Способ специализированного гидрометеорологического прогнозирования для обеспечения безопасности железнодорожного транспорта



Способ специализированного гидрометеорологического прогнозирования для обеспечения безопасности железнодорожного транспорта

 


Владельцы патента RU 2569486:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" (RU)

Изобретение относится к способам специализированного гидрометеорологического прогнозирования и может быть использовано для прогнозирования температуры рельса. Сущность: с помощью мезомасштабной модели WRF моделируют изменения гидрометеорологических параметров. Для этого в качестве фонового прогноза берут прогностические поля метеопараметров, полученные в результате работы глобальной модели общей циркуляции атмосферы и океана NCEP. Формируют начальные и граничные условия. После этого производят их уточнение по данным от метеорологического радиолокатора и специализированных станций. В результате получают прогностические значения гидрометеорологических параметров (потока приходящей коротковолновой радиации SWDOWN, потока приходящей длинноволновой радиации GLW, значения турбулентного потока тепла HFX). По данным от специализированных метеорологических станций, расположенных вдоль железнодорожной магистрали, и прогностическим значениям гидрометеорологических параметров прогнозируют температуру рельса. Технический результат: повышение качества гидрометеорологического прогнозирования. 1 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к метеорологии, а именно к автоматизированному прогнозированию гидрометеорологических величин и специальных параметров, необходимых для обеспечения безопасности эксплуатации железнодорожного транспорта.

Известны способы и устройства для прогноза погоды с применением данных от радара и наземной сети метеорологических станций, описанных в патентах и заявках №2008241433 (Япония), №4347618 (США), №20020188522 (США), №2276393 (РФ), №30441 (РФ), №7231300 (США).

Основными недостатками таких способов является отсутствие учета информации о специальных величинах, обусловленных гидрометеорологическими факторами, при составлении полей прогностических значений.

Патент РФ «Система компьютерного мониторинга погоды и составления прогноза» №30441 содержит описание системы компьютерного мониторинга погоды и составления прогноза, включающая центральный компьютер, предназначенный для сбора метеопараметров и их обработки, соединенный каналом связи с метеостанциями и/или зондами, дополнительно содержащая компьютеры пользователей, при этом центральный компьютер и компьютеры пользователей через модемы и сервер провайдера подключены к сети Интернет. Причем центральный компьютер системы компьютерного мониторинга погоды и составления прогноза содержит программное обеспечение, позволяющее осуществлять отбраковку ложных и недостоверных метеопараметров, производить осреднение по регионам любого масштаба и составлять прогноз по динамике их изменения методом экстраполяции

Однако данный способ не использует данные от метеорологических радиолокаторов и не использует региональную метеорологическую модель для получения прогностических данных, что существенно снижает качество прогноза.

В патенте США «Производство метеорологического прогноза высокого разрешения в реальном времени» №7231300 описывается метод для расчета или получения погоды для объекта с произвольными географическими координатами. Использование метеорологических радиолокаторов (МРЛ) или сети МРЛ дает возможность для определения влажности, а объединение наземных наблюдений с данными от МРЛ позволяет прогнозировать влажность точнее. При объединении данных применяются методы математической статистики, а данные от радара калибруются относительно рассматриваемых метеорологических полей. Используемые метеорологические поля содержат метеорологические величины, такие как: относительная влажность, точка росы, упругость водяного пара и горизонтальная дальность видимости

Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является способ «Производство метеорологического прогноза высокого разрешения в реальном времени» №7231300 (США), в котором описывается метод для расчета или получения погоды для объекта с произвольными географическими координатами.

Однако данный способ не использует данные от специализированных гидрометеорологических станций, содержащих информацию о температуре рельса и степени увлажнения грунтов железнодорожных путей, и не позволяет произвести расчет прогностических значений температуры рельса.

Техническим результатом является повышения качества гидрометеорологического прогноза и специализированного гидрометеорологического обеспечения за счет учета данных от специализированных гидрометеорологических станций, содержащих информацию о температуре рельса.

Для реализации способа получают данные о радиальной скорости ветра и радиолокационную отражаемость от метеорологического радиолокатора в виде текстовых файлов и прогностические поля метеопараметров, получаемые в результате работы глобальной модели общей циркуляции атмосферы и океана, разработанной в Национальном центре прогноза окружающей среды США (NCEP). Данные NCEP используются в последующем как фоновый прогноз для работы модели WRF, а данные от радара уточняют начальные условия моделирования. От специализированных метеорологических станций, расположенных вдоль железнодорожной магистрали, получают температуру воздуха (°C), атмосферное давление (гПа), скорость ветра (м/с), максимальную скорость ветра (м/с), направление ветра (°), влажность воздуха (%), количество осадков с начала месяца (мм), температуру грунта на глубине 5 см (°C), температуру грунта на глубине 20 см (°C), температуру грунта на глубине 40 см (°C), температуру грунта на глубине 80 см (°C), температуру рельсов (°C). Специализированные станции расположены непосредственно в зоне прогнозирования и их информации существенно повышают качество прогноза.

Блок препроцессинга мезомасштабной модели WRF производит обработку прогностических полей метеопараметров NCEP и формирует начальные и граничные условия, после чего блок ассимиляции производит их уточнение по данным от метеорологического радиолокатора и специализированных станций. Дальше происходит непосредственное моделирование изменения гидрометеорологических параметров.

После завершения работы мезомасштабной метеорологической модели WRF получаем необходимые прогностические значения гидрометеорологических параметров:

SWDOWN - поток приходящей коротковолновой радиации (Вт/м2);

GLW - поток приходящей длинноволновой радиации (Вт/м2);

HFX - значение турбулентного потока тепла (Вт/м2);

LH - значение потока тепла за счет конденсации влаги в атмосфере, требуемая размерность - Вт/м2.

Данные гидрометеорологические параметры используются для расчета специализированного гидрометеорологического параметра - прогностического значения температуры рельса. В качестве начальных условий используются данные о температуре рельса, измеренные в момент времени, равный начальному времени моделирования. Данные получают от специализированных метеорологических станций, расположенных вдоль железнодорожной магистрали.

Прогноз температуры рельса производится по формуле:

где: - температура рельса в момент времени, для которого осуществляется прогноз, размерность Кельвин;

- температура рельса в момент времени, от которого осуществляется прогноз, размерность Кельвин;

ρs - плотность стали (7700 кг/м3);

cs - удельная теплоемкость стали (462 Дж/(кг·К));

σ - постоянная Стефана-Больцмана (5,670373×10 Вт·м-2·К-4);

α - альбедо рельса - 0.6,

h - толщина рельса (м).

SWDOWN - среднее за временной интервал значение потока приходящей коротковолновой радиации, требуемая размерность - Вт/м2, положительное значение соответствует направлению вниз,

GLW - среднее за временной интервал значение потока приходящей длинноволновой радиации, требуемая размерность - Вт/м2, положительное значение соответствует направлению вниз,

HFX - среднее за временной интервал значение турбулентного потока тепла, требуемая размерность - Вт/м2, положительное значение соответствует направлению вверх.

LH - среднее за временной интервал значение потока тепла за счет конденсации влаги в атмосфере, требуемая размерность - Вт/м2, положительное значение соответствует направлению вверх.

Схема реализации способа представлена начертеже.

Способ специализированного гидрометеорологического прогнозирования для обеспечения безопасности железнодорожного транспорта, заключающийся в том, что с помощью мезомасштабной модели WRF моделируют изменения гидрометеорологических параметров, для чего в качестве фонового прогноза берут прогностические поля метеопараметров, полученные в результате работы глобальной модели общей циркуляции атмосферы и океана NCEP, формируют начальные и граничные условия, после чего производят их уточнение по данным от метеорологического радиолокатора и специализированных станций и получают прогностические значения гидрометеорологических параметров (потока приходящей коротковолновой радиации SWDOWN, потока приходящей длинноволновой радиации GLW, значения турбулентного потока тепла HFX), отличающийся тем, что по данным от специализированных метеорологических станций, расположенных вдоль железнодорожной магистрали, и прогностическим значениям гидрометеорологических параметров производят прогноз температуры рельса по формуле:
,
где: - температура рельса в момент времени, для которого осуществляют прогноз, размерность Кельвин;
- температура рельса в момент времени, от которого осуществляют прогноз, размерность Кельвин;
ρs - плотность стали (7700 кг/м3);
cs - удельная теплоемкость стали (462 Дж/(кг·К));
σ - постоянная Стефана-Больцмана (5,670373×10-8 Вт·м-2·К-4);
α - альбедо рельса - 0.6;
h - толщина рельса (м);
SWDOWN - среднее за временной интервал значение потока приходящей коротковолновой радиации, требуемая размерность - Вт/м2, положительное значение соответствует направлению вниз;
GLW - среднее за временной интервал значение потока приходящей длинноволновой радиации, требуемая размерность - Вт/м2, положительное значение соответствует направлению вниз;
HFX - среднее за временной интервал значение турбулентного потока тепла, требуемая размерность - Вт/м2, положительное значение соответствует направлению вверх;
LH - среднее за временной интервал значение потока тепла за счет конденсации влаги в атмосфере, требуемая размерность - Вт/м2, положительное значение соответствует направлению вверх.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения высот изотерм в мощных конвективных облаках. Сущность: измеряют наименьшую радиационную температуру теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, температуру воздуха у поверхности Земли, соответствующую этому же району, приземное атмосферное давление и высоту нижней границы облачности.

Изобретение относится к метеорологическому приборостроению и может быть использовано для предупреждения экипажа воздушного суда (ВС) о слепящем воздействии низко расположенного над горизонтом солнца при посадке.
Изобретение относится к дистанционным способам радиационных исследований и может быть использовано для выявления радиационных загрязнений поверхности Земли. Сущность: на основе анализа излучений в инфракрасном диапазоне частот 8-14 мкм создают карты распределения латентного тепла в атмосфере.

Изобретение может быть использовано для определения океанографических характеристик и выявления их пространственного распределения. Сущность: система включает подспутниковые (судовые) и спутниковые средства измерений океанографических характеристик.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения вертикального профиля концентрации различных газов в атмосфере. Сущность: измеряют собственное излучение атмосферы и фона на некотором наборе частот в окрестности линии поглощения измеряемого газа.

Изобретение может быть использовано для определения океанографических характеристик и выявления их пространственного распределения. Сущность: система включает подспутниковые (судовые) и спутниковые средства измерений океанографических характеристик.

Изобретение относится к области воздушного радиационного мониторинга. Сущность: получают изображения участков в диапазоне видимых длин волн, а также в диапазоне длин волн флуоресценции атмосферного азота под воздействием ионизирующих излучений с помощью матричных фоточувствительных детекторов.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения высот изотерм в мощных конвективных облаках. Сущность: измеряют наименьшую радиационную температуру () теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, а также температуру воздуха у поверхности Земли, соответствующую этому же району.

Изобретение относится к экологическим системам сбора и обработки информации и может быть использовано для диагностики состояния атмосферы промышленного региона.

Изобретение относится к области построения доплеровских лидаров и лазерных доплеровских измерителей скорости, предназначенных для измерения скорости ветра и выявления турбулентных процессов в атмосфере.

Изобретение относится к области океанологии и может быть использовано для получения полей температуры океана в оперативном режиме. Заявлен способ оценки температуры поверхности океана по измерениям спутниковых микроволновых радиометров путем получения значений радиояркостных температур (Тя) по радиометрическим каналам и вычисления значения температуры поверхности океана (Ts) с использованием зависимости, учитывающей значение радиояркостных температур и коэффициентов настроенной Нейронной Сети. Используются четыре радиометрических канала, которые имеют следующие частоты и поляризационные режимы: υ1=6.9 ГГц горизонтальной поляризации, υ2=6.9 ГГц вертикальной поляризации, υ3=10.65 ГГц горизонтальной поляризации и υ4=10.65 ГГц вертикальной поляризации. Моделируется ослабление излучения слоем осадков до 30 мм/ч, что позволяет получать оценки температуры поверхности океана в широком диапазоне состояний океана и атмосферы для всего диапазона температур океана в условиях, включающих наличие мощной облачности и осадков до 30 мм/ч. Технический результат - повышение точности и достоверности получаемых данных.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки интегральной влажности атмосферы над океаном. Сущность: получают значения радиояркостных температур по четырем радиометрическим каналам, имеющим частоты 18,7 ГГц и 36,5ГГц горизонтальной поляризации и 23,8 ГГц вертикальной и горизонтальной поляризаций. Вычисляют значения интегральной влажности с использованием зависимости, учитывающей значения радиояркостной температуры и коэффициентов настроенной Нейронной Сети. При этом численные значения упомянутых коэффициентов настроенной Нейронной Сети получают математическим моделированием уходящего излучения системы Океан - Атмосфера и проведением численного эксперимента с использованием Нейронных Сетей в качестве оператора решения обратной задачи с последующей настройкой способа на совмещенных в пространстве и во времени глобальных спутниковых и наземных измерениях. Технический результат: повышение точности оценки, расширение диапазона условий применения.

Изобретение относится к области дистанционного мониторинга природной среды и касается способа определения объема выбросов в атмосферу от природных пожаров. Способ включает синхронную съемку поверхности установленными на космическом носителе цифровой видеокамерой и гиперспектрометром, выделение методами пространственного дифференцирования функции яркости видеоизображения контура пожара, калибровку яркости пикселей внутри контура, расчет по измерениям гиперспектрометра концентрации вредных выбросов от пожара по эталонному затуханию дважды прошедшего атмосферу светового луча в полосе поглощения кислорода 761…767 нм и его затуханию в видимом диапазоне. Объем выбросов определяется из соотношения V=mΣ·S·H·A, где mΣ - средняя концентрация вредных выбросов от пожара, S - площадь контура пожара, Н - высота источника выбросов (древостоя), А - метеорологический коэффициент высотной температурной стратификации атмосферы. Технический результат заключается в обеспечении возможности количественного определения объема выбросов. 8 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области физики атмосферы и атмосферного электричества и может быть использовано для обнаружения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы и определения их пространственно-временных масштабов. Сущность: проводят синхронную регистрацию сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций в нескольких точках, разнесенных в линию на фиксированные расстояния, с заданным временным разрешением над земной поверхностью на фиксированной высоте. Измеряют горизонтальную скорость воздушного потока с последующим определением ее среднего значения за время измерения. Строят усредненную структурную функцию аэроэлектрических турбулентных пульсаций и кривую ее аппроксимации. Выявляют когерентные турбулентные структуры приземной атмосферы по наличию уровня постоянных значений структурной функции. Измеряют временной интервал регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций, соответствующих когерентным турбулентным структурам приземной атмосферы. Определяют высоту когерентных турбулентных структур приземной атмосферы по горизонтальной координате точки пересечения уровня постоянных значений и кривой аппроксимации усредненной структурной функции. Определяют ширину когерентных турбулентных структур приземной атмосферы как произведение среднего значения горизонтальной скорости воздушного потока на временной интервал регистрации сигналов аэроэлектрических турбулентных пульсаций. Технический результат: повышение точности определения когерентных турбулентных структур атмосферного пограничного слоя. 3 ил.

Изобретение относится к области океанографии и может быть использовано для определения характеристик поверхностных морских течений. Сущность: двухполяризационные радиолокационные изображения трансформируют в два новых изображения, которые несут информацию о спектре коротких Брэгговских волн и обрушений ветровых волн. Посредством совместной обработки полученных изображений определяют величину дивергенции течений, а также ее продольный и поперечный размеры. Технический результат: возможность определения характеристик поверхностных морских течений в любой точке Мирового океана при любых освещенности и облачности.

Изобретение относится к способам исследований атмосферных электрических полей. Сущность: осуществляют мониторинг характеристик рассеянного атмосферой поляризованного солнечного света в плоскости, нормальной к вектору, ориентированному от контролируемой области пространства в направлении на Солнце. Сравнивают характеристики поляризованного света, регистрируемые аппаратурой мониторинга в двух взаимно ортогональных плоскостях. Причем мониторинг осуществляют с платформы наведения, установленной на борту высотного летательного аппарата или естественного спутника планеты. В процессе мониторинга для разных моментов времени синхронно вычисляют параметры двух векторов: вектора, ориентированного от контролируемой области пространства, в том числе над облаками, в направлении на Солнце, и вектора, ориентированного от аппаратуры мониторинга в направлении на контролируемую область пространства. Ориентируют аппаратуру мониторинга по вектору, ориентированному в направлении на контролируемую область пространства. Осуществляют мониторинг характеристик рассеянного атмосферой поляризованного солнечного света в периоды, когда угол между синхронно вычисленными векторами находится в пределах не менее 45° и не более 135°. Технический результат: повышение оперативности, расширение функциональных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для прогнозирования штормовых подъемов уровней воды или наводнений. 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”. При анализе прогностического срока “наводненческой ситуации” рассчитывают число штормов с заданной непрерывной продолжительностью для заданной доверительной вероятности штормовых условий. Выявляют промежуток времени, в пределах которого скорость ветра позволяет выполнить безопасный переход судна. Определяют пространственное распределение фазы колебаний акватории по измерениям высоты уровня моря посредством альтиметрических спутников. Выделяют приливные и сейшевые колебания уровня моря. Технический результат: расширение функциональных возможностей. 8 ил.
Изобретение относится к системам освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности. Сущность: система включает средства мониторинга гидрометеорологической обстановки в регионе размещения морских объектов хозяйственной деятельности, средства определения характеристик ледовых образований, средства защиты от воздействия ледовых образований, средства отображения ледовых образований, систему контроля состояния кессона, командно-управляющий комплекс, соединенный со средствами мониторинга гидрометеорологической обстановки, средствами определения характеристик ледовых образований и средствами защиты от воздействия ледовых образований. Причем средства защиты от воздействия ледовых образований выполнены способными выдерживать нагрузку, сравнимую с критической нагрузкой, возникающей при ударе ледяного массива. Система контроля состояния кессона включает датчик деформации для измерения ледовых нагрузок на кессон, инклинометр для измерения наклонов кессона, грунтовой динамометр для измерения нагрузки на грунт, преобразователь давления (пьезометр) для измерения и оценки возможного повышения избыточного давления в грунтах от динамических горизонтальных нагрузок. Средства защиты от воздействия ледовых образований выполнены в виде подводных и надводных модулей. При этом подводные модули снабжены холодильными агрегатами. Надводные модули выполнены в виде выдвижных конструкций и беспилотных летательных аппаратов, снабженных устройствами автоматического дозирования химических реагентов, наносимых на ледовое образование, в виде карбида кальция. Технический результат: повышение надежности защиты морских объектов хозяйственной деятельности в периоды льдообразования, дрейфа и торошения ледяных полей, расположенных в условиях как мелкого, так и глубокого морей. 2 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к сфере космических исследований и технологий и может быть использовано для изучения вулканического состояния Марса. На Марсе осуществляют вскрытие бурением закупоренных фумарол. С помощью газоаналитической и/или видеоаппаратуры устанавливают наличие или отсутствие струи истечения фумарольных газов. Обеспечивается исследование ресурсов Марса в аспекте возможности увеличения массы и объема его атмосферы за счет фумарольных газов.
Изобретение относится к сфере космических исследований. Осуществляют распыление водяного пара в атмосфере Марса. Водяной пар получают нагреванием из водяного льда сезонно убывающих полярных шапок Марса. Обеспечивается локальное увеличение встречного теплового излучения атмосферы Марса.
Наверх