一种遥测自动气象站系统及其预测气象方法与流程

本发明涉及气象预报技术领域，尤其涉及一种遥测自动气象站系统及其预测气象方法。

背景技术：

气象站是用于气象预报、气象监测等气象服务领域的设备，通常能够测量风速、温度湿度、大气压等，如今被广泛的应用于气象、海洋、林业、港口等领域。但特殊地理位置地区往往存在气象站难以维护，气象数据难以采集，气象数据维护不准确等问题，且导致了气象预报不准确是亟待解决的气象遥测领域的问题。因此，一种遥测自动气象站能改善气象观测业务条件、降低观测成本，实现良好人机交互。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种带有时间信息的气象预测结果，能够提高气象预报准确度的气象站数据维护良好，降低观测成本，能够实现良好人机交互的遥测自动气象站系统及其预测气象方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种遥测自动气象站预测气象方法，通过构建气象模拟模型后，通过所述气象站采集气象数据进行预测气象，包括以下步骤：

1)建立可压缩欧拉方程：

其中，所述ρ为密度，所述p为压力，所述u为所述气象站的速度矢量，所述g为重力系数，所述ω为表示地球自转的矢量，所述p和所述q分别为动量和能量方程的物理参数化，所述θ为位温，位温为把干空气块绝热膨胀或压缩到标准气压(1000hpa)时的温度；

2)对所述压力p进行静水压近似，公式如下：

其中z为垂直坐标位置；利用静水压近似，即向上的压力梯度力(即压力随高度的降低)被地球向下的重力牵引所平衡；

3)对所述气象预报数据结果y赋予时间信息：

其中，所述y是预测变量，系统得到适当的初始和边界条件的补充；

4)赋予所述气象预报数据结果y时间积分，构建基于欧拉方程的时间积分模型：

其中，所述yh是空间离散的预后变量的向量，所述rh(yh，t)在模型域的所有空间位置处求解到所需的时间精度；

5)对时间间隔δt内的气象数据进行预报求解：

其中，所述n代表时间水平，所述δt为n时刻与n+1时刻的时间差，δt＝tⁿ⁺¹-tⁿ，所述α为进行时间近似的时间间隔，所述和所述为模型解的组合；rh(yh，t)包括空间离散平流项和描述波传播的项。

进一步地，所述θ＝t/π，其中t为温度，π为exner压力，公式如下：

其中，p0为参考压力，r气体常数，cp为定压热容。

进一步地，所述步骤1)中的p的状态方程如下：

其中，cv为恒定体积下的热容。

本发明还提供采用上述的预测气象方法的遥测自动气象站系统，包括信息采集模块、gprs通信模块、电源模块、cpu主控模块、数据存储模块、实时时钟模块、数据分析处理模块、人机交互模块。

进一步地，所述信息采集模块分别与气温传感器、气压传感器、湿度传感器与风速传感器通信连接。

进一步地，所述电源模块由太阳能电池板和蓄电池组成，为气象站供电。

进一步地，所述人机交互模块与远程计算机通信连接，通过远程计算机读取各传感器工作数据，进行实时数据查询显示、数据图形化输出、数据异常警报、站点信息管理和数据信息导出。

进一步地，所述信息采集模块具有rs485传感器接口、a/d接口、i/o接口和脉冲计数器接口。

进一步地，所述实时时钟模块使得所述信息采集模块所采集到的数据带有准确的时间信息。

进一步地，所述数据分析处理模块通过对所采集到的数据进行对比分析，判断其合理性，然后再对数据进行处理，保证数据质量以及数据的真实有效性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用计算机远程操作进行运行监控功能，通过命令查看和分析自动气象站运行的情况，监控其运行状态，并提供有效的维护保养，保证气象站稳定运行。

信息采集模块主要功能是采集需要观测的气象要素值，是由气象传感器测量得到的，气象传感器要求具有较长的使用寿命和较低能耗。由于各种气象传感器类型不同，工作原理和输出信号也不相同，因此，信息采集模块在设计时，预留了多种接口以方便不同传感器接入。

本发明提供的遥测自动气象站预测气象方法，通过构建气象预测模型，将所采集到的数据离散化，通过离散控制天气和气候模型的方程，并赋予时间信息，进行时间积分，提高了解的准确性，将解赋予时间化解决了不确定度量化的有效性，使得气象预测更加准确，同时提高了数据的稳定性、预测系统的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明提供的一种遥测自动气象站预测气象方法的流程图；

图2为本发明提供的遥测自动气象站系统模块图；

图3为本发明提供的遥测自动气象站系统数据处理及人机交互流程图；

图4为本发明提供的信息采集模块预留的传感器接口及对应的传感器类型图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明提供的一种遥测自动气象站预测气象方法的流程图，通过构建气象模拟模型后，通过气象站采集气象数据进行预测气象，包括以下步骤：

1)建立可压缩欧拉方程：

其中，ρ为密度，p为压力，u为气象站的速度矢量，g为重力系数，ω为表示地球自转的矢量，p和q分别为动量和能量方程的物理参数化，θ为位温；

2)对压力p进行静水压近似，公式如下：

其中，z为垂直坐标位置；

3)对气象预报数据结果y赋予时间信息：

其中，y是预测变量，系统得到适当的初始和边界条件的补充；

4)赋予气象预报数据结果y时间积分，构建基于欧拉方程的时间积分模型：

其中，yh是空间离散的预后变量的向量，rh(yh，t)在模型域的所有空间位置处求解到所需的时间精度；

5)对时间间隔δt内的气象数据进行预报求解：

其中，n代表时间水平，δt为n时刻与n+1时刻的时间差，δt＝tⁿ⁺¹-tⁿ，α为进行时间近似的时间间隔，和为模型解的组合。

步骤1)中的θ＝t/π，其中t为温度，π为exner压力，公式如下：

其中，p0为参考压力，m为气体常数，cp为定压热容。

步骤1)中的p的状态方程如下：

其中，cv为恒定体积下的热容。

通过构建气象模拟模型使所采集到的气象数据整体数值离散化，提高了算法效率和解决方案的物理忠实表示程度，同时采用时间积分策略，赋予所采集到的数据时间特征，解决了预测的时间成本，提高了预测效率与准确度、精确度和数值稳定性。

如图2所示，为本发明提供的采用上述预测气象方法的遥测自动气象站系统，包括信息采集模块、gprs通信模块、电源模块、cpu主控模块、数据存储模块、实时时钟模块、数据分析处理模块、人机交互模块。

信息采集模块分别与气温传感器、气压传感器、湿度传感器与风速传感器通信连接。实时时钟模块使得信息采集模块所采集到的数据带有准确的时间信息。数据分析处理模块通过对所采集到的数据进行对比分析，判断其合理性，然后再对数据进行处理，保证数据质量以及数据的真实有效性。电源模块由太阳能电池板和蓄电池组成，为气象站供电。

如图3所示，信息采集模块采集信息数据后经过gprs数据传输模块传输，然后经过数据存储模块存储后，进一步通过数据分析处理模块比对筛选，最终人机交互模块与远程计算机通信连接，通过远程计算机读取各传感器工作数据，进行实时数据查询显示、数据图形化输出、数据异常警报、站点信息管理和数据信息导出。

主要实现的功能为数据收集、数据处理、数据存储、数据传输、数据质量控制以及运行监控。数据采集功能是通过各个气象要素传感器实现的，将收集到的信息转化为电信号，从而获取当前气象信息。通过数据处理，将采集到的电信号通过计算，变成准确的数据信息。数据存储功能是将采集到的数据信息存储在存储期内以方便调用。数据传输功能一般通过gprs通信模块将数据信息传输给远程计算机。数据分析处理模块对所采集到的数据进行数据质量控制，通过对数据进行对比分析，判断其合理性，然后在对数据进行处理，保证数据质量以及数据的真实有效性。采用计算机远程操作进行运行监控功能，通过命令查看和分析自动气象站运行的情况，监控其运行状态，并提供有效的维护保养，保证气象站稳定运行。

如图4所示，信息采集模块主要功能是采集需要观测的气象要素值，是由气象传感器测量得到的，气象传感器要求具有较长的使用寿命和较低能耗。由于各种气象传感器类型不同，工作原理和输出信号也不相同，因此，信息采集模块在设计时，预留了多种接口以方便不同传感器接入，具有rs485传感器接口、a/d接口、i/o接口和脉冲计数器接口。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。