(Luận văn thạc sĩ) nhận dạng hình thế thời tiết

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ  Đỗ Thị Thu Nga NHẬN DẠNG HÌNH THẾ THỜI TIẾT LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ  Đỗ Thị Thu Nga NHẬN DẠNG HÌNH THẾ THỜI TIẾT Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ng­êi h­íng dÉn khoa häc Tiến sĩ Bùi Thế Duy Hà Nội - 2007 - 2- MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH DANH SÁCH CÁC BẢNG MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO THỜI TIẾT 10 1.1 Khái niệm thời tiết 10 1.2 Quan trắc thời tiết 11 1.2.1 Mạng lƣới trạm khí tƣợng 11 1.2.2 Hạn quan trắc 17 1.3 Xử lý chỉnh lý số liệu 18 1.3.1 Mã hoá giải mã 18 1.3.2 Kiểm tra số liệu 21 1.3.3 Trao đổi lƣu trữ số liệu 22 1.4 Các phƣơng pháp dự báo thời tiết 23 1.5 Các hình thời tiết 25 Chƣơng PHƢƠNG PHÁP SYNOP VÀ MƠ HÌNH DỰ BÁO SỐ TRỊ 28 2.1 Phƣơng pháp synop 28 2.1.1 Bản đồ synop 29 2.1.2 Điền đồ 30 2.1.3 Phân tích đồ 32 2.2 Mơ hình dự báo số trị 37 2.2.1 Giới thiệu mơ hình MM5 38 2.2.2 Cấu trúc mơ hình MM5 40 2.3 Một số giải pháp cho toán nhận dạng hình thời tiết 45 - 3- Chƣơng XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHẬN DẠNG HÌNH THẾ THỜI TIẾT 50 3.1 Bài toán nhận dạng hình thời tiết 50 3.1.1 Đặt vấn đề 50 3.1.2 Bài tốn nhận dạng hình thời tiết 50 3.1.3 Giới hạn toán 51 3.1.4 Đặc điểm hình thời tiết 51 3.2 Phƣơng pháp nhận dạng hình thời tiết 52 3.3 Hệ thống nhận dạng hình thời tiết 57 3.3.1 Công cụ xây dựng hệ thống 57 3.3.2 Dữ liệu 57 3.3.3 Lƣợc đồ luồng liệu 59 3.3.4 Giao diện hệ thống 60 3.3.5 Đặc tả chức hệ thống 61 3.4 Đánh giá kết 66 KẾT LUẬN 69 PHỤ LỤC 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 - 4- DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1 Sơ đồ điền đồ 31 Hình 2.2 Những ký hiệu tượng thời tiết mây điền lên đồ 31 Hình 2.3 Các hình khí áp bề mặt 33 Hình 2.4 Mơ hình hệ thống dự báo số trị MM5 39 Hình 2.5 Cấu trúc mơ hình MM5 với mơ đun 41 Hình 2.6 Mô đun REGRID 42 Hình 2.7 Bản đồ synop lúc ngày 22/1/2007 47 Hình 3.1 Mơ hình hệ thống nhận dạng hình thời tiết 53 Hình 3.2 Lược đồ luồng liệu 60 Hình 3.3 Cửa sổ giao diện chương trình 60 Hình 3.4 Biểu mẫu “Nhập hình mẫu” 61 Hình 3.5 Biểu mẫu “Nhập liệu theo ngày” 62 Hình 3.6 Cửa sổ hiển thị “Danh sách trạm” 63 Hình 3.7 Cửa sổ “Hình thời tiết” 64 Hình 3.8 Bản đồ mơ Áp cao Siberia 67 Hình 3.9 Bản đồ mô Áp thấp Nam Á 68 - 5- DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng “Hình thời tiết” 58 Bảng “Thông tin trạm” 59 Bảng “Dữ liệu trạm” 59 Bảng tóm tắt hình mẫu 71 Bảng tọa độ trạm 71 Bảng liệu trạm thử nghiệm 72 - 6- MỞ ĐẦU Thời tiết q trình khí đặc trưng tập hợp yếu tố khí tượng biến thiên chúng Các yếu tố khí tượng liên quan mật thiết với nên theo dõi biến thiên số yếu tố ta suy đốn biến thiên xảy yếu tố khác Thời tiết ảnh hưởng quan trọng đến mặt hoạt động sống người Vì hàng ngày thường theo dõi diễn biến thời tiết xem tin thời tiết kênh thông tin Chúng ta mong muốn nắm bắt qui luật thời tiết dự báo sớm tình hình thời tiết để đưa định thực thi hoạt động Hơn việc dự báo thời tiết sớm giúp người phòng chống thiên tai, giảm thiểu tối đa thiệt hại thời tiết xấu mang lại Về bản, trước hết muốn dự báo thời tiết, dự báo viên khí tượng phải nghiên cứu diễn biến thời tiết qua yếu tố khí tượng quan trắc cách chi tiết Từ yếu tố khí tượng họ nhận dạng hình thời tiết chế ngự địa bàn khảo sát xác định tên loại hình thời tiết Do hình thời tiết ảnh hưởng trực tiếp đến thời tiết vùng xét ảnh hưởng rộng vùng lân cận nên việc nhận dạng hình thời tiết trình dự báo thời tiết quan trọng Tổ chức khí tượng giới có tên WMO (World Meteorological Organization) thiết lập mạng lưới thông tin khí tượng tồn cầu Các số liệu quan trắc từ trạm khí tượng mạng lưới của quốc gia gửi trung tâm dự báo quốc gia, trung tâm dự báo quốc gia kết nối vào 23 trung tâm khu vực kết nối 23 trung tâm khu vực vào trung tâm tồn cầu đóng thành phố Moscow, Washington Melbourne [3] Các trung tâm toàn cầu thu thập tồn số liệu khí tượng - 7- giới gửi trở lại trung tâm khu vực trung tâm quốc gia Khi có số liệu toàn khu vực toàn cầu người ta thiết lập đồ synop quy mô châu lục để thực cơng việc tiếp theo, việc nhận dạng hình thời tiết Sau xác định hình thời tiết, dự báo viên áp dụng phương pháp dự báo để dự báo thời tiết Quy trình thu thập số liệu dự báo thời tiết chia thành ba giai đoạn: Giai đoạn thu thập, trao đổi lưu trữ số liệu; giai đoạn nhận dạng hình thời tiết giai đoạn dự báo thời tiết Trong ba giai đoạn hai giai đoạn đầu áp dụng máy móc cơng nghệ để thay người Nhưng giai đoạn thứ ba chưa làm máy móc khơng thể có kinh nghiệm tính nhạy cảm người để dự báo diễn biến phức tạp tiềm ẩn thời tiết Chính vậy, việc dự báo xác thời tiết ln tốn khó ngành khí tượng Đến giới người ta ứng dụng nhiều phương pháp dự báo thời tiết như: phương pháp synop, phương pháp thống kê, phương pháp số trị Trong phương pháp phương pháp dự báo số trị ứng dụng mạnh mẽ nhờ máy tính ngày có khả tinh tốn lớn Tuy liên quan đến tốn nhận dạng hình thời tiết việc áp dụng công nghệ thông tin lại chưa quan tâm nhiều Ở Việt Nam, Trung tâm dự báo khí tượng thủy văn Quốc gia người ta sử dụng mơ hình dự báo số trị để dự báo thời tiết Nhưng việc chạy mơ hình vận hành cách thủ công, nghĩa việc đưa số liệu vào mơ hình chưa tự động hóa tham số bị thay đổi theo ước lượng chủ quan người vận hành mơ hình Việc áp dụng mơ hình dự báo số trị bước tiến lớn ngành dự báo thời tiết, ưu điểm lớn mơ hình mang lại kết dự báo thời tiết với độ xác cao Nhưng gặp phải nhiều khó khăn ứng dụng mơ hình dự báo số trị để dự báo thời tiết mơ hình - 8- dựa hệ phương trình thủy nhiệt động lực học phức tạp Hệ phương trình bao gồm mối quan hệ phụ thuộc yếu tố khí tượng nhằng nhịt mà người ta khơng thể tìm nghiệm tổng qt hệ phương trình Mơ hình dự báo số trị chạy với khối lượng liệu tính tốn lớn kết đầu mơ hình phụ thuộc nhiều vào độ xác đầy đủ số liệu đầu vào Thực tế Việt Nam việc thu thập số liệu quan trắc không tự động hố nên việc cịn nhiều hạn chế Nhiều khơng có số liệu đầy đủ xác phải phụ thuộc vào lực quan trắc ý thức người Mặt khác, Việt Nam, liệu quan trắc không cung cấp công khai theo quy định quốc tế nên ngồi trung tâm dự báo quốc gia đơn vị khác muốn lấy liệu quan trắc đầy đủ cần bỏ chi phí lớn việc áp dụng mơ hình số trị cịn chưa ứng dụng nhiều nơi nước Nếu dự báo thời tiết mơ hình dự báo số trị khó khăn nêu sử dụng máy tính để nhận dạng hình thời tiết, sau kinh nghiệm tiến hành dự báo thời tiết Do hình thời tiết hình thành từ khối khí tương đối đồng tính chất vật lý nhiệt độ, độ ẩm, chúng chuyển động trật tự hồn lưu khí nên hình số liệu quan trắc khí tượng trạm gần tương tự nhau, khí áp hình thời tiết có xu tăng dần hay giảm dần từ tâm hình ngồi Ngồi yếu tố khí tượng có mối quan hệ khăng khít tác động qua lại với từ vài yếu tố khí tượng suy diễn lơ gíc yếu tố khí tượng khác Chính từ đặc điểm tính chất hình thời tiết mà việc nhận dạng hình thời tiết hồn tồn thực khơng có đầy đủ số liệu quan trắc khí tượng Vì cần sử dụng vài - 9- yếu tố khí tượng khí áp, nhiệt độ, điểm sương, nhận dạng hình thời tiết Trong trình nghiên cứu khoa học thời tiết dự báo thời tiết, mong muốn xây dựng công cụ nhận dạng hình thời tiết để hỗ trợ giảng dạy mơn dự báo khí tượng nơi tơi làm việc, Trường Cao đẳng Tài nguyên Mơi trường Hà Nội Vì vậy, ý tưởng việc ứng dụng cơng nghệ thơng tin để số hóa đồ synop [3] nhận dạng hình thời tiết hình thành tơi Tơi bắt đầu tìm hiểu định hướng việc nghiên cứu đề tài mang tên “Nhận dạng hình thời tiết” Mục tiêu đề tài nghiên cứu, xây dựng phương pháp nhận dạng hình thời tiết mơ hình máy tính; xây dựng hệ thống nhận dạng hình thời tiết nhằm phục vụ giảng dạy cho sinh viên ngành khí tượng Với mục tiêu đặt ra, phạm vi nghiên cứu đề tài giải tốn nhận dạng hình thời tiết tương ứng với giai đoạn thứ hai trình dự báo thời tiết Nội dung nghiên cứu đề tài bao gồm: Nghiên cứu hệ thống quan trắc, hệ thống thông tin thời tiết Nghiên cứu phương pháp dự báo thời tiết Đề xuất phương pháp để nhận dạng hình thời tiết mơ hình máy tính Xây dựng cài đặt hệ thống nhận dạng thời tiết máy tính Cuối đánh giá kết nghiên cứu phương pháp đề xuất phương hướng phát triển đề tài tương lai Luận văn gồm chương sau: Chương Tổng quan dự báo thời tiết Chương Phương pháp synop mơ hình dự báo số trị Chương Xây dựng hệ thống nhận dạng hình thời tiết ... XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHẬN DẠNG HÌNH THẾ THỜI TIẾT 50 3.1 Bài toán nhận dạng hình thời tiết 50 3.1.1 Đặt vấn đề 50 3.1.2 Bài tốn nhận dạng hình thời tiết 50 3.1.3... xác định tên loại hình thời tiết Do hình thời tiết ảnh hưởng trực tiếp đến thời tiết vùng xét ảnh hưởng rộng vùng lân cận nên việc nhận dạng hình thời tiết trình dự báo thời tiết quan trọng Tổ... nhận dạng hình thời tiết hình thành tơi Tơi bắt đầu tìm hiểu định hướng việc nghiên cứu đề tài mang tên ? ?Nhận dạng hình thời tiết? ?? Mục tiêu đề tài nghiên cứu, xây dựng phương pháp nhận dạng hình