Способы проведения метеонаблюдений

Введение.

Введение

Цель работы – изучить суточный ход метеовеличин по данным метеорологической станции 19.08.2007

К метеорологическим величинам относятся температура и влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра и др. К ним присоединяются величины, непосредственно не отражающие свойств атмосферы или атмосферных процессов, но тесно связанные с ними. Таковы температура почвы или поверхностного слоя воды, испарение, высота и состояние снежного покрова и т.п.

На метеорологических станциях основного типа регистрируются следующие метеорологические величины, которые будут рассмотрены в данной работе:

• Температура на поверхности почвы и на нескольких глубинах в почве.
• Температура воздуха на высоте 2 метра над земной поверхностью.
• Атмосферное давление.
• Влажность воздуха – абсолютная (давление водяного пара) и относительная влажность.
• Ветер – горизонтальное движение воздуха на высоте 10-12 метров над земной поверхностью. Измеряется его скорость и определяется направление, откуда он дует.

Для измерения этих метеорологических величин используют метеорологические приборы, которые устанавливаются на площадке станции под открытым небом. Только приборы для измерения атмосферного давления (барометры) устанавливаются в закрытом помещении станции, так как разница между давлением воздуха под открытым небом и внутри помещения ничтожна мала (практически отсутствует).

Приборы для определения температуры и влажности воздуха защищают от действия солнечной радиации, от осадков и порывов ветра, и для этого их помещают в будках особой конструкции. Отсчеты по приборам делаются наблюдателем в установленные сроки наблюдений. На станциях устанавливаются также самопишущие приборы, дающие непрерывную автоматическую регистрацию важнейших метеорологических величин (особенно температуры и влажности воздуха, атмосферного давления и ветра). Самопищущие приборы нередко конструируют так, что их приемные части, помещенные на площадке или на крыше здания, имеют электрическую передачу к пишущим частям, установленным внутри здания.

Наблюдения за ветром, температурой и влажностью производятся на разных уровнях над почвой, начиная от нескольких сантиметров.

Для приземных метеорологических наблюдений применяются переносные походные приборы, в особенности психрометр Ассмана и ручной анемометр, а также электрические термометры и переносные актинометрические приборы. Практикуют микроклиматические съемки с одновременными наблюдениями в ряде точек местности.

1.Способы проведения метеонаблюдений

В современное время используются различные способы проведения метеорологического наблюдения.

Первые метеорологические наблюдения относятся к середине XVII века, когда были изобретены барометр и термометр. По - другому этот способ  можно называть инструментальное наблюдение. Продолжением этого способа считается метеорологические станции. Метеорологические станции ведут наблюдения за всеми метеорологическими элементами по единым программам, при помощи однотипных приборов, в одни и те же точно установленные сроки. Результаты наблюдений передаются по телеграфу, телефону или радио в органы службы погоды. Там по ним составляются синоптические карты и другие материалы. 
Синоптические карты — карты, на которые цифрами и символами нанесены результаты метеорологических наблюдений на сети станций в определенный момент. Такие карты составляются центральными учреждениями службы погоды ежедневно. Они являются основным материалом для анализа и прогноза погоды, изучения атмосферных процессов. 
Прогноз погоды —составление научно обоснованных предположений о будущем состоянии погоды. Тщательное изучение атмосферных процессов за предшествующее время дает возможность определить направление в изменении состояния атмосферы. Различают краткосрочные (на десятки часов вперед) и долгосрочные (на декаду, месяц, сезон) прогнозы погоды. 
При краткосрочном прогнозе погоды сопоставляются и анализируются синоптические карты ряда ближайших дней. Устанавливают, как и в каких направлениях изменялись метеорологические элементы и как менялась погода в различных местах. Определяют тип воздушной массы для данного района, направление ее движения, возможность и степень трансформации под влиянием местных условий, скорость и направление перемещения фронтов, наличие циклонов и антициклонов, пути и скорости их движения. Затем делают заключение о возможном развитии атмосферных процессов, предсказывают вероятные изменения погоды и определяют величины, характеризующие состояние атмосферы на следующий день. Через метеорологические станции  временная составляющая по синоптическим картам минимизировалось то есть позволяет дать краткосрочный прогноз погоды, 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.

При составлении как краткосрочных, среднесрочных (15 суток) и долгосрочных (месяц) прогнозов, в метеорологических наблюдениях используется способ связанные с использованием с искусственных метеоспутников и специальных шаров-зондов, которые помогают фиксировать перемещение воздушных масс и их скорость.

Через метеорологические искусственные спутники Земли производится фотографирование облачного покрова больших участков земной поверхности из космоса. Облака — хороший индикатор процессов, происходящих в воздушных массах и на фронтах. Поэтому, изучая облачность и ее изменение на космических снимках, можно судить об изменении погоды в ближайшее время. 
Важное практическое значение имеют долгосрочные прогнозы погоды. Однако это дело весьма сложное и окончательно не изученное.Сейчас информацию о погоде собирают наземные метеорологические станции, а также радиолокаторы и космические летательные аппараты - спутники. В каждой стране действует сеть станций, имеющих однотипное оборудование, работают по единой программе и в согласованные сроки. Сети наблюдений отдельных стран являются составными глобальной (планетарной) системы Всемирной службы погоды (ВСП). Наблюдения за погодой ведутся постоянно, но вся информация собирается каждые три часа: в 0 часов, в 3-й, 6-й, 9-й, 12-й, 15-й, 18-й и 21-м часу. Осадки, облака и дождь, направление и силу ветра, грозы и другие атмосферные явления обозначают в дневниках погоды общепринятыми условными знаками. 
Прогнозы погоды составляют на незначительный срок - от 1 до 4 дней, средний - 4-10 дней и на большой период времени - месяц, сезон. К сожалению, долгосрочные прогнозы погоды часто неточны, поэтому ученые ищут новые методы таких прогнозов.

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).

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.