CC BY
303
УДК 551.51
МОДЕЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПРИЕМА, ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ
МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
А.Д. Данилов, А.В. Пилеич
В данной статье предложен вариант модели автоматизированной системы приема, обработки и передачи метеорологической информации, ее схема и принцип работы. Приведены примеры работы отдельных модулей и программ системы. Данная модель имеет ряд преимуществ для производства локальных расчетов метеорологических величин
Ключевые слова: автоматизированное проектирование, ЭВМ, метеорологические коды, расчетные методы
В связи с постоянным развитием компьютерных технологий в наше время стало доступным производство очень сложных математических расчетов, необходимых для разработки прогноза погоды на долгосрочные периоды времени. Однако большинство разработок велось и ведется только в отношении, так называемых, «суперкомпьютеров», занимающихся моделями глобальных масштабов. Такие ЭВМ уже существуют в России, США, Англии, Японии и ряде других высокоразвитых стран. При этом разработкам моделей для локального анализа данных и производства расчетов микроклимата с помощью ПК на короткие периоды, в нашей стране уделяется гораздо меньше внимания. И эта проблема до сих пор остается не решенной, как в нашем государстве, так и в странах зарубежья. Отчасти это зависит от недостаточно развитой учебно-материальной базы и финансирования. Однако в последнее время наблюдается постепенный рост внимания властей к работе метеорологических подразделений различных ведомств и служб. Поступает новое оборудование, в том числе современные мощные ПК, совершенствуются каналы связи, увеличивается количество автоматизированных метеостанций. Наличие мощных вычислительных машин
позволяет внедрить программное обеспечение, для вычисления локального климата, например районного масштаба. Далее будет представлена примерная модель такой системы приема,
обработки и передачи метеорологической информации.
Алгоритмы и модели систем расчетов
метеорологических полей и величин, которые были рассмотрены ранее, компонуются в единую программу. Для каждого района вводятся свои поправочные множители и коэффициенты.
Принцип работы данной модели будет заключаться в следующем:
1. прием первичной метеорологической информации и ее обработка;
Данилов Александр Дмитриевич - ВГЛТА, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 253-70-50 Пилеич Артем Васильевич - КВВАУЛ (ВИ), соискатель, тел. (473) 253-70-50
2. производство расчетов и введение
поправок;
3. обработка полученных результатов
(составление прогностических и фактических карт погоды, графиков, таблиц, метеосводок и т.д.);
4. передача полученной информации по каналам связи и доведение ее пользователей.
В качестве каналов связи необходимо использовать все имеющиеся виды связи
(рисунок 1). Помимо узконаправленных каналов, таких как «ВПИ» и метеорологический
телекоммуникационный комплекс «ТрансМет», необходимо использовать связь через интернет, так как, например большинство данных о фактической погоде по гражданским аэропортам можно найти на специализированных сайтах в виде кодов МЕТАЯ или КН-01 (8УКОР). Использование сети интернет снимает ограничения в поисках информации и если один из каналов может быть заблокирован или же отключен по различным техническим причинам, то в интернете информация всегда доступна. Кроме того данный вид связи позволяет принимать информацию с метеосерверов других стран. При этом необходимо отметить, что каналы связи должны быть как с прямой, так и с обратной связью, для обмена уже имеющейся информацией как о фактической погоде, так и о произведенных расчетах, между всеми метеорологическими подразделениями. Вся информация, включая графики и функции должна переводиться в цифровые коды для уменьшения объема трафика информации.
Рис. 1. Схема связи автоматизированной системы приема, обработки и передачи метеорологической информации
Рассмотрим более подробно схему рабочей станции автоматизированной системы приема, обработки и передачи метеорологической
информации. Как показывает практика, для надежности в рабочую станцию должно входить: 2 современных мощных ПК с комплектами устройств для ввода информации (мышь, клавиатура, БУБ-ЯОМ), устройств вывода (принтер, мониторы), источниками бесперебойного питания и блоками для подключения каналов связи (рисунок 2). Необходимость двух ПК объясняется тем, что один будет использоваться только для приема и передачи данных, а другой для их обработки.
Таким образом, снизится нагрузка на центральный процессор и увеличится производительность. Принтер, для возможности
печати, как принятой информации, так и обработанной, должен иметь возможность подключения к обоим системным блокам. При необходимости и удобства предоставления информации для потребителей можно подключать дополнительные устройства вывода, например видеопроектор или выносное электронное табло. Для обеспечения повышения степени защиты от вредоносных программ и компьютерных вирусов, а так же повышения производительности рабочей станции можно использовать операционную систему Ьших.
Системный блок
приема и передачи
информации Pentium
IV 2,8 ГГц или аналог,
2 Гб ОЗУ
ИБП
Монитор
Клавиатура
Мышь
DVD-ROM
Системный блок
обработки
информации Pentium
IV 2,8 ГГц или аналог,
2 Гб ОЗУ
ИБП
Монитор
Клавиатура
Мышь
DVD-ROM
I
Блок подключения
каналов связи Принтер Видеопроектор
Рис. 2. Схема рабочей станции автоматизированной системы необходимого
Далее рассмотрим примеры программного обеспечения.
Наиболее распространенной программой
автоматизированного построения
профессиональных карт погоды (приземного
анализа, кольцевые) для любых регионов России, СНГ и Европы, с любым масштабом и регионом охвата является программа «Digital Atmosphere». На рисунке 3 представлен пример возможностей программы.
Рис. 3. Часть карты приземного анализа для ЕТР и Урала
Адреса серверов метеоданных по регионам
Имя сервера Адрес сервера Регион
Метеоцентр-0 Метеоцентр-1 Метеоцентр-2 Метеоцентр-3 Метеоцентр-4 Метеоцентр-5 Метеоцентр-6 Метеоцентр-7 Метеоцентр-8 Метеоцентр-9 http://meteocenter.net/weather/data/0.htm http://meteocenter.net/weather/data/Lhtm http://meteocenter.net/weather/data/2.htm http://meteocenter.net/weather/data/3.htm http://meteocenter.net/weather/data/4.htm http://meteocenter.net/weather/data/5.htm http://meteocenter.net/weather/data/6.htm http://meteocenter.net/weather/data/7.htm http://meteocenter.net/weather/data/8.htm http://meteocenter.net/weather/data/9.htm Зап. Европа Вост. Европа СНГ (ср. и сев. широты) СНГ (южные широты) Зарубежная Азия Китай Африка Сев. Америка Юж. Америка и Антарктика Австралия и Тихий океан
Исходной информацией для построения подобных карт являются метеорологические данные за последний срок. Для примера возьмем информацию с одного из крупнейших метеорологических серверов нашей страны МетеоЦентр. На данном сетевом ресурсе доступны данные о метеорологических величинах (автоматически обновляющиеся) по всему земному шару, сгруппированные по зонам (десять файлов, таблица). Приняв эти данные, можно строить любые кольцевые и приземные карты погоды, выбирая регион (просто введя индекс точки, для Москвы это 27612 или UUWW, например) и масштаб, а также размер картинки.
Существуют и другие подобные сайты, в том числе и западного происхождения, но объёмы файлов там большие (порядка 2 мегабайт за каждый 3-часовой срок). Данные на сервере обновляются через 2 часа после срока наблюдений (каждые три часа, то есть 8 раз в сутки). Например, данные за 12 ч гринв. доступны в 14 ч гринв., т.е. с 17:00 мск (зимнего) времени. Примерно с такой же
задержкой поступают факсимильные карты на сеть АмСг и ЦГМС Росгидромета.
Для доступа к аэрологическим данным можно воспользоваться ссылкой
http://meteocenter.net/raob.htm. По ссылке http://meteocenter.net/digatmos.zip можно получить обновлённые и дополненные списки городов и метеостанций РФ, СНГ и мира. Кроме того, используя ссылку
http://meteocenter.net/weather/data/ship.htm будут доступны данные наблюдений на судовых метеостанциях в океанах и морях земного шара.
Данные аэрологических наблюдений поступают в виде информации, закодированной по коду КН-04. Например, для станции Воронеж за 04 МСК 10 мая 2011 года эта информация будет иметь вид:
ТТАА 10001 34122 99005 09831 36005 00143 09829 00506 92784 06236 04513 85468 01213 06518 70005 05512 06015 50557 20129 09510 40718 33133 11509 30913 48741 13007 25030 55740 10506 20174 52348 09004 15360 51550 05001 10621 54556 03003 88267 55139 11506 77999=
Рис. 4. Аэрологическая диаграмма, построенная с использованием программы «АОІАв»
Порядок обработки данной телеграммы и разъяснения по коду были изложены ранее [1]. На практике это реализовано, например, в программе построения аэрологической диаграммы по данным радиозондирования кода КН-04 под названием «АБ1АО». После обработки данной программой изложенной телеграммы мы получим уже построенную аэрологическую диаграмму и обработанные данные, где:
1) Н, м - высота в метрах;
2) Т, град и Б, град - температура и дефицит (разность между значениями температуры и точки росы) в градусах Цельсия;
dd, град и ff, м/с - направление и скорость ветра. Теперь, имея полный набор метеорологических данных за последний срок можно производить расчеты интересующих нас прогнозируемых метеорологических параметров. Для начала необходимо обработать поступившую информацию и построить поля метеорологических величин, так как она поступает в виде отдельных
Например, для пункта Воронеж фактическая метеосводка за 10 часов СГВ будет звучать: 5 баллов облачности верхнего яруса. Видимость 10 км. Ветер 160° 5 м/с. Температура 16.2 С°, влажность 31%. Для пункта Кубинка: 10 баллов слоисто-дождевой облачности, нижняя граница облаков 500 м. Дождь, видимость 6 км. Ветер 340° 2 м/с. Температура 9 С°, влажность 84%. В графе «Прогноз» записывается прогноз погоды на определенный период времени, а в графе «Шторм-предупреждение» прогноз опасных явлений погоды, ожидаемых по району базирования метеорологической станции.
В качестве примера расчетных методов можно привести расчет коэффициента Вайтинга [2], используемого для прогноза гроз на ЕТР по формуле:
Кв = Т850-О85д-О700-Т500 (1)
где Т850, Б850 - температура и дефицит на высоте 850 гПа;
файлов. В качестве примера построения полей метеорологических величин, на рисунке 5 показана карта абсолютной барической топографии на уровне 85Q гПа ^T^Q), построенная по данным радиозондирования с помощью программы «Digital Atmosphere». Эта процедура, как уже говорилось, была подробно описана ранее на примере математической модели автоматической обработки метеорологического кода КН^4. Для удобства и экономии времени можно производить обработку лишь данных для тех пунктов, которые нас интересуют, ведь главной целью для нас остается автоматизированная система для расчета локального метеорологического прогноза. Кроме того, можно предоставлять в удобном наглядном виде фактическую погоду по интересующим нас пунктам, принимаемую в коде КН-Qi. Подобная идея реализована, и используется в
метеподразделениях МО и МВД РФ в программе «Метеотабло» (рисунок 6).
Б700 - дефицит на высоте 700 гПа;
Т500- температура на высоте 500 гПа.
При Кв более 30 прогнозируются грозы по территории (повсеместно), при 25<Кв<30 -
местами грозы. При значении Кв меньше 20, грозы прогнозировать не следует. Оправдываемость прогноза наличия гроз составляет около 53%, отсутствия - 96%.
Используя данные телеграммы
радиозондирования получаем:
Кв =1,2 - 1,3 - 1,2 + 20,1 = 19,8.
Подобным образом производятся расчеты дискриминантных функций для других расчетных методов, по результатам которых составляется текст метеорологического прогноза.
Так как главной задачей инженера-метеоролога является разработка прогноза погоды для производства полетов или перелетов, который записывается в метеобюллетень и вручается определенным должностным лицам, то задача
автоматизации данного процесса будет решаться по двум сценариям необходимых действий: для
полетов в районе базирования для перелетов из одного пункта в другой [3].
Для первого варианта поэтапно вычисляются все необходимые параметры метеорологических
элементов. Далее по этим значениям составляется метеосводка с использованием правил и градаций, описанных в наставлении авиационным метеорологическим станциям (НАМС-86). После этого ПК автоматически заполняет графы метеобюллетеня и выводит его на печать.
Метеотабло (Версия 1.4) ЕВЕ
I Список Добавить Удалить Настройка Долгосрочные прогнозы
Название CpoK(GMT) N Форма обл. внго Явления Видимость dd(rpafl) | fff(M/c) I t(T) RRKI Прогноз ІШП
КУБИНКА 07.00 10 NS 500 дождь В 340 О С |84 Нет [Нет
МИЛЛЕР0В0 07.00 4 □ 10 100 Г7 15 48 Нет Нет
М0Р030ВСК 07.00 10 150 \7 г? 40 Нет Нет
ЧКАЛОВОКИЙ |08.00 И |N S |б00 |дождь 10 О И И Нет |Нет
БАЛАШОВ 07.00 г Cl 10 220 8 18 44 Есть Нет
Б0РИС0ГЛЕБСК 07.00 4 сі То ПВО г Т2 50 Есть Нет
КОТЕЛЬНИКОВО 07.00 То П50 Г г? 43 Есть Нет
КУЩЕВСКАЯ 07.00 Г Cl 10 П20 5 1Є 43 Есть Нет
МИЧУРИНСК 07.00 Г О То 230 2 Т2 G0 Есть Нет
РТИЩЕВО 07.00 э О То [230 8 18 34 Есть Нет
ЛИПЕЦК 08.00 8 О То [210 8 1G.5 35 Нет Нет
РЯЗАНЬ 07.00 9/0 3as То [200 Є Тб 43 Нет Нет
ТАМБОВ 07.00 8/0 Cl 10 190 Г 16 44 Нет Нет ІІІ
ВОРОНЕЖ 07.00 5 с, 10 1Є0 5 16.2 31 ЕСТь
| Время последнего обновления данных - Tue May 10 10:37:44 2011 по Гринвичу | - Ниже минимума ■ СМУ -ПМУ і _i т
Рис. 6. Представления метеорологической информации в программе «Метеотабло»
Для обеспечения перелетов, в том числе зональных (на расстояния в несколько тысяч км), необходимо проводить вычисления
метеорологических параметров не только в пунктах взлета и посадки, но и в точках, соответствующих пунктам, находящимся между ними, если эти промежуточные станции имеют исходные данные. Далее выполняются действия как для первого варианта.
Необходимо отметить, что перед выводом на печать, инженер-метеоролог отвечающий за составление и вручение метеобюллетеня обязан проверить правильность его заполнения и при необходимости внести изменения.
Таким образом, мы рассмотрели пример модели автоматизированной системы приема, обработки и передачи метеорологической информации, ее возможностей. Главной
особенностью подобной модели является ее комплексность, постоянное наличие каналов связи и возможность производства расчетов для локальных территорий, что позволяет использовать ее оперативно и с максимальной эффективностью.
Литература
1. Данилов А.Д., Пилеич А.В.
Математическая модель автоматической обработки метеорологических кодов на примере кода передачи данных температурно-ветрового зондирования КН-04. Т. 6. - Вып. 10. Воронеж: Вестник ВГТУ, 2010. - С. 53-57.
2. Руководство по краткосрочным прогнозам погоды ч I. - Л., Гидрометеоиздат, 1986. - 702 с.
3. НАМС-86, М., Воениздат, 1987. - 184 с.
Воронежская государственная лесотехническая академия
Краснодарское высшее военное авиационное училище летчиков (военный институт)
MODEL OF AN AUTOMATED SYSTEM FOR RECEIVING, PROCESSING AND TRANSMISSION WEATHER INFORMATION
A.D. Danilov, A.V. Pileich
In this paper a variant of the automated system for receiving, processing and transmission of meteorological information, its layout and operation principle. Examples are given of the individual modules and programs. This model has several advantages for the local calculation of meteorological variables
Key words: automated design, computer, weather codes, payment methods
