По материалам Esri
Weather Forecasting Takes a Leap Forward with Advanced GIS
В настоящее время объем полезной информации, которую получают метеорологи, значительно возрос. Но для ее полноценного анализа необходимы новые технологии и новые методы создания качественных прогнозов погоды. Так, компания Weather Decision Technologies, партнер Esri, использует развитые возможности современной ГИС для лучшей организации больших данных о погоде и синоптических системах, поступающих со спутников и устройств дистанционного зондирования, их анализа в облачной среде и представления через картографические веб-сервисы на основе ArcGIS Server.
Кажется, что непрерывно меняющуюся погоду на планете Земля легко прогнозировать. Солнце нагревает планету неравномерно (вспомните о жарких и влажных экваториальных областях и покрытых льдом полюсах), что и вызывает погодные явления. Атмосфера перераспределяет тепло, создавая области высокого и низкого давления по всему миру. Это приводит к появлению облаков, ветра, осадков и изменениям температуры в широких пределах.
Но в силу объема и сложного сочетания погодных факторов, очень трудно предсказать погоду больше, чем на несколько дней вперед. Поэтому исследователи постоянно совершенствуют свои инструменты и методы, чтобы лучше понять особенности климата и сделать прогнозы более точными.
Сегодня с помощью множества спутников и систем дистанционного зондирования, следящих за погодой по всему миру, метеорологи получают больше данных, чем когда-либо прежде. Но количество данных не всегда переходит в качество прогнозов. Вот почему партнер Esri, компания Weather Decision Technologies (WDT, рус.: Технологии решений о погоде) использует развитые возможности продвинутой ГИС для лучшей организации и анализа больших данных.
Достижения в области метеорологии
Погода всегда оказывала значительное влияние на нашу планету и ее историю. Муссоны заставили монголов отказаться от вторжения в Японию в 13 веке, ветра сыграли существенную роль, когда в 1588 году английский флот разгромил испанскую Великую армаду, поскольку мощная флотилия могла передвигаться лишь при попутном ветре. Облака спасли японский город Кокура от атомной бомбардировки в 1945, а в последние годы засуха на западе США привела к падению сельскохозяйственного производства и росту цен на продукты по всей стране. Вот почему наблюдение за погодой всегда было настоятельной необходимостью.
В эпоху Возрождения изобретатели создавали различные инструменты для измерения локальных погодных явлений, включая температуру, влажность и атмосферное давление. Когда Сэмюэл Морзе в 1800-х разработал телеграф, локальные наблюдения и измерения превратились в примитивную метеорологическую систему. В это же время, секретарь Смитсоновского института Джозеф Генри предсказал, что телеграф «может послужить средством предупреждения при первых признаках надвигающегося шторма». К концу 1849 г. 150 волонтеров по всей территории США помогали воплотить это в реальность, регулярно сообщая о своих наблюдениях в Смитсоновский институт. Так и появилась наука метеорология.
Когда в 1950-х к прогнозированию впервые были применены компьютерные технологии, группа метеорологов в Институте перспективных исследований в Нью-Джерси создала первый цифровой прогноз. Они открыли эру современной метеорологии и значительно расширили возможности для исследований.
Тем не менее, для лучшего понимания погодных явлений и закономерностей исследователям потребовались спутниковые снимки. Они появились в 1964 году с началом программы Nimbus. Тогда были специально разработаны и выведены на орбиту три спутника для метеорологических исследований; затем по их примеру было создано множество других спутников для наблюдения за Земной поверхностью, которые были выведены на орбиту в последующие десятилетия. Сейчас эти спутники поставляют гигантский объем данных.
Анализ облаков в «облаке»
Все данные со спутников и приборов дистанционного зондирования, расположенных как на суше, так и в океане, значительно помогают улучшить качество служб прогноза погоды.
«Объем получаемых нами данных крайне велик, около 1 терабайта в день, – говорит Мэтт Гафнер, эксперт по ГИС-решениям в компании WDT. – За эти годы мы собрали архив погодных данных объемом почти в половину петабайта».
WDT обеспечивает прогнозами погоды и картографическими сервисами множество отраслей, включая энергетические компании, помогая предотвращать перебои с поставками электроэнергии и обеспечивая безопасность оффшорной нефтедобычи; сельскохозяйственные предприятия; транспортные компании, помогая с построением оптимальных маршрутов; а также участвует в планировании и обеспечении безопасности культурных и спортивных мероприятий. Сейчас компания использует ArcGIS Server для разработки картографических сервисов для клиентов, но планирует перейти на ArcGIS Enterprise в течение этого года.
С помощью картографического сервиса глобального прогнозирования с функцией времени компании Weather Decision Technologies пользователи могут просмотреть любой день 10-дневного прогноза осадков.
«Одно из несомненных удобств платформы ArcGIS Server – это легкость публикации динамических, быстро обновляющихся данных, и их размещение в качестве сервисов, используемых в других приложениях, – говорит Гаффнер. – Это позволяет пользователям добавлять прошлые, текущие и будущие данные на карты и в приложения».
Это также позволяет партнерам WDT, создающим специализированные приложения, добавлять погодные данные в свои продукты, используя сервисы WDT.
Из-за большого объема данных, которые собирает и анализирует WDT, значение вычислений в облачной среде является ключевым. Компания использует Amazon Web Services (AWS) для развертывания аналитических и картографических сервисов, создаваемых с помощью ArcGIS Server.
Пользователи могут быстро добавить прошлые, текущие и будущие погодные данные на свои карты и в приложения, чтобы проанализировать, например, каким образом град в Северном Техасе нанес ущерб более чем на $1 млрд. (цветом показан размер градин).
«Использование Amazon Web Services дает нам множество преимуществ, – отмечает Гаффнер. – С одной стороны, это позволяет нам воплотить подход ‘fail faster’ (ошибайся быстрее). Поскольку ArcGIS Server имеет поддержку Amazon Machine Image (AMI), мы может быстро настроить версию сервера в облаке и попробовать что-то новое — например, использовать другие спецификации оборудования или иную настройку сервисов данных — чтобы выяснить, как это работает. Если работает, – отлично. Если нет, мы быстро создаем другой экземпляр и пробуем что-то еще».
Используя облачные сервисы, компания может настроить несколько аппаратных экземпляров ArcGIS Server, чтобы определить наилучшую рабочую конфигурацию.
«AWS обеспечивает высокую надежность, поскольку, если что-то пошло не так, мы можем быстро развернуть копию ArcGIS Server на другом компьютере в облаке, – говорит Гаффнер. – Это также позволяет балансировать нагрузку — т.е., мы можем перераспределять получаемые запросы к погодным данным и сервисам между нашими серверами. Повышение числа запросов происходит всегда при изменении погоды или при зарождении шторма. Тогда объем наших наборов данных резко возрастает, поскольку необходимо накопить большой объем данных с радаров, а клиентам требуется доступ к этим данным».
WDT сейчас много работает над временными картографическими сервисами. Например, пользователи могут закольцевать последние 60 минут данных с радаров, чтобы увидеть, куда и как движется шторм или ураган. WDT также запускает глобальный картографический сервис прогнозирования с функцией времени, предлагающий ежедневные и ежечасные прогнозы по всем стандартным погодным переменным, таким как температура, осадки, скорость и направление ветра, на срок до 10 дней.
Наложение векторов направления движения шторма (белые линии с метками времени) на радарные данные с атрибутами шторма позволяет пользователям видеть, куда и с какой скоростью он перемещается.
Поскольку компания обслуживает обширные наборы данных в зависимости от текущей нагрузки, использование облачных сервисов делает серверы WDT масштабируемыми в критической ситуации повышенного трафика.
Метеорологические условия влияют на бизнес и принятие решений
Постоянно растущее количество больших геопространственных наборов данных WDT позволяет проводить уникальный анализ во времени и пространстве. Например, один из клиентов — нефтегазовая компания — хотел определить, как погодные условия влияют на производительность рабочих в Оклахоме и в Колорадо.
«Они хотели выяснить производительность каждой группы, но при этом статистически нормализовать это сравнение, приняв во внимание местные погодные условия», – объясняет Гаффнер.
Летом в Оклахоме и на севере Колорадо температура воздуха может превышать 35 градусов, но с учетом более высокой влажности в Оклахоме, индекс жары будет здесь больше, чем в Колорадо.
«Используя исторические погодные данные, – говорит Гаффнер, – мы смогли провести этот анализ и определить, что погода влияет на людей двумя способами: снижение производительности труда при тепловом стрессе, и повышение индекса жары до критического значения, при котором рабочим требуются обязательные перерывы».
Платформа ArcGIS облегчает публикацию динамических, быстро обновляющихся данных. Этот картографический сервис реального времени отображает, например, данные анализа воздушных масс (обновляемые каждые три часа), радарные данные North American weather radar (обновляемые каждые пять минут) и грозовые данные (обновляемые каждую минуту).
WDT также исследует влияние Интернета вещей (IoT) на геопространственный анализ.
«Возьмем, например, автомобиль, подключенный к Интернету, – говорит Гаффнер. – Мы может предоставить текущие данные о погоде и прогноз вашему автомобилю, а он может сообщить вам, что лучше воздержаться от поездки, чтобы не попасть в грозу, или что лучше задержаться на работе на 20 минут и переждать, пока не пройдет грозовой фронт».
Если объединить погодные данные и данные об окружающей среде, это поможет снизить риски и позволит людям принимать более взвешенные решения. И, как надеется Гаффнер, слияние больших данных и интеллектуального анализа с помощью ГИС поможет в перспективе спасать жизни и имущество.
На этой интерактивной веб-карте цветом показана сила вращения ветра в движущихся торнадо.
Узнать больше о больших данных и работе с ними в ArcGIS можно на сайте компании Esri.
