基于移动电子装置的天气观测方法及系统与流程

本发明涉及气象数据的观测方法及设备，特别是一种基于移动电子装置的天气观测方法及系统。

背景技术：

已知的气象数据大致上是通过地面的气象站(weatherstation)、气象观测卫星和气象雷达取得，地面的气象站内通常设置有气压计、温度计、雨量计、风向标以及风速计等被动式传感器来量度各种气象要素，一般气象站测量的基本气象要素包括温度、湿度、风向、风速、气压和雨量，气象站可以定时执行地面天气观测进而生成和发送气象观测数据，提供给天气分析预报使用。目前中央气象局所属的气象站、气象雷达站以及与其他单位共同设立的合作气象站等共四十余处，但是气象站的设置数量及分布情形受地理环境和地形等因素限制，难以在地理位置上达到均匀覆盖的效果。

在无法设置气象站的区域则是使用气象卫星或气象雷达量度各种气象要素；其中气象卫星位于太空，可以俯视地球上广阔的区域，可以进行台风的侦测，特别是台风在远洋时就可侦测了，而且可看到整个台风云系的分布情况。气象雷达为由地面往空中进行观测，通过不同仰角的扫瞄，可提供3度空间观测数据，它的最大观测半径范围可达460公里，但在观测上会受到地形遮挡及干扰的影响。由于雷达观测到的云雨系统距离较近，所以具有较高的空间分辨率。当台风进入雷达观测范围后，雷达可以提供较为精确的台风中心位置、移动方向、回波强度及环流强度等观测信息。

气象卫星主要以可见光、红外线及水气频道三种波段来侦测台风。可见光是利用物体表面对太阳光的反射率来观测，看到的是云层覆盖的区域及厚度；红外线是利用物体辐射强度，也就是云顶的不同温度来判断云的发展情形；水气频道则是利用水气对6.7微米的辐射吸收最显著的原理，分析大气中、高层水气分布状况。另外，绕极轨道气象卫星尚可提供微波频道，来侦测大气中水气含量及云中含水量。但是气象卫星的观测数据通常需要半小时甚至更长的时间才能收到一次，气象观测数据的更新速度较慢。

在已公开的中国发明专利公开号cn1108770a提出了一种天气预测表，其中配置有用于测量大气压变化的压力传感器，这种天气预测表的指针中的一个可以指示所述测得的压力变化，而所述指针中的另一个可以同时指示作为所述和压力变化的函数的天气预测。这种天气预测表只有依据天气预测表所在位置取得的压力变化进行天气预测，难以获得准确的天气预测结果。

在已公开的中国台湾发明专利公开编号201508312(以下简称312’专利)的“天气预测方法、设备和系统”，提出的天气预测方法包括：第一终端获取第一终端对应的环境信息，向服务器发送环境信息，使得服务器根据接收到的至少一个第一终端对应的天气数据，获取每个第一终端对应的地理位置对应的一定范围内的区域的天气预测信息，第一终端对应的地理位置位于该区域中；获取服务器发送的该区域的天气预测信息。

上述312’专利技术采用众包的方式，由第一终端采集环境信息，以分担获取环境信息的任务；其中用于采集环境信息的装置是为实现该312’专利方法而制造的专用装置，就该方法的系统端而言虽然降低了天气预测的人力成本，并分摊了设备成本，但是这个装置的购置费用完全由使用者负担，而且仅有单一用途，仅有少数使用者或是特定的使用族群才会购置，可以预见的是这种作为上述方法的第一终端的专用装置的普及率极低，应该不易达到该312’专利声称“可以提高了环境信息采集的覆盖率，保证了天气预测的时效性，进而提高了天气预测的准确率”的功效。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于提出一种基于移动电子装置的天气观测方法及系统。

本发明基于移动电子装置的天气观测方法的一种实施例，包括下列步骤：依据默认的取样频率通过移动电子装置的传感器在统一的观测时间点取得移动电子装置所在的地理位置的位置数据和至少包含气压值的气象观测数据；依据位置数据所属的地理网格，计算所述取得的气压值和最近一次在相同地理网格取得的气压值之间的差值作为气压值的变动量；当气压值的变动量超过预设的一阈值，通过数据通讯网络将所述的位置数据和气压变动量通过数据通讯网络上传至一中央处理设备；通过一天气分析算法分析上传至中央处理设备的气压值的变动量，产生该位置数据所属的地理网格的气象分析结果；以及通过数据通讯网络提供所述的气象分析结果。

本发明基于移动电子装置的天气观测方法的一实施例，进一步包括提供可以在该移动电子装置运行的一移动应用程序，用以控制移动电子装置取得所述的位置数据和至少包含气压值的气象观测数据，并且通过数据通讯网络将所述的位置数据和气压变动量通过数据通讯网络上传至一中央处理设备。

其中在统一的观测时间点取得一实时观测数据的步骤包含：取得因特网时间作为该统一的观测时间点的标准时间。

本发明基于移动电子装置的天气观测方法的一实施例，进一步包括通过该数据通讯网络取得该中央处理设备提供的该气象分析结果，并且显示于该移动电子装置的输出界面。

本发明基于移动电子装置的天气观测系统的一种实施例，包括：一移动电子装置和一中央处理设备；

其中移动电子装置至少具有：至少一种气象要素传感器、一定位模块、在移动电子装置运行的一移动应用程序、一数据通讯模块和一储存于该移动电子装置的预先定义的地理网格数据；该气压传感器用以侦测该移动电子装置所在地理位置的气压值；该定位模块用以取得该移动电子装置所在地理位置的位置数据；该数据通讯模块用以和该中央处理设备通讯连接；

该移动应用程序是用于执行下列动作，包括：依据默认的取样频率通过该气象要素传感器和该定位模块在统一的观测时间点取得一实时观测数据，该实时观数据报含该移动电子装置所在的地理位置的位置数据和气象观测数据，该气象观测数据至少包括气压值；对照该地理网格数据取得该位置数据所属的地理网格，当该位置数据所属的该地理网格和最近一次取得的实时观测数据中的位置数据所属的地理网格相同时，计算该实时观测数据中的该气压值和最近一次实时观测数据中的气压值的变动量；以及当该气压值的变动量超过预设的一阈值，通过数据通讯网络将该实时观测数据中的该位置数据、该气象观测数据和该气压值的变动量通过数据通讯网络上传至一中央处理设备；

该中央处理设备通过一天气分析算法分析上传至该中央处理设备的该气象观测数据和该气压值的变动量，并且依据该位置数据产生该位置数据所属的地理网格的气象分析结果；以及通过数据通讯网络提供该气象分析结果。

其中移动电子装置包含：智能型手机、平板计算机和智能型手表其中的任一种。

其中气象要素传感器包括：气压传感器、气温传感器和湿度传感器。

其中气象观测数据进一步包括气温和湿度其中任一者。

其中是以因特网时间作为该统一的观测时间点的标准时间。

本发明基于移动电子装置的天气观测系统的一种实施例，其中移动应用程序进一步包括通过数据通讯网络取得中央处理设备提供的该气象分析结果，并且显示于移动电子装置的输出界面。

其中取样频率为1次/分钟，位置数据为gps坐标。

其中气象分析结果包括：台风中心位置、台风移动路线、剧烈天气变化和低空风切其中的任一种。

其中阈值为正负0.1hpa。

本发明的优点和功效在于，基于移动电子装置的高普及率，通过数量庞大而且地理位置分布广大的移动电子装置取得气象观测数据，本发明进一步将地理环境划分为多个不同的地理网格，利用分布于每个地理网格中可以预期的大量移动电子装置取得该地理网格的气压值及/或其他的气象要素(如气温和湿度)，可以实现准确且快速的天气观测和气象分析的功能，而移动电子装置的用户也可以方便地通过数据通讯网络取得前述的气象分析结果。

有关本发明的其它功效及实施例的详细内容，配合图式说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明基于移动电子装置的天气观测方法的一种实施例的步骤流程图；

图2是本发明基于移动电子装置的天气观测系统的一种实施例的系统架构图；

图3是基于移动电子装置的天气观测系统中的移动电子装置的一种实施例的功能方块图；

图4是本发明基于移动电子装置的天气观测方法的一实施方式示意图，绘示地理格网的一种实施方式。

符号说明

10移动电子装置11气压传感器

12移动应用程序13定位模块

14数据通讯模块15气温传感器

16湿度传感器17输出界面

20中央处理设备21天气分析算法

30地理网格数据

具体实施方式

在下文的实施方式中所述的位置关系，包括：上，下，左和右，若无特别指明，皆是以图式中组件绘示的方向为基准。

本发明基于移动电子装置的天气观测方法及系统的技术方案，基本上是通过数量庞大而且地理位置分布广大的移动电子装置10取得气象观测数据(见图2)，较佳的移动电子装置10是现代社会中非常普及的智能型手机(又称智能型移动电话)、平板计算机和智能型手表其中的任一种，通过这类移动电子装置10普遍都有配置的气压传感器11(或称气压传感器)或其他可用于侦测气象要素的传感器(见图3)，以及运行在这些移动电子装置10中的移动应用程序12，收集移动电子装置10所在位置的位置数据和至少包含气压值的气象观测数据，所述气象观测数据的较佳实施方式还可以包括气温和湿度这些气象要素，将这些大量而且涵盖广大地理区域的气象观测数据上传至中央处理设备20，通过天气分析算法21分析这些气象观测数据即可产生相应的气象分析结构，进而实现准确且快速的天气观测和气象分析的功能。

首先请参阅图1，是本发明基于移动电子装置的天气观测方法的一种实施例的步骤流程图。本发明方法包括下列步骤：

a.依据默认的取样频率通过移动电子装置的传感器在统一的观测时间点取得一实时观测数据，其中实时观测数据报含移动电子装置所在的地理位置的位置数据和气象观测数据，所述的气象观测数据至少包括气压值；

b.对照预先定义的地理网格数据取得位置数据所属的地理网格；例如：依据位置数据通过查找预先定义的地理网格的数据取得位置数据所属的地理网格，如图4绘示的一种实施方式是将某一地理区域划分为多个矩形的地理网格，例如将每一个地理网格的大小设定为100米＊100米的正方形，可以让气象分析的范围缩小至较小的地理区域；

c.当位置数据所属的地理网格和最近一次取得的实时观测数据中的位置数据所属的地理网格相同时，计算实时观测数据中的气压值和最近一次实时观测数据中的气压值的变动量；

d.当该气压值的变动量超过预设的一阈值，通过数据通讯网络将该实时观测数据中的该位置数据、该气象观测数据和该气压值的变动量通过数据通讯网络上传至一中央处理设备；

e.通过天气分析算法分析上传至该中央处理设备的该气象观测数据和该气压值的变动量，并且依据该位置数据产生该位置数据所属的地理网格的气象分析结果；以及

f.通过数据通讯网络提供该气象分析结果。

在本发明的较佳实施方式，基本上是提供可以在该移动电子装置10运行的一移动应用程序12(mobileapplication,app)，用以执行上述方法的步骤a至步骤d的动作；简言之，就是由移动应用程序12控制移动电子装置10取得所述的位置数据和至少包含气压值的气象观测数据，并且通过数据通讯网络将所述的位置数据和气压变动量通过数据通讯网络上传至中央处理设备20。

本发明方法的较佳实施方式，其中取样频率的是1次/分钟，其中阈值为正负0.1hpa，并且以因特网时间(internettime)作为统一的观测时间点的标准时间。因此，多部在不同或相同的地理网格的移动电子装置10，都可以参照一致的因特网时间，并且在每个时间整点，例如：13:01:00、13:02:00、13:03:00(余此类)等等整一分钟的观测时间点取得实时观测数据。

在本发明方法的较佳实施方式，上述的步骤c和步骤d基本上是要实现在同一个地理网格作持续的气压观测，而且只有在同一个地理网格的最新的二次观测取得的气压值的变动量(就是计算当前侦测获得的气压值和最近一次侦测获得的气压值的差值)超过预设的阈值，才会将气压值的变动量上传至中央处理器20，例如：同一个地理网格在13:01:00侦测获得的气压值为980.1hpa，在下一分钟13:02:00侦测获得的气压值为980.3hpa，气压值的变动量为0.2hpa(980.3–980.1＝0.2)，就将13:02:00的位置数据和气压值的变动量(0.2hpa)上传至中央处理设备20；利用同一个移动电子装置10最新的二次观测取得的气压值的自我比较，本身前后不同时间点的气压差，可去除气压传感器精确度的校准问题，另一方面，只有在气压值的变动量超过预设的阈值才会上传数据的方式，也可以减少中央处理设备20的负荷。反之，若是某一部移动电子装置10在相邻的前后两个观测时间点是在不同的地理网格，则表示该移动电子装置10已经移动至另一个地理网格，在另一个地理网格第一次观测取得气压值就不需要作气压值的变动量计算，直到在这个地理网格观测取得第二个气压值才会和前一次观测取得的第一个气压值进行比较并且计算气压值的变动量。

本发明方法的一实施例，进一步包括通过数据通讯网络取得中央处理设备20提供的气象分析结果，并且显示于移动电子装置10的输出界面17(见图3)，所述输出界面17包括显示器和喇叭其中任一种或其组合，通过文字、图形或声音告知用户气象分析结果。

请参阅图2，是本发明基于移动电子装置10的天气观测系统的一种实施例的系统架构图，包括：移动电子装置10和一中央处理设备20。

图3是移动电子装置10的一种实施例功能方块图，移动电子装置10至少具有：至少一种气象要素传感器用于感测气象要素(例如气压、气温、湿度等)、一定位模块13、在移动电子装置10运行的一移动应用程序12、一数据通讯模块14和一储存于移动电子装置10的预先定义的地理网格数据30；在本发明系统的较佳实施例，移动电子装置10至少需要配置有一气压传感器11，气压传感器11用以侦测移动电子装置10所在的地理位置的气压值；定位模块13用以取得移动电子装置10所在地理位置的位置数据(例如gps坐标)，定位模块13例如是gps定位器及/或agps定位模块；数据通讯模块14用以和中央处理设备20通讯连接，数据通讯模块14例如是使用全球移动通讯系统(globalsystemformobilecommunication,gsm)和wi-fi技术其中任一种的数据通讯模块14。

已知大部分的智能型手机都配置有气压传感器11，基本上是实现本发明方法和系统的较佳实施方式，较佳的实施方式还可以包括其他可用于侦测气象要素的传感器，例如气温传感器15和湿度传感器16，换言之，配置有更多可用于侦测气象要素的传感器的移动电子装置10更佳。

中央处理设备20的较佳实施方式是一种可以运行天气分析算法21的电子装置，例如计算机或服务器；中央处理设备20通过数据通讯网络与移动电子装置10通讯连接，中央处理设备20通过天气分析算法21处理和分析上传的气象观测数据并产生该位置数据所属的地理网格的气象分析结果，然后通过数据通讯网络提供气象分析结果。

较佳地，其中移动应用程序12的功能进一步包括：通过数据通讯网络取得中央处理设备20提供的气象分析结果，并且显示于移动电子装置10的输出界面17。所述输出界17面包括显示器和喇叭其中任一种或其组合。因此，移动电子装置10的用户可以随时获取最近的天气分析报告或是天气变化的警告信息。

依据本发明方法和系统的上述实施方式，众多使用者持用的上述移动电子装置10都能负责收集和提供实现本发明方法所需的气象观测数据，而且这些用户都分布在广大的地理区域，这表示本发明方法和系统能进一步准确地对不同地理区域提供气象观测的服务；因此，在本发明方法和系统的较佳实施方式，中央处理设备20在收到多个移动电子装置10上传的气象观测数据之后，中央处理设备20依据这些气象观测数据及其位置数据查找已储存在中央处理设备20之中预先定义的地理网格数据30，中央处理设备20将属于不同的地理网格的气象观测数据通过天气分析算法21，产生和各个地理网格相应的气象分析结果，由于移动电子装置10的高普及率和庞大的数量，可以收集到大量的气象观测数据，通过本发明方法和系统更可以实现小区域例如行政区、乡或镇等级的气象分析。和现有气象预测系统是通过数量有限而且分布位置较分散的气象站获取气象信息的技术相比，本发明方法和系统更能实现小区域的气象分析并提高其准确度。

依据已知的文献可以了解，通过观测气压的变化可以实现天气预测或是提早发现剧烈天气变化(例如雷雨、豪雨或是风切等)。兹列举部分相关文献如下。

(1)国际民航组织文件：低空风切手册(doc9817-an1449)提到气压传感器(微型气压计)装设在机场周遭来侦测阵风锋面冷空气等所引起的气压跳升(pressurejump)，在某些情况下，可侦测到阵风锋面的时间比地面风所测到的时间，提早三分钟。两地间气压梯度越大，风速越大；两个时间点间气压改变，风场也会跟着改变。气压变动可反应气压梯度和气压在时间上的改变。

借着单一测站，前后时间气压差，去除多个气压差为零，以所剩气压值大于零，来计算气压差的标准偏差，再以大于一个标准偏差与风切分析。虽然机场自动化气象观测系统(automaticweatherobservationsystem,awos)使用的数字微型气压计精确度为正负(+-)0.1hpa，但是借着单一测站，本身前后时间气压差，可去除气压计精确度的问题。

(2)蒲金标等人(2014,2015,2016,2017)的研究显示松山、桃园和马祖南竿机场气压差的一个标准偏差(σ)为正负(+-)0.1hpa，风切警告与大于一个标准偏差有密切相关，且大于一个标准偏差超过气压计精确度。

(3)wakimoto(1982)认为阵风锋面经过测站，常带来气压上升和气温下降、风向突变以及风速突增的现象，是造成低空风切的原因之一。

(4)在雷雨阵风锋面来临和大雷雨引发气压跳升时，通过气压超过1个标准偏差(standarddeviation)时，能侦测到低空风切现象的发生。通常气压突降或跳升现象，升降幅度越大，低空风切越强。

(5)bedard(1977)研究显示气压跳升为每分钟气压上升高过0.169hpa，气压跳升的时间和幅度，可以侦测到的是3分钟内气压突然上升0.5hpa。

(6)shrefferandbinkowski(1981)，观测到雷暴雨外流引发气压上升1.5hpa。

(7)wakimoto(1982)认为气压变化由降而升，再由升而趋正常，整个过程所需时间约为15分钟，雷雨发生，短时间气压会有5-7hpa的变化。

(8)蒲金标等人(2015)，研究台风侵袭松山机场气压每分钟有最大变动幅度2.7hpa的变化。

(9)vianaetal，(2007)以短时间地面气压大变动(pressurefluctuations)来研究大气边界层(atmosphericboundarylayer)的特性。并分析标准偏差(σp70)与乱流的相关，认为风切控制了气压的变动。

(10)蒲金标等人(2015,2016,2017)，改以气压变动超过1个标准偏差的时段和频率，能监测更大部分低空风切现象(包含飞行员有风切报告)的发生，显见以气压大变动超过1个标准偏差为标准，来侦测低空风切更佳。

在稳定大气之下，一般气象要素如气压的观测，其每分钟前后观测数值的变动幅度，通常是在一定范围内，若变动范围是近似于常态分布，约68％或95％数值分布在1个或2个标准偏差之内。反之，在不稳定大气影响下，该些气象要素变动大，可能会超出1个或2个标准偏差，同时也代表会发生剧烈天气变化。

观测气压的变化的一种实施方式是通过单一观测点的微型气压计，观测前后一分钟气压标准偏差，有其好处：(1)不需考虑仪器本身误差；(2)不需考虑温度订正；(3)不需考虑纬度订正；以及(4)不须高度或海平面订正。这些好处可以使得大数据的数据处理变得较为容易。

将气压在一段时间内给予平均，平均的结果，将剧烈天气所反映气压的极端数据加以去除，气压变动观测和计算气压变动量的标准偏差都是进一步观测剧烈天气现象的基础。其实在综观气压观测，就有三小时的气压趋势预测的概念，而气压变动观测则是以每分钟为单位时间，两者的概念是相同的。

在本发明方法和系统的一较佳实施方式，中央处理设备20通过统计的方式计算每个地理网格的气压值的单位时间变化量的标准偏差，将1或2个该标准偏差设为对应该地理网格的阈值，在其中某一地理网格的气压值的单位时间变化量超出对应的该阈值时，推定该地理网格发生变化并通过该天气分析算法21生成相应的气象分析结果。其中所述的气象分析数据报括：台风中心位置、台风移动路线、剧烈天气变化和低空风切其中的任一种。

其中气压值的单位时间变化量的一较佳实施方式是每分钟(单位时间)观测或计算气压变动值，气压值的单位时间变化量的标准偏差计算公式如下列式1和式2表示：

(式1)

其中：yi表示后1分钟气压观测值，yi-1表示气压在前1分钟观测值，xi表示气压在后1分钟与前1分钟变动差的绝对值。

(式2)

其中n表示观测时间内xi的数据个数。μ表示观测时间内xi资科的平均数。σ表示观测时间内xi数据的标准偏差。

通过移动应用程序12的设计，进一步可以提供天气变化分析及其应用场所多种服务项目，包含：1.台风登陆前分析登陆地点、登陆后受地形影响台风走到哪里去了；2.雷雨即将到来、雷雨强风、闪电雷击追踪和分析；3.龙卷风路径追踪；4.机场飞机起降；5.港口浪高船只出入预警；6.滑翔翼活动；7.热气球；8.对高危险病患提出警告病患/家属/医生/医院；9.建筑工地/高空作业；高速公路高危险路段；10.捷运/高铁；11.高尔夫球场；12.育乐场所、云霄飞车、摩天轮。

以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本发明技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本发明技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本发明内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修饰为其它等效的实施例，但仍应视为与本发明实质相同的技术或实施例。