способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления
Классы МПК: | G01W1/02 приборы для индикации состояния погоды путем измерения двух и более переменных величин, например влажности, давления, температуры, облачности, скорости ветра G01W1/10 устройства для предсказания состояния погоды |
Автор(ы): | Политюков В.П., Политюкова Н.А. |
Патентообладатель(и): | Политюков Валерий Павлович, Политюкова Наталья Алексеевна |
Приоритеты: |
подача заявки:
1998-10-05 публикация патента:
20.05.2001 |
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.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
Формула изобретения
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![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167441/2167441-8t.gif)
где ti - моменты времени измерения атмосферного давления;
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167007/945.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167027/946.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167080/947.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167441/2167441-9t.gif)
где коэффициенты
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167007/945.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167027/946.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167080/947.gif)
Описание изобретения к патенту
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
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167441/2167441-2t.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167441/2167441-3t.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167441/2167441-4t.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167441/2167441-5t.gif)
Полученные параметры
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167007/945.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167027/946.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167080/947.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167441/2167441-6t.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167007/945.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167027/946.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167080/947.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167007/945.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167027/946.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167080/947.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167007/945.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167027/946.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167080/947.gif)
Pпред(t) =
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167007/945.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167027/946.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167080/947.gif)
не быстро меняется в зависимости от t0. На фиг. 1 изображена схема экстраполирования хода атмосферного давления параболами. По полученным прогнозирующим параболам Pпред(t) оценивается максимальное время глубины прогноза
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167005/916.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167005/916.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167441/2167441-7t.gif)
Так как достижение Pmin, Pmax маловероятно, то в качестве Pmin, Pmax нужно брать усредненные Pmin, Pmax (которые автоматически уточняются в адаптационном механизме). Рассмотрим предварительную таблицу из возможных ситуаций с коэффициентами
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167007/945.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167027/946.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167080/947.gif)
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 Pпред(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
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167080/947.gif)
![способ краткосрочного прогнозирования облачности и вида небосвода над местностью наблюдения и устройство для его осуществления, патент № 2167441](/images/patents/304/2167007/8805.gif)
Класс G01W1/02 приборы для индикации состояния погоды путем измерения двух и более переменных величин, например влажности, давления, температуры, облачности, скорости ветра
Класс G01W1/10 устройства для предсказания состояния погоды