Про можливість мінімізації кількості гідрометеорологічних станцій

Abstract

Задача мінімізації кількості стаціонарних гідрометеорологічних станцій (ГМС) без суттєвої втрати якості прогнозу погоди може бути актуальною як з позиції вартісних показників, так і для вирішення специфічної задачі прогнозу в зоні, де не бажано або навіть неможливо встановити стаціонарну ГМС, наприклад, на злетно-посадковій смузі аеропорту. У статті пропонується вирішити цю задачу шляхом тимчасового установлення мобільної ГМС у заданій, недоступній для установки стаціонарної ГМС, точці території і визначення (на основі статистичного аналізу) більш-менш достовірного зв’язку між показниками гідрометеорологічної тимчасової ГМС і стаціонарними ГМС, розташованими навколо неї. Для успішного вирішення цієї складної задачі необхідно узгодити два суперечливі критерії: показник точності прогнозу погоди в заданій точці з показником мінімальної складності і, як наслідок, коректної ідентифікації структури і параметрів прогнозної моделі. Отже, розглядаються три задачі: перша – побудови простої, але адекватної до реального процесу структури моделі; друга – незміщене і ефективне оцінювання її параметрів за неточним зашумленим виміром змінних стану процесу; третя – фільтрація без похибки слідування корисної складової сигналів, яка має місце внаслідок необхідної для фільтрації шумів інерційності фільтра та прогноз відфільтрованих змінних. Таким чином, у статті наведено постановку і вирішення цих трьох задач: шляхом побудови структури прогнозуючої моделі, яка враховує фізичну сутність природних процесів і має мінімальну кількість невідомих параметрів; шляхом побудови методу незміщеного і ефективного оцінювання параметрів цієї моделі за зашумленими вимірами змінних стану об’єкта; шляхом побудови прогнозуючого фільтра як системи з астатизмом заданого порядку та адаптацією фільтруючих властивостей до нестаціонарності (гетероскадестичності) шумової складової сигналів.

Задача минимизации количества стационарных гидрометеорологических станций (ГМС) без существенной потери качества прогноза погоды может быть актуальной как с позиции стоимостных показателей, так и для решения специальной задачи прогноза в зоне, где нежелательно или невозможно установить стационарную ГМС, например, на взлетно-посадочной полосе аэродрома. В статье предлагается решение этой задачи путем временной установки мобильной ГМС в заданной, невозможной для установки стационарной ГМС, точке территории и определение (на основе статистического анализа) более-менее достоверной связи между показателями гидрометеорологической временной ГМС и стационарными ГМС, расположенными вблизи. Для успешного решения этой сложной задачи необходимо согласовать два противоречивых критерия: показатель точности прогноза погоды в заданной точке с показателем минимальной сложности и, как следствие, корректной идентификации структуры и параметров прогнозной модели. В статье рассматриваются три задачи: первая – построение простой и адекватной реальному процессу структуры модели; вторая – адекватное оценивание ее параметров при неточных зашумленных измерениях состояния процесса; третья – фильтрация без ошибки исследования полезной составляющей сигналов, которая имеет место вследствие существующей при фильтрации шумов инерционности фильтра и прогноз отфильтрованных переменных. Таким образом, в статье приведены постановка и решение этих трех задач: путем построения структуры прогнозной модели, которая учитывает физическую суть природных процессов и имеет минимальное количество неизвестных параметров; путем построения метода несмещенного и эффективного оценивания параметров этой модели по зашумленным измерениям переменных состояния объекта; путем построения прогнозного фильтра как системы с астатизмом заданного порядка и адаптацией фильтрующих показателей к нестационарности шумовой составляющей сигналов.

The task of minimizing the number of stationary hydrometeorological stations (HMS) without significant loss of weather forecast quality may be relevant both from the standpoint of cost indicators and for solving a special forecast task in an area where it is not desirable or impossible to install a stationary HMS, for example, on the airport runway. The article proposes a solution to this problem by temporarily installing a mobile HMS at a given point, impossible for installing a stationary HMS, point of the territory and determining (based on statistical analysis) a more or less reliable relationship between the indicators of hydrometeorological temporal HMS and stationary HMS located nearby. For successful solving of this complex problem, it is necessary to reconcile two contradictory criteria: the indicator of the weather forecast accuracy at a given point and the minimum complexity indicator and, as a result, the correct identification of the structure and parameters of the forecast model. The article discusses the top three tasks: the first is the construction of a simple and adequate structure of the model structure; the second is an adequate evaluation of its parameters in case of inaccurate noisy measurements of the state of the process; the third is filtering, without a mistake, the study of the useful component of the signals, which takes place due to the filter inertia that exists when filtering noise and the forecast of filtered variables. Thus, the article presents the formulation and solution of these three tasks: by building the structure of a predictive model that takes into account the physical essence of natural processes and has a minimum number of unknown parameters; by building a method of unbiased and efficient estimation of the parameters of this model from noisy measurements of object state variables; by constructing a filter predicate as a system with astatism of a given order and adaptation of filtering indicators to the nonstationarity (heteroscedasticity) of the noise component of signals.