и определять балл кучевой облачности.

Сравнение заявляемого способа с прототипом позволило установить соответствие условию "новизна". При сравнении заявляемого способа с другими известными техническими решениями не выявлены сходные признаки, что позволяет сделать вывод о соответствии условию "изобретательский уровень".

Использованные источники

1. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 3. Часть 1. Метеорологические наблюдения на станциях. Л.: Гидрометеоиздат.1985. С. 144-152.

2. Vaisala V. Soc. Scient. Fennica Commen. Phys.-Mathem., IV, 1929.

3. Sergey V. Zuev. Using diffuse solar radiation for estimate of Cu cloud amount, Proc. SPIE 10035, 100354B.DOI:10.1117/12.2249287.

4. Грищенко З.И. Зависимость радиационного режима от облачности. Труды ГГО, вып.223, Л., 1968. С. 53-64.

5. Патент РФ 2758343. Способ детектирования кучевой облачности. Опубликовано: 28.10.2021, Бюл. №31.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения балла кучевой облачности. Сущность: с помощью незатененного пиранометра измеряют суммарную солнечную радиацию. С использованием скользящего окна анализируют ряд измеренных значений суммарной солнечной радиации. Определяют внутри скользящего окна суммарное время, в течение которого солнечный диск был закрыт кучевыми облаками. Рассчитывают балл облачности как отношение определенного времени закрытия солнечного диска кучевыми облаками к общему времени анализируемого окна. Технический результат: повышение достоверности определения балла кучевой облачности.

Способ определения балла кучевой облачности, по которому с помощью пиранометра измеряют солнечную радиацию, отличающийся тем, что суммарную солнечную радиацию измеряют с помощью незатененного пиранометра и, используя скользящее окно, анализируют ряд измеренных значений суммарной радиации, определяют внутри окна суммарное время t_D, когда солнечный диск был закрыт кучевыми облаками, а балл облачности определяют как отношение времени t_D к общему времени t_W анализируемого окна