Математическая модель автоматизированной обработки метеорологических кодов передачи данных температурно-ветрового зондирования

УДК 551.509

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ КОДОВ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЕТРОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ А.Д. Данилов, А.В. Пилеич

В данной статье приведено краткое описание основных частей метеорологического кода КН-04 и математическая модель его обработки для дальнейшего использования в автоматизации составления метеопрогнозов или создания подобных моделей для других метеорологических кодов

Ключевые слова: метеорологический код, автоматизированное проектирование, алгоритм

Для удобства приема, передачи и обмена метеорологической информации существуют общепринятые метеорологические коды.

Метеорологический код - система условных обозначений, применяемая для обмена

метеорологической информацией (результатами наблюдений за состоянием атмосферы на различных уровнях, производимых на метеорологических и аэрологических станциях, включая данные метеорологических радиолокаторов и искусственных спутников Земли, анализ карт погоды и др.). Для каждого вида информации имеется специальная кодовая форма, состоящая из символических букв или буквенных групп (обычно пятизначных), которые преобразуются в цифры, обозначающие величину или состояние описываемых метеорологических элементов. Применение метеорологических кодов позволяет представить сведения о погоде в виде цифровых сводок, удобных для международного и внутригосударственного обмена по радио и проводным средствам связи, а также для обработки на ПК.[1] Существуют различные метеорологические коды:

международные, используемые для обмена метеорологической информацией между

метеорологическими подразделениями гражданской авиации (МЕТАЯ, 8РЕСІ, ТАБ), национальные коды, используемые во всех метеорологических подразделениях на территории РФ (КН-01, КН-04), регулярные и не регулярные и т. д. При производстве многих численных расчетов удобно использовать данные о температурно-ветровом зондировании атмосферы в том или ином районе. Эти данные передаются в виде аэрологических телеграмм, закодированных кодом КН-04.

Аэрологическая телеграмма КН-04 (код для передачи данных температурно-ветрового

зондирования атмосферы) в настоящее время используется на территории стран СНГ в качестве аэрологических сообщений. Она имеет кодовую форму, подразделяющуюся на четыре части А, В, С, Б и десять разделов[2].

Данилов Александр Дмитриевич - ВГЛТА, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 53-70-50

Пилеич Артем Васильевич - КВВАУЛ (ВИ), инженер метеогруппы, тел. 8 (904) 211-98-25

В частях А и С сообщаются данные на стандартных изобарических поверхностях, в частях В и Б - данные на уровнях особых точек в профилях температуры, влажности и ветра. При этом части А и В должны содержать данные до уровня 100 гПа включительно, а части С и Б — выше этого уровня. Указанные части содержат строго определенные разделы, в каждый из которых помещены конкретные данные, характеризующие сведения о месте и времени наблюдения, тропопаузе, максимальном ветре и его вертикальных сдвигах, радиационной поправке, системе слежения, облачности, уровнях особых точек в различных профилях.

Телеграмма в коде КН-04 в основных частях А и В составляется по схеме [2]:

ТТАА УУвв^ Пш 99?^ ^^000 ^0£0£э£э 00^1^ Т^Т^Б^! 92Ь2И2И2

Т2Т2Т^Б2Б2 d2d2f2f2f2, 85ЬзЬзИз ТзТзТ^зБзБз dзdзfзfзfз

..... 88Р№(88999) ТТТдДБ ССЖ 77(66)РтРтРт

dmdmfmfmfm 4УьУъУаУа

ТТВВ УУвв/ ПШ 00Р0Р0Р0 Т0^0Б0Б0

11Р1Р1Р1 Т1Т1ТС1Б1Б1 22Р2Р2Р2 Т2Т2Тс12Б2Б2 ...

ппРпРпРп ТпТпТспБпБп 21212 00Р0Р0Р0 С0С0ад0

11Р1Р1Р1 ... ППРпРпРп С&Шп зшз

800мм 98пТ„Т„Т„ 41414 ^СьЬСмС Пример:

ТТАА 1з001 з4122 99020 21з24 25002 00217 17519 27508 92680 20519 з0008 85460 22759 29008

709зб 17764 з0012 50540 з1з6з з0020 40694 42759

з1524 з0881 57756 з2026 25994 67550 зз025 20126

7454з зз02з 15295 71745 зз020 105з5 74147 з2022

88199 7474з зз02з 77180 з20з2

ТТВВ 1з00/ 2606з 00020 21з24 11970 10950 22948 11з56 зз9з0 10158 44900 10959 21212 00020

25002 11012 27009 2297з 28004 зз7з8 з0010 41414

66222

Условные обозначения групп и цифр кода: ТТАА - буквенный указатель кодовой формы и ее части(аэрологическая телеграмма в коде КН-04, часть А);

УУвв1с - группа даты и времени зондирования, где: УУ - число месяца (1з числа), вв - срок наблюдения по среднему гринвичскому времени, т.е. время выпуска радиозонда округленное до целых часов, 1с - указатель последней

стандартной изобарической поверхности, для

которой в сводку включены данные о ветре (100 гПа);

ПШ - индекс наземной аэрологической станции, где: II - номер района по международной классификации, ш - номер станции в пределах района (в данном случае з4122 - Воронеж);

99Р0Р0Р0 Т0Т0Тс0Б()Б0 С0С0адо - данные у поверхности земли (на уровне станции) в момент выпуска радиозонда, где: Р0Р0Р0 - давление в целых гПа, Т0Т0 - температура в целых градусах Цельсия (не округленная), ТС0 - приближенное значение десятых долей градуса температуры воздуха и одновременно указатель знака температуры воздуха ( четное число - "+"; нечетное число - "-"); Б0Б0 -дефицит точки росы (кодируются согласно таблицы 1), С0С0 - направление ветра, округленное до ближайших 5 или 10°, ^<£0 - скорость ветра в м/с или узлах;

00^^^ Т^ТдБ^ 92И2И2И2

Т2Т2Тс2Б2Б2 d2d2f2f2f2, 85ЬзЬзИз ТзТзТсзБзБз dзdзfзfзfз

...... - раздел значений метеовеличин на

стандартных изобарических поверхностях 1000, 925, 850, ..., 100 гПа, где Ь2Ь2И2 и т.д. -

геопотенциал стандартных изобарических поверхностей. (Высоты стандартных изобарических поверхностей в СА кодируются согласно таблицы 2),

Т1Т1ТС1Б1Б1 Т2Т2ТС2Б2Б2 С2С2^2^2^2 и т д- -

соответственно температура, дефицит точки росы, направление и скорость ветра на стандартных изобарических поверхностях;

88Р4Р4Р4(88999) Т4Т4ТС4Б4Б4 dtdtftftft - раздел сведений о давлении, температуре, дефиците точки росы, направлении и скорости ветра на уровне тропопаузы;

77(66)PmPmPm dmdmfmfmfm - Раздел сведений о максимальном ветре (в части А - до уровня 100 гПа включительно), где: 77(66) - отличительные цифры раздела (66 - если уровень наибольшей

максимальной скорости ветра соответствует наивысшей точке зондирования (при установленных нескольких уровнях максимального ветра); 77 - во всех остальных случаях), РшРщРщ - давление на уровне максимального ветра в целых гПа, СшСш -направление округленное до ближайших 5 или 10°, £^1^ - скорость максимального ветра в м/с;

4УъУъУаУа - раздел сведений о вертикальных сдвигах ветра в слоях, расположенных между уровнем максимума ветра и уровнями на 1 км ниже и выше его, где: 4 - отличительная цифра группы, УъУъ - абсолютное значение векторной разности ветра на уровне максимума и на уровне на 1 км ниже уровня максимума (в м/с), УаУа - абсолютное значение векторной разности ветра на уровне максимума и на уровне на 1 км выше уровня максимума (в м/с).

ТТВВ - отличительные буквы, указывающие, что далее передается часть В кода. В качестве особых точек для температуры и влажности передаются уровни, позволяющие восстановить:

а) кривую распределения температуры с высотой с точностью до одного градуса в тропосфере и до двух градусов в стратосфере;

б) кривую распределения влажности с высотой с точностью до 15% в тропосфере и стратосфере.

Группы УУвв/ ПШ 00Р0Р0Р0 Т0Т0ТС0Б0Б0 кодируются аналогично части А;

Таблица 1

Таблица кодирования дефицита точки росы

Цифры кода Дефицит точки росы, °С

от 00 до 50: 00 01 14 15 50 Дефицит точки росы от 0.0 до 5.0 °С. Кодируется с десятыми долями °С 00 01 1.4 1.5 5.0

от 51 до 55 не используются

от 56 до 99: 56 74 99 Дефицит точки росы от 6 до 49 °С. Кодируется в целых °С(цифра кода -50) 6 24 49

// Данные о дефиците точки росы отсутствуют

Таблица 2

Стандартные изобарические поверхности

Отличительные цифры (РпРп) кода КН-04 Давление Р, гПа Средняя высота изобарической поверхности, м

00 1000 ± 200

92 925 400 - 800

85 850 1500

70 700 3000

50 500 5500

40 400 7000

30 300 9000

25 250 10500

20 200 12000

15 150 13500

10 100 16000

11Р1Р1Р1 Т1Т1ТС1Б1Б1 22Р2Р2Р2 Т2Т2Тс12Б2Б2 ...

ппРпРпРп ТпТпТСпБпБп - раздел данных о давлении, температуре воздуха и дефиците точки росы на уровне особых точек в, где: 00, 11, 22, ..., пп -порядковые номера особых точек;

21212 00Р0Р^0 ^0^0 ИР1Р1Р1 С1С1£х£1Г1 ... ппРпРпРп dndnfnfnfn - раздел данных на уровне особых точек в профиле направления и скорости ветра, где 00, 11, 22, ., пп - порядковые номера особых точек;

Группы 31313 Бгідал 98пТ„Т„Т„

используются для передачи раздел о радиационной поправке (яг), системе зондирования (гага), методе слежения (яаяа), фактическом времени выпуска радиозонда (8GGgg, где: 8 - отличительная цифра группы, GG - часы, gg - минуты) и температуре поверхности моря (98пТ„Т„Т„, где: 9 -

отличительная цифра группы, знак температуры: 0 -положительная температура и 0 °С, 1 -

отрицательная температура, Т„Т„Т„ - абсолютное значение температуры в градусах Цельсия с точностью до десятых долей) морскими и судовыми станциями.

41414 ^СьЬСмСн - раздел данных об

облачности в срок наблюдения, кодируется согласно таблицы з [2] (форма облаков в таблице приведена без детализации разновидностей), где 41414 -отличительная группа раздела, N - количество облаков нижнего (среднего) яруса, Сь - форма облаков нижнего яруса (вертикального развития), И -высота нижней границы самых низких

облаков(ВНГО), См, Сн - форма облаков среднего и верхнего ярусов.

Таблица з

Кодировка раздела 41414

Цифра кода Nl, баллы h, м Облака

Cl Cm Cn

G G <50 Облаков нет

1 1 5G-1GG Кучевые плоские Высоко- слоистые Перисты е

2 2-3 100- 200 Мощно -кучевые

3 4 200- 300 Кучево- дождевые

4 5 300- 600 Слоисто- кучевые

5 6 600- 1000 Перисто-слоистые

6 7-8 1000- 1500 Слоистые

7 9 1500- 2000 Разорвано- дождевые Высоко- кучевые

8 1G 2000- 2500 Слоисто- кучевые

9 Кучево- дождевые Перисто-кучевые

Анализ распределения метеорологических величин с высотой производится с помощью аэрологических диаграмм, построения на которых осуществляются ручным способом. Для ускорения работы и большей оперативности в составлении прогнозов предпринята попытка осуществить все операции на ПК. Цель данной работы сводится к построению численного алгоритма обработки аэрологической информации на ПК с использованием уравнений термодинамики атмосферы и использованию данного алгоритма в автоматизации численных прогнозов.

При решении задача была разделена на две части. В первой реализована задача обработки аэрологической телеграммы, во второй - анализ и графическое отображение результатов вертикального зондирования атмосферы и прогноз явлений погоды (прогноз гроз методами Вайтинга, Лебедевой, Пескова); расчет количества конвективной облачности; определение слоев возможного обледенения воздушного судна и слоев с положительными отклонениями температуры; прогноз болтанки. Рассмотрим более подробно каждую из этих частей.

Для решения задачи обработки аэрологической телеграммы необходимо или ввести новые данные, или повторно отработать со старыми. Исходной информацией являются сводки аэрологических телеграмм части "ТТАА" и "ТТВВ" кода КН-04, которые группами по 4-5 цифр вводятся в ПК (включая группы ТТАА, ТТВВ). Признаком конца ввода является группа "99999". Кроме этого вводится дата (число, месяц) зондирования атмосферы. Вся информация записывается на диск в файл, например «Datal». При необходимости ее можно редактировать любым текстовым редактором.

После ввода телеграммы осуществляется раскодирование данных с основных изобарических поверхностей, уровня тропопаузы, уровней с максимальным ветром и информации в особых точках по температуре и влажности. Если отсутствуют данные на одной из основных изобарических поверхностей, то они восстанавливаются путем интерполяции с близлежащих уровней.

Результатом работы первой части программы будет является записанная на диск информация с основных изобарических поверхностей (например, файл «Datai») и в особых точках (например, файл «OsT»), которая используется в следующей программе. Информация об уровнях с максимальным ветром и объеме исходных данных записывается в отдельный файл, например «MVet».

Программа анализа и отображения результатов вертикального зондирования атмосферы и прогноза явлений погоды выполняется после завершения обработки аэрологической телеграммы.

На первом этапе определяются высоты уровней с данными в особых точках по имеющейся информации на основных поверхностях. Следующим шагом является объединение в один массив всей информации и расположение ее в порядке убывания давления. Для удобства при численных расчетах производится интерполяция значений температуры и дефицита точки росы на уровни с давлением, кратным iG гПа.

Построение кривых распределения температуры воздуха и точки росы производится в прямоугольной системе координат.

Перед расчетом графика кривой состояния вычисляется толщина конвективно-неустойчивого слоя (КНС) по значению максимальной температуры воздуха у

земли, которая определяется из уравнения сухой адиабаты

/ \ 0,286

T = TI Pc I ,

max c

I Pc )

где р0 - давление воздуха у земли;

Tc, pc - температура и атмосферное давление воздуха на уровне, до которого распространяется

сухоадиабатический градиент температуры. Если используются данные за дневное или вечернее время, то значение Tmax соответствует фактической температуре воздуха у поверхности земли.

Для расчета кривой состояния используются уравнения и формулы, полученные А.Н. Ромовым [3]. Уровень конденсации определяется изограммой средней для конвективно-неустойчивого слоя и максимальной дневной температурой у поверхности земли. Температура на уровне конденсации определяется из уравнения:

Т Т

1 конд 10 еХр і

где Т0 р0 - температура и давление воздуха у земли;

90 - массовая доля водяного пара у поверхности

земли.

Уравнение решается методом итераций. Давление на

этом уровне определяется из следующего уравнения:

Р конд Р{

І0

От уровня конденсации влажноадиабатический участок кривой состояния строится, решая уравнение влажной адиабаты [з]:

ЄЛТІ - АЯТ,^ + Ldqm = 0,

Р

где Т, - температура частицы воздуха;

СР - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении;

Я - газовая постоянная;

А - термический эквивалент работы;

L -удельная теплота испарения;

qm - массовая доля насыщенного водяного пара.

За уровень конвекции принимается линия, проходящая через точку пересечения кривой состояния с кривой стратификации.

Все перечисленные выше расчеты для удобства могут быть отображены в графическом режиме на экране дисплея.

В процессе вычислений для графических построений одновременно производятся расчеты параметров,

используемых при прогнозировании конвективных явлений.

После завершения графических построений

осуществляется прогноз вышеуказанных явлений погоды с отображением результатов расчетов на экране дисплея и печатающем устройстве.

Определение слоев с обледенением в нижнем слое атмосферы осуществляется по формуле Годске [4]:

Тл =-8( -Tdi),

где Тт - температура насыщения над льдом;

ТТ - температура воздуха и температура точки росы на I - м уровне. Слои, в которых Т < Тж выделяются как слои с возможным обледенением.

Для прогноза количества конвективных облаков рассчитывается коэффициент стратификации Кстр по формуле [з]:

К _ 0,зЛТ/ ,

стр (Т - та)+(1 -у) где ДТ - разность между ожидаемым максимальным значением температуры воздуха у поверхности земли днем и ее значением по данным утреннего зондирования;

У - среднее значение относительной влажности воздуха в слое от верхней границы приземной инверсии до зГО0 м;

(Т — Та) - среднее значение дефицита точки росы по данным утреннего зондирования в слое от земли до 200 м, если у земли 1°<(Т-Т^)<4° С, и от земли до 500 м в остальных случаях;

у - средний вертикальный градиент температуры воздуха в слое от верхней границы приземной инверсии до з км в градусах на 100 м.Значения ув для каждой ограниченной толщины слоя атмосферы (в данной задаче для слоев толщиной по 50 гПа) можно вычислять по формуле:

р

р + 5420,9з-

у = .

Т '+273,15

р + 8397212,04-

Е

(Т'+27з,15)2 где р - атмосферное давление;

Е - максимальная упругость водяного пара:

17,13Т'

Е = 6,1078 • е

Т' - температура на кривой состояния на уровне, для которого производится расчет.

По вычисленному значению Кстр с помощью следующего уравнения определяется количество конвективных облаков (Ы) [5]:

„ _ ^Кстр .

1580 + Кстр

После ввода и обработки данных аэрологической телеграммы упрощается задача автоматизации численных прогнозов гроз, града, ливней и шквалов по методам Н. В. Лебедевой, Б. Е. Пескова и Г. Д Решетова, для расчета которых используются сложные дискриминантные функции и уравнения параметров конвекции. Для прогноза гроз методом Вайтинга рассчитывается коэффициент Кв по формуле [4]:

К = 2Т - (Т - Td ) - Т

в ^ 850 Vі 700 1 700' 50

где Т850, Т700 Т500 - температура на поверхностях 850, 700 и 500 гПа,

Td^00 - температура точки росы на поверхности 700

гПа.

Для прогноза болтанки используется график,

предложенный Н.З. Пинусом (рисунок), который

аппроксимируется формулой, с использованием все тех же данных аэрологической телеграммы:

Г= 0,34 ,

0,05 + в

где в - вертикальный градиент скорости ветра (м/с на 100 м), определяемый по модулю векторной разности скорости ветра в данном слое через

теорему косинусов;

у - вертикальный градиент температуры (на 100 м).

По окончании численных расчетов на принтере можно сделать распечатку изображения экрана дисплея, при этом на печать выдаются результаты прогноза явлений погоды с результатами расчетных методов и представляется возможность просмотра графического отображения результатов зондирования в удобном масштабе.

Таким образом, в данной статье был приведен пример модели анализа и обработки аэрологического кода с использованием ПК, что дает возможность дальнейшей автоматизации составления метеопрогнозов и построения аэрологической диаграммы. Данная модель является

3,5

типовой, что представляет возможным создание подобных моделей и для других метеорологических кодов.

График для прогноза болтанки при ясном небе

Литература

1. Сборник международных и региональных метеорологических кодов, Л., 1970. - 217 с.

2. Код КН-04 (FM 35E TEMP) для передачи данных температурно-ветрового зондирования, Гидрометеоиздат, 1989. — 37 с.

3. Матвеев Л. Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы, Л., 1965; СПб, Гидрометеоиздат, 2000. — 751 с.

4. Методические рекомендации

метеоподразделениям авиации Вооруженных Сил Российской Федерации. - М.: Воениздат, 1994. -196 с.

5. Назаренко А.В. Опасные природные явления. Часть III. Опасные явления погоды конвективного происхождения. //Учебно-методическое пособие для вузов. Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2008. - 62 с.

Воронежская государственная лесотехническая академия

Краснодарское высшее военное авиационное училище летчиков

MATHEMATICAL MODEL OF AUTOMATICAL PROCESSING OF METEOROLOGICAL CODES TEMPERATURE AND WIND SOUNDINGS DATA A.D. Danilov, A.V. Pileich

This article will contain a brief description of the main parts of the meteorological package CN-04 and the mathematical model it is processed for further use in the automation of weather forecasting and create similar models for other meteorological codes

Key words: meteorological code, automated design, algorithm