Способ определения высоты нижней границы облачности



Способ определения высоты нижней границы облачности
Способ определения высоты нижней границы облачности
Способ определения высоты нижней границы облачности

 


Владельцы патента RU 2497159:

Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственное объединение "Тайфун" (RU)

Изобретение относится к метеорологии, навигации и позволяет аппаратурно, в реальном масштабе времени определять высоту нижней границы облачности. Сущность изобретения: при помощи широкопанорамной автоматизированной сканирующей системы автоматически определяются наиболее контрастные участки, по которым определяется высота нижней границы облачности. При этом кадр, состоящий из M×N ячеек, разбивается на слои энергетической яркости. Пo скорости перемещения фрагмента облачного поля относительно ячеек (ячейковой скорости слоев) и высотной разности слоев, заданной по стандартной модели Земли, определяется высота нижней границы облачности. Технический результат - автоматизация определения высоты нижней границы облачности по смещению ее пространственной структуры излучения в реальном масштабе времени и расширение функциональных возможностей метеорологических наблюдений (например, дистанционное определение смерчей, опасных грозовых состояний облачности, тайфунов, оптической разведки движения летательных аппаратов как в дневное, так и в ночное время). 3 ил.

 

Изобретение относится к метеорологии, к способам для определения физических параметров атмосферы, и позволяет определять высоту нижней границы облачности (НГО).

Известен способ определения высоты нижней границы облаков посредством измерителя [1], заключающийся в измерении угловых координат выбранного участка нижней границы облачности относительно двух неподвижных матричных фотоприемников, имеющих регулярную структуру положения пикселей, и расположенных таким образом, что их оптические оси имеют известные вертикальные и горизонтальные углы и лежат в одной плоскости, а углы обзора перекрываются на определенной высоте между ними. Недостатками данного способа являются проблема выбора и идентификации одного и того же фрагмента облачности, которая выполняется вручную оператором, повышенная чувствительность системы к погрешностям фотоприемников, сравнительно высокая стоимость изготовления и эксплуатации измерителя, а также малый участок обзора.

Также известен светолокационный способ определения высоты НГО посредством прожектора [2], который посылает короткие импульсы и принимает отраженный сигнал. По времени задержки обратного сигнала рассчитывается высота НГО. Недостатками этого способа является то, что для просвечивающейся облачности отраженный сигнал будет ослабленным, что приведет к значительному увеличению погрешности измерения высоты. Кроме того, измерение НГО проводится лишь в конкретной точке.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является автоматизация процесса определения высоты НГО в реальном масштабе времени и получение распределения высот НГО в зоне сканирования радиометра практически во всей полусфере.

Технический результат - расширение функциональных возможностей метеорологических наблюдений за счет автоматизации определения высоты нижней границы облачности как днем, так и ночью в реальном масштабе времени по смещению ее пространственной структуры собственного излучения.

Сравнение заявляемого способа с прототипом позволило установить соответствие его условию "новизна". При сравнении заявляемого способа с другими известными техническими решениями не выявлены сходные признаки, что позволяет сделать вывод о соответствии условию "изобретательский уровень".

Способ поясняется чертежами. На фиг.1 приведена геометрия образования двух соседних по времени кадров по собственному излучению облачности в проекции на плоскость. Временной интервал между кадрами равен t. На фиг.2 приведено изображение преобразованных соседних кадров в декартовой системе координат. На фиг.3 иллюстрируется определение проекции скорости фрагмента облачного поля.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается посредством широкопанорамной автоматизированной сканирующей системы [3], которая осуществляет непрерывное круговое сканирование в диапазоне собственного излучения поля облачности по альмукантарату за время, при котором пространственная структура излучения облачного поля остается неизменной. За это время регистрируется ряд значений энергетической яркости, или радиационной температуры облачного поля через каждый градус, или минуты дуги, то есть, определяется высота НГО, однозначно связанной с радиационной температурой. После завершения записи данных по строке, угол наклона сканирующего зеркала изменяется, цикл повторяется и регистрируется следующая строка. Через заданное количество строк сканирующее зеркало широкопанорамной автоматизированной сканирующей системы возвращается в исходное начальное положение, цикл повторяется и записывается следующий кадр. Сканирующей системой автоматически определяются просветы в облаках по двум соседним кадрам, в реальном масштабе времени, как наиболее контрастные участки облачного неба, по которым определяется высота нижней границы облачности.

То есть, из записанных в память системы набора матриц (где по горизонтали N значений, а по вертикали - M) формируется кадр облачного неба. Каждое из N×M значений представляет собой конкретную область - изображение в инфракрасной области на небесной сфере. Затем программно осуществляется изменение формы матрицы, для перехода от угловых координат к декартовым (фиг.2).

Оба кадра условно разбиваются на 2 слоя по энергетической яркости. Нижний слой, который соответствует более высокой радиационной температуре, состоит из элементов с энергетической яркостью, превышающей 0,9·Bmax, в состав верхнего слоя входят элементы с меньшей радиационной температурой (с яркостью от 0,75·Bmax до 0,85·Bmax, где Bmax - устанавливаемый в системе порог максимального значения энергетической яркости кадра).

Для этой пары слоев (нижний/верхний) автоматически определяется наиболее контрастный участок, ограниченный рамкой (фиг.2). Под наиболее контрастным понимается участок кадра, содержащий в себе наибольшее количество ячеек соответствующих слоев. На кадре б (фиг.2) фрагмент слоя, ограниченный рамкой, смещен относительно своего положения на кадре а (фиг.2). Количеством ячеек (n), на которое сместился слой за время регистрации одного кадра (t), определяется ячейковая скорость слоя (ν).

ν = n t

Она задается горизонтальной и вертикальной составляющими смещения этого фрагмента. Область на кадре б (фиг.2) сдвигается по всем возможным вертикальным и горизонтальным направлениям от одной ячейки до максимального смещения d, которым определяется максимальная скорость. Элементы кадра б (фиг.2) внутри смещенной области вычитаются из соответствующих элементов отмеченной области кадра а (фиг.2). Полученные разности суммируются по модулю, образуя матрицу F (матрица сумм абсолютных разностей для всех возможных смещений).

F i ' , j ' = i = i 1 i 2 j = j 1 j 2 | M i , j N i + i ' , j + j ' |

Mi,j, Ni,j - элементы внутри ограниченной области кадра а и б (фиг. 2) соответственно; i', j' - все возможные смещения от -d до +d; i1, i2 - границы области по вертикали; j1, j2 - границы области по горизонтали; Минимальный элемент матрицы соответствует наиболее вероятному смещению ( i o , j o ) фрагмента. Зная временной интервал t между двумя соседними кадрами, определяются горизонтальные (υ) и вертикальные (u) составляющие ячейковой скорости:

υ = i o t , u = j o t

Знаки перед выражениями определяются выбором направления скорости. По найденным составляющим определяется полная ячейковая скорость слоя:

ν = υ 2 + u 2 .

Угол α отклонения вектора полной ячейковой скорости ν от горизонтали рассчитывается как:

α = a sin ( u ν ) ,   υ > 0

α = π a sin ( u ν ) ,   υ < 0

Так как направление вектора движения фрагмента облачного слоя обычно не совпадает с радиальной линией, связывающей фрагмент и центр кадра (фиг.3) необходимо знать проекцию полной ячейковой скорости на эту линию, которые рассчитываются по следующей формуле:

v=ν·cos(α-β),

где α - угол отклонения вектора скорости соответствующего слоя фрагмента, β - угол наклона радиальной линии, который определяется координатами центра фрагмента.

Приведенные выше расчеты проводятся для верхнего и нижнего слоя отдельно. В результате чего для верхнего и нижнего слоя определяются ячейковые скорости их проекций vвер.яч, vниж.яч.

Для каждого слоя определяется среднее значение энергетической яркости (радиационной температуры). По этим средним значениям согласно стандартной модели атмосферы Земли [4] (фиг.2) определяются ориентировочные высоты верхнего (Новер.) и нижнего (Нониж.) слоев и их высотная разность h.

h=Новер.-Нониж.

Высота НГО определяется по следующей формуле:

H=h·vвер.яч/(vниж.яч-vвер.яч).

Вывод последней формулы поясняется следующим примером.

Предположим, сканирующий радиометр фиксирует два облака, движущихся с одинаковой скоростью, но находящихся на разных высотах H, H+h (либо одно облако с нижней границей Н и верхней H+h). На фиг.1 эти облака изображены в разные моменты времени, соответствующие i и i+1 кадрам радиометра. Интересующие нас фрагменты кадров изображены в нижней части рисунка. При сравнении фрагментов двух кадров радиометра видно, что скорости проекций (υвер и υниж) верхнего и нижнего облака различны.

Пусть абсолютная скорость верхнего облака - v, а временной интервал между двумя кадрами равен t. Тогда KL=KH+v·t (фиг.1). За время t проекция верхнего облака проходит расстояние CC1=AC1-АС. Из подобия треугольников АОС и КОН следует:

AC=KH·H/(H+h)

Из подобия треугольников АОС и КОН следует:

AC1=KL·H/(H+h)=(KH+v·t)·H/(H+h)

CC1=AC1-AC=(KH+v·t)·H/(H+h)-KH·H/(H+h)=v·t·H/(H+h)

H/(H+h)=const. Обозначим k=H/(H+h) и перепишем равенство:

AC1=AC+k·v·t

Последнее уравнение соответствует равномерному движению проекции облака со скоростью v·H/(H+h).

Обозначим угол СОА за α, а угол BOA за β. Длина отрезка BB1 равна υниж·t, а длина отрезка CC1 равна υвер·t. Из геометрии видно:

ВС=H·(tg α-tg β)

CD=h·tg α

BD=BC+CD=H·(tg α-tg β)+h·tg α

B1C1=H·(tg C1OA-tg B1OA)

tg C1OA=AC1/H=(AC+CC1)/H=(H·tg α+υвер·t)/Н

tg B1OA=AB1/H=(AB+BB1)/H=(H·tg β+υниж·t)/Н

B1C1=H·tg α+υвер·t-H·tg β-υниж·t

C1D1=h·tg C1LD1

C1LD1=C1OA

C1D1=h·tg C1OA=h·tg α+h·υвер·t/H

B1D1=B1C1+C1D1=H·tg α+υвер·t-H·tg β-υниж·t+h·tg α+h·υвер·t/H

Отрезки BD и B1D1 равны, откуда:

H·(tg α-tg β)+h·tg α=H·tg α+υвер·t-H·tg β-υниж·t+h·tg α+h·υвер·t/H

После преобразования уравнение принимает вид:

υниж·t-υвер·t=h·υвер·t/H

h·υвер/H=υнижвер

Н=h·υвер/(υнижвер)

Скорость проекции (υ) линейно связана с ячейковой скоростью (vяч):

υ=vяч·1

где 1 - размер ячейки. Откуда:

H=h·vвер.яч·1/(vниж.яч·1-vвер.яч·1)=h·vвер.яч/(vниж.яч-vвер.яч)

Данный метод позволяет хорошо приблизиться к точному значению высоты НГО, поскольку зависимость высоты от энергетической яркости в области, где могут находиться облака, можно считать линейной. Ошибка в определении высоты (ξ) по яркости носит аддитивный характер, и при расчете высотной разности слоев она будет компенсироваться:

Hниж=Hниж.ист

Hвер=Hвер.ист

H=Hвер-Hниж=Hвер.ист+ξ-Hниж.ист-ξ=Hвер.ист-Hниж.ист

Для более точной оценки высоты нижней границы облачности с помощью этого метода есть несколько рекомендаций:

- Разбиение кадра на еще большее количество энергетических слоев (4, 5 и т.д.). При этом увеличится общее количество оценок высоты для каждого из них, а значит повысится точность определения НГО.

- Вместо двух кадров можно использовать большее количество пар соседних кадров. Для каждой пары рассчитывается высота нижней границы облачности. Усреднение этих результатов даст еще более точную оценку.

Использованные источники

1. Патент РФ №2321029, МПК G01W 1/00 на изобретение "Способ определения высоты, направления и скорости движения нижней границы облачности".

2. Патент РФ 2136016, МПК G01S 17/95, G01W 1/00, на изобретение "Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков".

3. Патент РФ №2331853, МПК G01J 3/06 на изобретение "Устройство распознавания форм облачности".

4. Международная стандартная атмосфера. Авиация: Энциклопедия. М.: Большая Российская Энциклопедия. Главный редактор Г.П.Свищев. 1994.

Способ определения высоты нижней границы облачности на интервале времени, по которому, посредством широконанорамной автоматизированной сканирующей системы, осуществляющей сканирование в диапазоне спектра собственного излучения поля облачности, программно определяются наиболее котрастные участки, в которых фрагменты облачных слоев сортируются по радиационной температуре, и по проекции слоев определяется их высотная разность и высота нижней границы облачности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в прикладной метеорологии для дистанционного измерения мгновенной скорости и направления ветра.

Изобретение относится к области инженерной экологии и может быть использовано для определения дифференциации нагрузок загрязняющих веществ по отдельным экологически значимым объектам, попадающим в подфакельное пространство аэропромвыбросов.

Изобретение относится к области солнечно-земной физики и может быть использовано для краткосрочного прогноза мощных солнечных вспышек. .
Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки высоты расположения верхней границы мощных конвективных облачных образований. .

Изобретение относится к дистанционным оптическим способам контроля газового состава атмосферного воздуха. .

Изобретение относится к области мониторинга, в частности к мониторингу химически опасных объектов. .

Изобретение относится к исследованиям верхней атмосферы Земли и околоземного космического пространства методом искусственных светящихся облаков и может быть использовано, например, при активных воздействиях на атмосферные процессы.

Изобретение относится к физике атмосферы и может быть использовано при определении структурной характеристики показателя преломления, параметра Штреля и радиуса Фрида.
Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения высоты верхней границы кучево-дождевой облачности. .

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к радиозондированию, и может быть использовано при разработке систем радиозондирования атмосферы (СР) на основе использования сигналов спутниковых навигационных радиоэлектронных систем (СНРС) GPS/ГЛОНАСС.
Изобретение относится к области экологического мониторинга и может быть использовано для контроля атмосферного воздуха. Сущность: проводят сбор, анализ и ведение базы данных выбросов предприятий. Выбирают основные специфические индикаторные соединения для контроля на источниках выбросов - «отпечатки предприятий». Создают сеть автоматизированных станций контроля загрязнения атмосферного воздуха, места размещения которых определены по результатам анализа расчетов рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. Проводят круглосуточный мониторинг, осуществляя непрерывное автоматическое измерение содержания загрязняющих веществ в атмосфере и на источниках загрязнения предприятий, замеры метеорологических параметров атмосферы. Устанавливают источник загрязнения по наличию в воздухе специфических индикаторных соединений. Сравнивают с результатами анализов на предприятии - источнике загрязнения, определяют причины возникновения и необходимость изменения технологического режима. Технический результат: повышение эффективности, достоверности и оперативности контроля. 2 табл.

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для контроля чистоты воздуха населенных мест. Сущность: проводят выбор территории, которую необходимо исследовать на предмет состояния уровня загрязнения атмосферного воздуха. На исследуемой территории в точках натурных замеров проводят натурные инструментальные замеры концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Карту исследуемой территории покрывают регулярной сеткой, выделяют на ней узловые точки и отмечают расположение точек, в которых были проведены натурные замеры. Выявляют все источники загрязнения атмосферного воздуха на исследуемой территории и проводят сбор данных о параметрах выбросов от указанных источников загрязнения атмосферного воздуха. Затем выполняют расчет приземных концентраций загрязняющих веществ в точках натурных замеров и в узловых точках заданной регулярной сетки от указанных источников загрязнения атмосферного воздуха с применением стандартных математических моделей и программных средств. Для каждой точки, где имеются данные и расчета рассеивания, и натурных замеров, определяют коэффициент соответствия как отношение измеренной концентрации к рассчитанной. Далее точки натурных замеров концентраций загрязняющих веществ объединяют на карте непересекающимися отрезками в треугольники, образуя систему треугольников с вершинами в точках натурных замеров. Для каждого треугольника решают уравнение плоскости с установлением коэффициентов уравнения, зависящих от координат вершин треугольника - точек натурных замеров, и значений коэффициентов соответствия в них. Затем относят каждую узловую точку расчетной сетки к какому-либо треугольнику или устанавливают, что она лежит вне указанной системы треугольников. Для каждой узловой точки, лежащей внутри системы треугольников, рассчитывают коэффициент соответствия по уравнению плоскости соответствующего треугольника. А для узловых точек, лежащих вне системы треугольников, расчет коэффициента соответствия выполняют методом экстраполяции. Для этого значения коэффициента соответствия в узловой точке принимают равными коэффициентам соответствия в ближайшей точке, лежащей на внешней границе системы треугольников. Ранее рассчитанные приземные концентрации загрязняющих веществ в узловых точках заданной регулярной сетки умножают на полученные коэффициенты соответствия с получением уточненной концентрации загрязняющих веществ в узловых точках сетки. Затем строят карту пространственного распределения уточненных концентраций загрязняющих веществ, по которой количественно оценивают уровень загрязнения атмосферного воздуха на исследуемой территории. Технический результат: повышение точности пространственной количественной оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха. 5 табл., 9 ил.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения вертикального профиля концентрации различных газов в атмосфере. Сущность: излучают набор электромагнитных волн различной частоты в окрестности линии поглощения измеряемого газа. Регистрируют прошедшее атмосферу излучение приемником. Измеряют общее ослабление излучения, прошедшего атмосферу на излучаемых частотах. Сравнивают значения измеренного ослабления излучения с расчетными значениями общего ослабления излучения, полученными на основе априорных или стандартных данных о вертикальных профилях температуры, атмосферного давления и концентрации измеряемого газа. Причем для получения значений концентрации газа на заданной высоте измерения проводят на двух парах частот, расположенных на различных склонах линии поглощения измеряемого газа, которая соответствует заданной высоте. При этом используют линейную комбинацию ослаблений на указанных частотах. Технический результат: повышение точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для прогнозирования наводнений или штормовых подъемов уровней воды для морских устьевых участков рек. Сущность: создают архив наводнений (дата-уровень) за максимально возможный период. Создают архив полей приземного атмосферного давления по срочным данным (за два срока) в районе формирования штормовых циклонов над морским устьевым участком реки. Рассчитывают повторяемость наводнений по всем месяцам года. По величине повторяемости наводнений выделяют «наводненческий период» (повторяемость больше 1%) и «ненаводненческий период» года. Для месяцев, вошедших в «ненаводненческий период», наводнения считаются маловероятным событием, поэтому автоматически делают вывод о ненаступлении «наводненческой ситуации». Для каждого месяца «наводненческого периода» определяют эмпирические ортогональные функции (ЭОФ) по всему архиву срочных наблюдений полей приземного атмосферного давления. Затем для каждого месяца «наводненческого периода» рассчитывают эмпирические ортогональные составляющие (ЭОС). Выделяют диапазон трех первых ЭОС от минимального до максимального значения для дат наводнений каждого месяца «наводненческого периода», формируют эталонную область ЭОС для каждого месяца. После этого по результатам оперативного гидродинамического прогноза поля приземного атмосферного давления рассчитывают ЭОС по ранее созданным ЭОФ для данного месяца. Определяют принадлежность ЭОС прогностического поля к эталонной области ЭОС наводнений прогнозируемого месяца. Делают вывод о наступлении/ненаступлении на анализируемый прогностический срок «наводненческой ситуации». Технический результат - повышение заблаговременности прогноза.

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для оценки экологического состояния атмосферы территории. Сущность: на контролируемой территории отбирают пробы атмосферных осадков. Проводят гранулометрический и минералогический анализы взвесей в отобранных пробах. По результатам гранулометрического анализа взвеси делят на пять классов крупности и определяют процентное содержание взвесей каждого класса. После этого вычисляют показатель содержания взвесей каждого класса и, используя данный показатель, делают оценку экологического состояния территории. Технический результат: обеспечение возможности зонирования районов территории по экологической опасности воздушной среды. 15 ил.

Изобретение относится к области экологического мониторинга и может быть использовано для мониторинга химически опасных объектов. Сущность: определяют концентрации опасных выбросов в районе свалки. Получают метеорологические данные в радиусе 30 км от центра свалки, проводя наблюдения через каждые 6 часов. Оценивают метеорологические условия по разным пространственным направлениям. Определяют размер зоны влияния первичных токсичных газов, используя данные о выбросах свалок в виде концентраций токсичных газов, учитывая при этом скорости химической трансформации и химические времена жизни первичных продуктов токсичных выбросов свалок. Технический результат: определение зоны влияния продуктов токсичных выбросов свалок.

Изобретение относится к области морской гидрологии и может быть использовано для определения приливных колебаний уровня моря. Сущность: измеряют высоту поверхности уровня моря посредством регистрирующих устройств. Определяют моменты верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане. Определяют колебания уровня моря путем анализа результатов наблюдений по периодическим компонентам во временных рядах. При этом определяют гармонические постоянные по спектру частот фиктивных светил. При анализе результатов измерений выполняют деление спектра частот на равные временные циклы с последующим их совмещением, в котором гармонические постоянные определяют для отдельного фиктивного светила. Временной ход уровня прилива в точке измерения под действием приливных сил определяют по фазовому сдвигу. Изменение фазы прилива определяют по измеренным значениям уровня моря в фиксированных точках акватории моря, расположенных по возрастанию величины интервала времени между ближайшим предшествующим моментом времени верхней кульминации Луны и моментом верхней кульминации Луны. Кроме того, по изменению амплитуд гармонической составляющей высоты прилива со временем определяют пространственную изменчивость времени наступления максимальных вод прилива после сизигий в открытом море. При этом преобразования амплитуды, угловой частоты и фазы приливной гармоники сигналов осуществляют посредством интегрального и линейного преобразования Гильберта. Также определяют значения водных часов, выраженные в среднесолнечном времени. Технический результат: повышение достоверности результатов. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для получения изображений земной поверхности через турбулентную атмосферу. Способ основан на совместном использовании длинно-экспозиционного изображения и серии из N спектрально-фильтруемых коротко-экспозиционных изображений. Технический результат - повышение качества изображения зондируемого участка земной поверхности. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области физики атмосферы и может быть использовано в метеорологических целях. Сущность: по данным о координатах точки оценки, дате и времени оценки вычисляют внеатмосферные спектральные потоки солнечной радиации, сечения поглощения озона, коэффициенты ослабления солнечной радиации в результате рассеяния газами, оптическую массу атмосферы. По данным о величине приземного давления, влажности воздуха, общем содержании озона на уровне земной поверхности, общем балле облачности, среднем размере облачных и аэрозольных частиц определяют коэффициенты мутности и коэффициенты ослабления солнечной радиации атмосферным аэрозолем и облаками. Рассчитывают спектральные потоки солнечной радиации с учетом эффектов поглощения и рассеяния радиации аэрозолями и облаками. Технический результат: повышение точности оценки спектральных потоков солнечной радиации для географической точки.

Система локализованного контроля утечек горючего газа по первичным параметрам измерительных устройств включает стационарные датчики-газоанализаторы горючих газов, систему автоматического управления, содержащую блок звуковой и световой сигнализаций, блок управления датчиками-газоанализаторами. В систему дополнительно введены блок автоматического переключения подачи газа из основной технологической линии в резервную и обратно, воздухопроводящие короба с общим завихрителем, в которые производится нагнетание воздуха с требуемыми параметрами от воздуходувной установки, позволяющие перемещать утечку газа в определенном направлении к последовательно расположенным датчикам-газоанализаторам, что позволит с достаточной степенью точности определить локальное расположение образовавшейся утечки в максимально короткое время с момента ее образования. Технический результат - повышение безопасности, своевременное, эффективное и оперативное обнаружение локального места утечки, снижение риска образования концентрации газа в воздухе. 2 ил.
Наверх