الابتكارات والتكنولوجيا الجديدة لتحسين خدمات الطقس

ظهرت شبكات اتصالات جديدة وابتكارات وتقنيات لنظام التنبؤ (مثل الإنترنت ، والاتصالات اللاسلكية ، والتنبؤ بقواعد البيانات الرقمية ، ومحطات عمل الجيل التالي ، وأنظمة البث الآني) ، مما يتيح الفرصة لتحسين خدمات الطقس العامة (PWS). تتيح هذه الابتكارات للمرافق الوطنية للأرصاد الجوية والأرصاد الجوية المائية (NMHSs) توفير تنبؤات وتحذيرات متعلقة بالأرصاد الجوية المائية في مجموعة متنوعة من الأشكال (الرسوم البيانية والرقمية) بخلاف المنتجات النصية التقليدية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤثر هذه الابتكارات على قدرات تقديم خدمات المرافق الوطنية للأرصاد الجوية والهيدرولوجيا (NMHS). تتيح التنبؤ بقاعدة البيانات الرقمية ومحطات العمل من الجيل التالي ، جنبًا إلى جنب مع أنظمة وتطبيقات تكنولوجيا المعلومات (IT) الجديدة والناشئة ، الفرصة لزيادة تعزيز ودمج وظائف نشر PWS وتقديم الخدمات.

تقدم هذه المقالة نظرة عامة على العديد من الابتكارات الرئيسية والتطورات التكنولوجية وأنظمة / تطبيقات تكنولوجيا المعلومات التي لها أو يمكن أن يكون لها تأثير كبير على تحسين خدمات الطقس العامة في المرافق الوطنية للأرصاد الجوية والهيدرولوجيا (NMHSs) ونشرها وتقديم الخدمات. وسيركز على التنبؤ بقواعد البيانات الرقمية ومحطات عمل التنبؤ من الجيل التالي وأنظمة التنبؤ الآني وأنظمة وتطبيقات تكنولوجيا المعلومات.

التنبؤ بقاعدة البيانات الرقمية
تتضمن عملية التنبؤ التقليدية التي تستخدمها معظم المرافق الوطنية للأرصاد الجوية والهيدرولوجيا (NMHSs) قيام المتنبئين بإنتاج نواتج تنبؤية تستند إلى النصوص وحساسة وعناصر الطقس (مثل درجة الحرارة القصوى / الدنيا والغطاء السحابي) باستخدام نواتج التنبؤ العددي بالطقس (NWP) كإرشادات. عادة ما تكون العملية مدفوعة بالجدول الزمني ، وموجهة نحو المنتج وكثيفة العمالة. خلال العقد الماضي ، سمحت التطورات التكنولوجية والاختراقات العلمية بأن تصبح تنبؤات المرافق الوطنية للأرصاد الجوية والهيدرولوجيا (NMHSs) وتحذيراتها أكثر تحديدًا ودقة.

مع تطور تكنولوجيا الكمبيوتر وأنظمة النشر عالية السرعة (مثل الإنترنت) ، كان عملاء / شركاء خدمة الطقس الوطنية (NWS) يطالبون بتنبؤات مفصلة في تنسيقات شبكية ورقمية ورسومية. تحد منتجات التنبؤ بالنصوص التقليدية لخدمة NWS من كمية المعلومات الإضافية التي يمكن نقلها إلى مجتمع المستخدمين. يوفر مفهوم التنبؤ بقاعدة البيانات الرقمية القدرة على تلبية طلبات العملاء / الشركاء للحصول على تنبؤات أرصاد جوية مائية أكثر دقة وتفصيلاً. يوفر التنبؤ بقاعدة البيانات الرقمية أيضًا واحدة من أكثر الفرص إثارة لدمج نشر التنبؤات PWS وتقديم الخدمة ، والتي تخدم مجتمع المستخدمين بشكل أكثر فاعلية.

تستخدم كل من الإدارة الوطنية الأمريكية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) / National Weather Service and Environment Canada تقنية التنبؤ بقاعدة البيانات الرقمية لإنتاج تنبؤات روتينية. يقوم المكتب الأسترالي للأرصاد الجوية بعملية تقييم وتطوير خطة تنفيذ للتنبؤ بقاعدة البيانات باستخدام نهج قاعدة بيانات التنبؤ الرقمي الوطنية NOAA / NWS.

قاعدة بيانات البيئة الكندية الوطنية لعنصر الطقس
قامت وزارة البيئة الكندية بتطوير قاعدة البيانات الوطنية للتنبؤ بعناصر الطقس (NWEFD) والتي يتم ملؤها بمخرجات من نماذج NWP. يتعامل متنبؤو البيئة الكندية مع NWEFD بإجراء تعديلات على حقول التنبؤ بناءً على تحليل الحالة الحالية للغلاف الجوي وناتج النموذج ، بما في ذلك التحيزات والاتجاهات النموذجية المعروفة. عند الانتهاء ، يقوم المتنبئ بتشغيل برنامج يقوم بإنشاء تنبؤات تستند إلى النص. للمساعدة في تطوير NWEFD وتعداد سكانها ، طورت وزارة البيئة الكندية نظامًا خبيرًا يسمى SCRIBE.

SCRIBE قادر على إنشاء مجموعة واسعة من منتجات الطقس تلقائيًا أو بشكل تفاعلي لمنطقة أو منطقة محلية معينة. يستخدم النظام البيانات من مجموعة من المصفوفات التي تم إنشاؤها بعد تشغيل نموذج 00Z و 12 Z NWP. تحتوي هذه المصفوفات على أنواع مختلفة من عناصر الطقس ، بما في ذلك ناتج NWP ، ومخرجات نموذج التوجيه الإحصائي (Perfect Prog (PP) ونماذج إحصاءات مخرجات النموذج القابلة للتحديث (UMOS)) والبيانات المناخية.

الدقة الزمنية لـ SCRIBE هي ثلاث ساعات. يصدر SCRIBE تنبؤات مرتين يوميًا لـ 1145 موقعًا للمحطات الكندية. عندما تكون جاهزة ، يتم إرسال المصفوفات إلى كل نظام SCRIBE إقليمي. عند الوصول ، تتم معالجة البيانات بواسطة منشئ المفهوم ويتم تجميعها وتقليل حجمها إلى مجموعة من عناصر الطقس المحددة جيدًا تسمى “المفاهيم”. يتم إخراج هذه المفاهيم بتنسيق مشفر رقميًا يسمى METEOCODE ويمكن عرضها على واجهة رسومية. يمكن للمتنبئين تعديل ناتج المفهوم لدمج أحدث الملاحظات ، بالإضافة إلى سيناريو / حدث الطقس المتطور. يتم استخدام المفاهيم من قبل المكاتب الإقليمية لتوليد نواتج تنبؤ محلية. يتم إرسالها أيضًا إلى NWEFD ، حيث يتم إنشاء مجموعة من منتجات التوقعات الوطنية. يوضح الشكل 1 الخطوات الرئيسية في معالجة بيانات SCRIBE.

مخطط
الشكل 1 – مخطط التدفق الذي يصور الخطوات الأولية في معالجة بيانات SCRIBE (Landry، C. et al.، 2005)

قاعدة بيانات التوقعات الرقمية الوطنية

في التسعينيات ، أدركت الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA / NWS) أنه يتعين عليها تطوير منتجاتها وخدماتها المتعلقة بالأرصاد الجوية المائية بما يتجاوز التوقعات المستندة إلى النصوص لتلبية طلبات العملاء / الشركاء المتزايدة. في عام 2003 ، أطلقت NWS قاعدة بيانات التوقعات الرقمية الوطنية (NDFD). NDFD هي قاعدة بيانات تنبؤات الأرصاد الجوية المائية وتفاعلية وتعاونية مدفوعة بالحدث وموجهة نحو المعلومات. يتكون NDFD من توقع لمدة سبعة أيام لمجموعة من 14 عنصرًا منطقيًا للطقس على نطاق 5 كيلومترات يغطي الولايات المتحدة الأمريكية وألاسكا وغوام وهاواي وبورتوريكو (انظر الجدول أدناه). في بعض المواقع ، تتراوح دقة قاعدة البيانات من 1.25 إلى 2.5 كم ، في المقام الأول في مناطق التضاريس المهمة. يقوم كل مكتب من مكاتب التنبؤات الجوية الـ 122 التابعة لـ NWS بإنتاج وصيانة قاعدة البيانات الخاصة بمنطقة مسؤوليته. يوضح الشكل 2 أمثلة لرسومات إخراج NDFD.

الرسومات
الشكل 2 – أمثلة لرسومات إخراج NDFD: (أ) رسم نقط تكثف إقليمي ؛ (ب) سرعة الرياح المحلية ورسم الاتجاه
باستخدام أحدث الملاحظات وبيانات الرادار والأقمار الصناعية ومنتجات التوجيه من المراكز الوطنية للتنبؤ البيئي (NCEPs) ومخرجات NWP ، يقوم المتنبئون بتعديل قاعدة البيانات بشكل تفاعلي باستخدام محرر التنبؤ الشبكي. يساهم العديد من NCEPs أيضًا في معلومات التنبؤ في NDFD ، بما في ذلك معلومات المخاطر المحتملة والتوقعات المناخية (انظر الجدول أدناه). يتم إنشاء نص تنبؤات NWS والمنتجات الجدولية والرسومات مباشرة من قاعدة البيانات باستخدام مُنسِّقات المنتجات والبرامج الأخرى المحددة بالمخرجات.

يتم توفير قاعدة البيانات نفسها كمنتج NWS للعملاء والشركاء. يتيح ذلك للمستخدمين الوصول إليها من أجل تطبيقاتهم الخاصة ، ومعالجتها واستخراج معلومات تنبؤات مصممة وفقًا لاحتياجاتهم الخاصة. في السنوات المقبلة ، ستواصل NWS العمل من أجل تطوير NDFD كقاعدة بيانات بيئية كاملة رباعية الأبعاد. سيشمل التوسع المستقبلي NDFD الملاحظات والتحليلات والعناصر الخاصة بالطيران والمعلومات المناخية الإضافية ومعلومات عدم اليقين / الاحتمالية والتوقعات والمراقبة والتحذيرات.

الجدول حالة عناصر NWS NDFD اعتبارًا من أكتوبر 2007
(انقر للتكبير)

محطات عمل التنبؤ من الجيل التالي
تشير التطورات المستمرة في تكنولوجيا المعلومات وقدرات الاتصال إلى أن الزيادة السريعة في حجم بيانات الأرصاد الجوية المائية خلال العقود الثلاثة الماضية ستستمر وقد تتسارع في السنوات المقبلة. إن انتشار أنظمة المراقبة الآلية والشبكات المتوسطة ، إلى جانب التحسينات و / أو الاستبدالات لأنظمة المراقبة الحالية بالاستشعار عن بعد ، تنذر على الأقل بزيادة كبيرة في البيانات.

ستحتاج محطات عمل التنبؤ من الجيل التالي إلى مزيد من النطاق الترددي وسعة التخزين وقوة المعالجة للتعامل مع الزيادة السريعة المتوقعة في البيانات ، إلى جانب زيادة ناتج نموذج التنبؤ العددي بالطقس الزماني والمكاني. وهذا يجعل من الضروري أن تكون محطات عمل التنبؤ من الجيل التالي مجهزة بأحدث تقنيات التصور ومعالجة المعلومات ، بما في ذلك التقنيات ثلاثية الأبعاد ، لمساعدة المتنبئين في تحليل البيانات وتفسيرها.

كما ستكون هناك حاجة إلى أدوات تشخيص متطورة لفحص البيانات وتسليط الضوء على عمليات الأرصاد الجوية. بالإضافة إلى ذلك ، سيتطلب الحجم الكبير من البيانات اعتمادًا متزايدًا على الخوارزميات المتقدمة وتقنيات المعالجة لمراقبة كل من الظروف الحالية والمتوقعة ، واستخراج وتصوير المعلومات الأكثر صلة ، والمساعدة في دعم قرارات الأرصاد الجوية المائية. ستساعد محطات عمل التنبؤ من الجيل التالي في إعداد التنبؤات والإنذارات ونشرها من خلال مجموعة من قنوات / شبكات الاتصال. ستتمتع محطات العمل هذه أيضًا بالقدرة على دعم إعداد توقعات قاعدة البيانات الرقمية.

قد تتطلع بعض محطات العمل من الجيل التالي أيضًا إلى دمج إمكانية الدردشة الفورية عبر الإنترنت (IMChat) للسماح للمرافق الوطنية للأرصاد الجوية والهيدرولوجيا (NMHSs) بالتواصل مع العملاء والشركاء الرئيسيين أثناء أحداث الأرصاد الجوية المائية الهامة وجميع الحوادث التي تنطوي على مخاطر. تقوم NWS حاليًا بتجربة مفهوم IMChat في عمليات الأرصاد الجوية المائية الهامة. (IMChat هي نوع من غرف الدردشة عبر الإنترنت للاتصال مع العملاء والشركاء الرئيسيين للحصول على معلومات مهمة في الوقت الفعلي لحدث أو حادثة حساسة للوقت.) في المقابل ، ستتلقى المرافق الوطنية للأرصاد الجوية والهيدرولوجيا (NMHSs) تقارير خاصة بالموقع ومعلومات أخرى يمكن أن تساعد مع عمليات التنبؤ والتحذير.

أنظمة التنبؤ الآني
يقوم عدد من المرافق NMHSs بتطوير أنظمة مبتكرة من الجيل التالي للبث الفوري. تتراوح أنظمة Nowcast في التعقيد ؛ بعض أصداء رادار المسار واستخدام الاستقراء لإنتاج تنبؤات فورية من 0 إلى 1 ساعة ، بينما تستخدم الأنظمة الأكثر تعقيدًا مزيجًا من خرج NWP وتقنيات التنبؤ الاحتمالية / عدم اليقين لتمديد الأفق الزمني الآني إلى 3-6 ساعات. تتضمن بعض هذه الأنظمة أيضًا منصات أخرى للاستشعار عن بعد ، بما في ذلك بيانات الأقمار الصناعية والبرق. العديد من هذه الأنظمة لا تزال تواجه التحدي الأمثل

دور المتنبئ في عملية التنبؤ الآني.

يتمثل أحد مجالات التركيز الرئيسية الأخرى في دمج التحقق في الوقت الفعلي وردود الفعل للمتنبئين. تتمثل إحدى نقاط القوة المهمة في نظام التنبؤ الآني في قدرته على توليد نواتج تنبؤات أرصاد جوية مائية بسرعة ونشرها في مجموعة متنوعة من الأشكال. هذه القدرة سيكون لها آثار كبيرة على تقديم خدمة PWS في الوقت المناسب والفعال.

تم تنظيم العديد من المشاريع الإيضاحية للتنبؤات من خلال المنظمة العالمية للأرصاد الجوية لاختبار أنظمة وتطبيقات البث الآني. تم تنفيذ المشروع التجريبي الأول بنجاح في عام 2000 في الألعاب الأولمبية الصيفية في سيدني ، أستراليا. تم إجراء مشروع توضيحي آخر خلال دورة الألعاب الأولمبية الصيفية لعام 2008 في بكين ، الصين.