Способ определения параметров атмосферных циклонов
METHOD OF DETERMINING ATMOSPHERIC CYCLONES PARAMETERS

Область техники
Изобретение относится к метеорологии (G01W1/00) и цифровой обработке (G06N 7/06) результатов измерений, конкретно к способу определения параметров атмосферных циклонов.
Изобретение может быть использовано для оценки степени опасности циклонов в задачах локального и регионального прогноза погоды, в задачах исследований физики атмосферы Земли и оперативного предупреждения населения и дежурных средств Министерства чрезвычайных ситуаций (МЧС) о надвигающихся климатических угрозах.
Уровень техники
Известен способ определения параметров атмосферных циклонов /US 7970543/ для предсказания разрушающего потенциала тропических циклонов с помощью расчета его интегральной кинетической энергии по шкале Пауэлла/Рейнхолда. Оценка разрушающего потенциала тропических циклонов основана на анализе метеорологических полей оперативного прогноза, полей скорости ветра и результатов расчета численных моделей прогноза погоды. В результате тропическим циклонам присваивается индекс по шкале Пауэлла/Рейнхолда. Использование шкалы Пауэлла/Рейнхолда позволяет более точно оценить возможные разрушения, вызванные тропическим циклоном, чем при использовании «стандартной» категории тропических циклонов по шкале Саффира-Симпсона, основанной на измерении максимальной скорости ветра, развиваемой в циклоне.
Недостатком способа определения параметров атмосферных циклонов /US 7970543/, является недостаточная оперативность прогнозов, связанная с необходимостью использования большого массива данных для расчета интенсивности циклона и степени его опасности, связанные с повышенным объемом измерений подробных полей скорости ветра в зоне зарождения циклона.
r
r
Известен способ определения параметров атмосферных циклонов /RU 2652642/ включающий измерение с заданной временной дискретностью Δt приземного атмосферного давление p(N,M,t), где t – момент измерений с помощью метеорологической аппаратуры, рассредоточенной по территории метеонаблюдения за погодой, объединение измеренных данных в единое поле атмосферных давлений D(N,M,t) = {p(N,M,t)}, где: N – расстояние между данными приземного атмосферного давления в градусах широты, M – расстояние между данными приземного атмосферного давления в градусах долготы, t – момент измерений, поиск в едином поле приземного атмосферного давления D(N,M,t) циклонов и измерение их параметров, включая интенсивность циклонов, их размеры, скорость и траекторию их движения.
При этом для оценки интенсивности и степени опасности циклонов используют систему малоинерционных датчиков давления или температуры, забрасываемых метеорологической авиацией в центр циклона. Для оценки геометрических размеров циклонов в море используют прогнозные гидрометеорологические карты по последней замкнутой изобаре с давлением p(N,M,t) порядка 1000 мБар, от которого отсчитывается величина подъема уровня моря в центре циклона (1 мБар=1 см). Поверхностное напряжение штормового ветра в зоне морского циклона задается максимальной скоростью на высоте 10 м, и эмпирическим коэффициентом СА - с величиной 0,002 для теплых морей, или СA ≤ 0,001 для дальневосточных морей в холодные сезоны года.
Недостатками известного способа определения параметров атмосферных циклонов (RU 2652642) является недостаточная оперативность измерений параметров циклонов, связанная с необходимостью применения авиационных средств для измерений интенсивности и степени опасности циклонов.
Задачей изобретения является повышение оперативности предупреждения населения и дежурных средств Министерства чрезвычайных ситуаций (МЧС) о надвигающихся климатических угрозах.
Техническим результатом изобретения является увеличение скорости обнаружения и измерения параметров атмосферных циклонов.
Сущность изобретения
r
r
Решение достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи обеспечивается тем, что предложенный способ определения параметров атмосферных циклонов включает измерение с заданной временной дискретностью Δt приземного атмосферного давление p(N,M,t), где t – момент измерений с помощью метеорологической аппаратуры, рассредоточенной по территории метеонаблюдения за погодой. Далее производится объединение измеренных данных в единое поле атмосферных давлений D(N,M,t) = {p(N,M,t)}, где: N – расстояние между данными приземного атмосферного давления в градусах широты, M – расстояние между данными приземного атмосферного давления в градусах долготы, t – момент измерений. Затем поиск в едином поле приземного атмосферного давления D(N,M,t) циклонов и измерение их параметров, включая интенсивность циклонов, их размеры, скорость и траекторию их движения,
Новым в изобретении является следующая последовательность отличительных операций над метеорологическими сигналами:
r
- Представление поля D(N,M,t) приземного атмосферного давления в каждый момент времени t в виде трехмерной матрицы N x M x t;
r
- Поиск циклонов на матричном поле приповерхностных атмосферных давлений D(N,M,t) путем последовательного обзора давлений в ячейках матрицы полем зрения, включающим центральное окно и не менее восьми периферийных окон, сдвинутых по осям N и M относительно центрального окна на изменяемое расстояние Δ = 1-10 размеров дискрет трехмерной матрицы метеорологических данных N x M x t;
- Идентификация циклонов и пространственного расположения их осей вращения на поле метеорологических данных на каждом шаге обзора определяется по наличию минимума давления в центральном окне относительно периферийных окон;
- Измерение размеров найденных циклонов проводится путем совмещения оси центрального окна с осью циклона, пошагового увеличения поля зрения (сдвигом периферийных окон относительно центрального окна) и одновременного измерения давления {p(N,M,t)} в периферийных окнах до момента равенства давлений в указанных окнах;
- Определение площади циклона производится по размерам поля зрения в момент замкнутости изобары атмосферных давлений на его периферийных окнах;
- Измерение интенсивности δp циклонов производится из условия δp = Plast - Рс, где: Рс, Plast – давление в центре и на периферии циклона соответственно, гПа;
- Фильтрация интенсивных циклонов производится по критерию превышения их интенсивностью δp порогового значения по критерию δp ≥20 гПа;
- Оценка кинетической энергии отфильтрованных циклонов определяется по формуле:
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>k</mi></msub><mtext>~</mtext><mi>M</mi><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>δ</mi><mi>p</mi></mrow><mrow><mi>ρ</mi><msub><mi>l</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
, lс = 2*ω*sin ϕ,
-3
-1
где: Mв – масса столба воздуха в циклоне, кг; ρ – плотность атмосферы, кг*м; lс – параметр Кориолиса, с; ω - угловая скорость вращения Земли вокруг оси; ϕ - географическая широта местоположения центра циклона, градусы;
Ек ≥Епор,
Епор
- Оценка разрушительной силы кинетических циклонов проводится из условия  где  – пороговое значение кинетической энергии циклона, приводящее к физическим повреждениям зданий и сооружений на пути их движения.
Доказательство достижения заявленного технического результата и решения поставленной задачи
r
r
Представление поля D(N,M,t) приземного атмосферного давления в каждый момент времени t в виде трехмерной матрицы N x M x t, поиск циклонов на матричном поле приповерхностных атмосферных давлений D(N,M,t) путем последовательного обзора давлений в ячейках матрицы центральным окном и не менее восьми периферийными окнами с указанными выше параметрами, последовательная идентификация циклонов по интенсивности, кинетической энергии и разрушительной силе позволяют расчетным путем на поле метеорологических данных с локальных пунктов наблюдения за погодой выявить потенциально опасные атмосферные циклоны и своевременно предупредить население и дежурные средств Министерства чрезвычайных ситуаций (МЧС) о циклонических угрозах. При этом в отличие от прототипа (RU 2652642) исключается необходимость использования авиационных средств для оценки параметров атмосферных циклонов. Следствием этого является достижение заявленного технического результата по уменьшению времени выявления и оценке параметров атмосферных циклонов, позволяющего решить поставленную задачу изобретения по своевременному оповещению населения и МЧС о надвигающихся климатических угрозах.
Ссылка на чертежи
Сущность изобретения поясняется рисунками, представленными на фиг. 1 – фиг 11.
На фиг. 1 – представлен пример пространственного расположения двух атмосферных циклонов в момент замкнутости их изобар. На фиг. 2 – пример гидрометеорологической карты Dr(N,M,t) с семью атмосферными циклонами различной интенсивности и размеров. На фиг. 3 – рисунок, поясняющий обзор давлений с помощью поля зрения, включающего центральное окно и восемь периферийных окон. На фигурах 4,…,10 – рисунки, поясняющие алгоритм поиска циклонов на метеорологической карте Dr(N,M,t), с правой стороны каждой фигуры представлены примеры обзора атмосферных давлений, а с левой стороны - сетка связности этих давлений. На фиг. 4 – представлен пример атмосферных давлений и их связанность для трех кандидатов в циклоны с минимальными давлениями. На фиг. 5 – результат поиска связанных соседей кандидата с давлением P(t) = 995 гПа, не превышающим давление кандидата на Δ P(t) = 5 гПа. На фиг. 6 – примеры связанных соседей кандидатов при сдвижке поля зрения в левую сторону. На фиг. 7 – оставшиеся два кандидата, который по минимуму давления не пересеклись с другими рассматриваемыми соседями. На фиг. 8 – результат поиска соседей первого кандидата с пониженным давлением P(t) = 990 гПа, представленного на фиг. 7. На фиг. 9 - – результат поиска соседей второго кандидата с пониженным давлением P(t) = 989 гПа, представленного на фиг. 7. На фиг. 10 – представлены два найденных циклона, параметры которых надо посчитать. На фиг. 11 – представлены примеры найденных площадных размеров, формы и распределений давлений в циклонах, представленных на фиг. 10.
На фиг. 1 - фиг. 11 обозначены:
1 – циклон (атмосферный вихрь с пониженным давлением воздуха, воздушные массы которого вращаются против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном;
2 - центр циклона (ось вращения воздушных масс циклона);
3 – изобара (изолиния, соединяющая равные значения атмосферного давления на метеорологических картах);
4 - замкнутая изобара (изолиния в виде замкнутой кривой);
5 – седловина (область относительно высокого давления между двумя циклонами);
6 – радиус R циклона, км;
7 – глубина циклона, км;
8 –нижняя точка циклона;
r
9 – пример изобарического поля D(N,M,t) приземного атмосферного давления, на котором производится поиск циклонов по предлагаемому способу;
r
10 – поле зрения, включающее центральное окно и периферийные окна обзора изобарического поля D(N,M,t);
10.1 - центральное окно регистрации низкого давления;
10.2 - периферийные окна регистрации повышенного давления относительно центрального окна;
10.3 - периферийные окна регистрации пониженного давления относительно центрального окна;
11 - поле обзора атмосферных давлений;
11.1, 11.2, 11,3 – первый, второй, третий кандидат в циклоны в соответствии с нарастающим в них давлением 989, 990, 995 гПa;
12 - сетка связности давлений в поле обзора 11;
13, 14 – изобарическое поле первого и третьего раздельно существующих отфильтрованных циклонов 11.1, 11.3;
Рс – давление в нижней части циклона 1, гПa;
Plast – давление в верхней части циклона 1 (на его замкнутой изобаре), гПa;
δp = (Plast – Рс)– интенсивность циклона, гПa;
R – радиус циклона (среднее расстояние от центра циклона до замкнутой изобары), км;
2 -
2
S = 3.14*R площадь циклона (область, занятая циклоном), км;
Раскрытие сущности изобретения
Согласно фиг. 1 - 11 способ определения параметров атмосферных циклонов состоит в последовательности выполнения следующих операций.
Вначале с помощью метеорологической аппаратуры, расположенной на I на локальных метеорологических пунктах наблюдения за погодой, проводят с заданной временной дискретностью Δt ≤ 6 часов периодическое измерение на заданной территории 9 приземного атмосферного давления p(ϕi,λi,t), i∈(1,I), где: I – общее количество точек измерений на территории 9 наблюдения за погодой, ϕi –географическая широта и  λi – долгота i –й локальной точки измерения давления, t – момент измерений.
r
Далее данные p(ϕi,λi,t), i∈(1,I) локальных измерений объединяют в единое поле 9 (фиг. 2) изобар атмосферных давлений D(N,M,t) = {p(N,M,t)}, где: N – расстояние между данными приземного атмосферного давления в градусах широты, M – расстояние между данными приземного атмосферного давления в градусах долготы.
r
Затем поле 9 изобар D(N,M,t) приземного атмосферного давления представляют в виде соответствующей трехмерной матрицы N x M x t, в ячейки которой вводят соответствующие данные локальных измерений атмосферных давлений р(ϕi,λi,t).
Далее на матричном поле изобар приповерхностных атмосферных давлений поля 9 проводят поиск географических координат (ϕi, λi) атмосферных циклонов 1 (фиг. 1 -2) на момент времени t измерений.
Поиск географических координат (ϕi, λi) атмосферных циклонов 1 на поле 9 (фиг. 2) для каждого момента времени t проводят путем последовательного обзора давлений в ячейках матрицы N x M полем 10 зрения, включающим центральное окно 10.1 регистрации низкого давления в поле зрения 10, не менее шести периферийными окнами 10.2 регистрации повышенного давления относительно центрального окна 10.1 и не менее двумя периферийными окнами 10.3 регистрации пониженного давления относительно центрального окна 10.1. Периферийные окна 10.2, 10 3 выполнены с возможностью их сдвига по осям N и M относительно центрального окна 10.1 и друг друга на расстояние Δ = 1-10 размеров дискрет- ячеек трехмерной матрицы метеорологических данных N x M x t.
Алгоритм поиска циклонов 1 на изобарическом поле 9 поясняется рисунками, представленными на фиг. 4-11.
Согласно фиг. 4-11 поиск циклонов 1 проводят путем поиска локальных минимумов 8 (фиг. 1) давления на изобарическом поле 9 (фиг. 2) при увеличенном поле 10 зрения при расстоянии между окнами Δ = 10 размеров дискрет.
Для этого расширенным полем 10 зрения производят последовательный обзор поля 9 с целью поиска на изобарическом поле 9 минимальных давлений 8 и соответствующих им географических координат (ϕi, λi) “кандидатов” в циклоны. Наличие “кандидата” в циклоны и его приближенное географическое положение определяют по наличию минимума давления р(ϕi, λi) в центральном окне 10.1 поля 10 зрения по сравнению с давлениями в периферийных окнах 10.2 -10.3. На фиг. 3 представлено пример поля 11 обзора полем 10 зрения атмосферных давлений с тремя кандидатами в циклоны и сетка 12 связанности их между собой с нарастающим в них минимальным давлением 989, 990, 995 гПа соответственно.
После окончания пространственного обзора изобарического поля 9 и нахождения всех “кандидатов” в циклоны производят уточнение их географических координат (ϕi, λi) и фильтрацию на предмет наличия их пространственного разделения между собой и отнесения их к разряду циклонов. Для этого уменьшают поле 10 зрения путем уменьшения пространственного расстояния Δ между его окнами 10.1, 10.2, 10.3, например, Δ = 1 размеров дискрет.
Далее суженным полем 10 зрения проводят уточнение (фиг. 5-фиг. 10) распределения давления р(ϕi, λi) найденных “кандидатов” в зоне их пространственного расположения (ϕi, λi) на изобарическом поле 9 по минимуму давления в центральном окне 10.1 относительно периферийных окон 10.2, 10.3 поля 10 зрения.
После уточнения пространственного расположения (ϕi, λi) “кандидатов” в циклоны 1 производят отсеивание «ненадлежащих кандидатов» путем совмещения центрального окна 10.1 с ячейкой минимального давления, последовательного увеличения географического расстояния Δ между периферийными окнами 10.2, 10.3 до момента окончания роста или снижения в них изобарического давления.
В первом случае регистрируют наличие циклона 1 и его размеры 4, 6 (фиг. 1) по замкнутости изобары давления вокруг его центральной оси и разности давлений в центре и на периферии циклона. Также регистрируют географическим положение (ϕi, λi) циклона 1 по минимуму давления в поле 10 зрения центрального окна 10.1 на изобарическом поле 9 и - интенсивность δp циклона 1 по разности δp = (Plast – Рс), гПа, давлений в центре Рс циклона 1 и на его периферии Plast.
Во втором случае при снижении изобарического давления Plast на периферии «кандидата» в циклоны 1 и отсутствия замкнутости его изобары, свидетельствующих об отсутствии циклона 1 с координатами (ϕi, λi) «кандидата» или наличия седла 5 между соседними циклонами 1, поле 10 зрения перемещают в сторону снижения изобарического давления и уточняют наличие или отсутствие смежного циклона 1.
Далее производят фильтрацию циклонов 1, обнаруженных на изобарическом поле 9 (фиг.2) по критерию превышения их интенсивности δp порогового значения по правилу
δp ≥20 гПа.          (1)
После фильтрации интенсивных циклонов 1, прошедших пороговую обработку (1), оценивают их кинетическую энергию из выражений:
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>k</mi></msub><mtext>~</mtext><mi>M</mi><mi>в</mi><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>δ</mi><mi>p</mi></mrow><mrow><mi>ρ</mi><msub><mi>l</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
,            (2)
lс = 2*ω*sin ϕ           (3)
где:
Mв – масса столба воздуха в циклоне, кг;
-3
ρ – плотность атмосферы, кг*м;
-1
lс – параметр Кориолиса, с;
ω - угловая скорость вращения Земли вокруг оси;
ϕ - географическая широта местоположения центра циклона, градусы.
После оценки кинетической энергии циклонов определяют их разрушительную силу из условия
Ек ≥Епор,
(4)
Епор
где: – пороговое значение кинетической энергии циклона, приводящее к физическим повреждениям зданий и сооружений на пути их движения.
Циклоны 1, прошедшие пороговую обработку (4), регистрируют в качестве опасных с указанием их площадных размеров 4, 6, географического положения (ϕi, λi), кинетической энергии, степени их интенсивности и опасности на момент t измерений.
i
i
i-1
i-1
i
Далее в последовательные моменты времени t c временной дискретностью Δt = t - t, Δt ≤ 6 часов, производят обновление метеорологических данных. По найденному положению географических координат, широте ϕ и долготе  λ, циклонических центров 2 в моменты tи t их наблюдений на сфере Земли и известному значению временной дискретности Δt ≤ 6 часов наблюдений вычисляют скорость, траекторию движения разрушительных циклонов 1, оставшееся время до прибытия их в населенные пункты, расположенные на пути движения циклонов 1.
При этом объединение траекторий движения двух ближайших циклонических центров 2 циклонов 1 в единую траекторию производят, если максимальное расстояниемежду центрами 2 этих циклонов 1 в последовательные моменты времени Δt ≤ 6 часов не превышает 800 км и изменение давления в их центрах не превышает 20 гПа. Одновременно рассчитывают скорость перемещения и время жизни объединенных циклонов.
Результат вычислений текущих параметров атмосферных циклонов 1 представляют в форме соответствующего табличного массива цифровых данных (Мд).
Измеренные значения параметров Мд циклонов 1, а также степень их опасности для объектов, расположенных на пути движения циклонов, регистрируют соответствующей аппаратурой документирования и транслируют дежурным диспетчерам региональных метеорологических центров и министерства чрезвычайных ситуации для оповещения населения и проведения своевременных профилактических мероприятий.
Промышленная применимость.
Изобретение разработано на уровне технического проекта и прошло экспериментальную проверку по обнаружению и измерению параметров атмосферных циклонов на базе данных метеорологических наблюдений погоды для центральных районов страны и районов Крайнего Севера.
Экспериментальная проверка изобретения показала достижение заявленного технического результата и решение поставленной задачи.
Изобретение рекомендуется использовать для оценки степени опасности полярных циклонов в задачах локального и регионального прогноза погоды, в задачах исследований физики атмосферы Земли и оперативного предупреждения населения и дежурных средств Министерства чрезвычайных ситуаций (МЧС) о надвигающихся климатических угрозах.