使用实时数据预测天气 |
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预测天气
您之前浏览并保存了一张从世界各地的卫星、雷达和气象站收集的实时天气数据地图。 您已经了解到收集数据的方法和人员。 现在，您将对数据进行更深入的探索，并使用您学到的知识来预测不同的时间和空间的天气。 探索温度首先，您需要查找数据趋势。 天气预报的准确性取决于对现在正在发生的模式的观察。 您将从检查温度图层开始。 如有必要，请在 ArcGIS Online 中打开 Real-Time Weather Map。地图将打开以显示美国本土的 NOAA METAR 气温数据。 温度看上去受纬度影响较大（您的温度可能会有所不同）。 至少在美国，最热的气温在南部，最冷的气温在北部。 然而，温度和纬度并不完全相关，并且同一纬度上的一些州有不同的温度。 您可以在全球范围内探索，了解您可以找到的其他模式。 在内容（深色）工具栏中，单击书签并单击 West Europe 书签。西欧大部分地区与加拿大和美国北部处于同一纬度。 例如，伦敦与温哥华的纬度相近。 在美国很明显的纬度趋势是否适用于欧洲？ 虽然您的地图可能会有所不同，但欧洲在相近的纬度地区通常比美国更温暖。 为什么会这样？ 在比较两者时，您是否发现其他趋势？ 导航至 East Asia 书签。在东亚，气象站数量远远少于美国或欧洲。 虽然此数据集覆盖全世界，但覆盖范围并不均匀。 对于天气数据较少区域的预测可能不如天气数据较多的区域准确。 导航至 Australia 书签。澳大利亚位于南半球，因此它的季节与北半球的季节不同。 例如，当美国处于夏季时，澳大利亚处于冬季，反之亦然。 季节性变化如何影响温度？ 导航至 Colorado, United States 书签。在内容工具条上，单击底图。 在底图窗格中，选择带标注的地形图。科罗拉多州位于落基山脉的边界。 该州的西半部是山区，而东半部是平原。 海拔高度对温度有明显影响吗？ 使用书签以及平移和缩放工具浏览世界各地。 根据需要更改底图。 请回答以下问题：哪些区域的数据最多？ 哪些区域的数据最少？列举两个最能通过纬度来解释观测温度的区域。列举两个可能在三个月后经历不同温度的区域。 列举一个可能在三个月后经历相同温度的区域。是否存在温度受到海拔影响，而无法用纬度或季节性变化解释的区域？海洋和大型水体对温度有什么影响？ 在同一纬度的沿海和内陆地区，气温的趋势有何区别？您所住的地方的温度和周围地区的温度相比有何区别？ 所记录的温度是否与您当前经历的温度相符？ 如果不相符，是什么原因导致的不同？接下来，您可以计算出统计数据，以了解世界各地的温度范围。 在内容工具栏上，单击图层。 在图层窗格中，对于 NOAA METAR Temperature 图层，单击选项，然后单击显示表。在表中，对于 Air Temperature (°F) 字段，单击选项，然后单击信息。随即出现 Air Temperature 字段信息窗口。 在窗口中向下滚动，直到您看到统计数据为止。您的数字会有所不同，但考虑到全球各地的季节和纬度变化，气温范围通常会跨越 100 华氏度。 接下来，您将定位最热和最冷的地区。 关闭 Air Temperature 字段窗口。 在表中，单击两次 Air Temperature 字段以将值，将值从最高值到最低值排序。该表格的排序为首先显示最高温度。 滚动至表的第一行，该行具有国家/地区名称字段值。 单击该行旁边的复选框，然后单击缩放至所选项。地图会导航至所选站点，即目前世界上最热的站点。 此站点在哪里？此站点为何这么热？ 这么热的主要原因是纬度、海拔或季节吗？单击 Air Temperature 字段以将其从最低值到最高值排序。 导航到带有国家/地区名称字段的最低气温数据。注：当您按升序对行进行排序时，前几行可能没有值，这意味着站点在上次更新数据时没有记录温度。 您可能需要向下滚动直到发现最冷的温度。 此站点在哪里？此站点为何这么冷？ 这么冷的主要原因是纬度、海拔或季节吗？关闭表。 利用风和气压预测降雨接下来，请您仔细查看降雨和气压数据。 结合其他数据图层，您可预测可能在不久的将来发生降雨的地点。 首先，您需要比较当前降雨和风型来查看哪里的风可能在不久的将来导致雨云移动。 然后，您将了解压力如何影响降雨并确定处于高压和低压系统的区域。 在内容工具条上，单击底图，然后选择地形图。导航至 Contiguous United States 书签。 在图层窗格中，关闭 NOAA METAR Temperature 图层，然后打开 NEXRAD Precipitation 和 NOAA Infrared Satellite Imagery Transparent 图层。哪些地区正在降雨？您在降雨的地点看到什么模式？卫星影像中的云和雷达捕获的降雨之间的关系有多紧密？关闭 NOAA Infrared Satellite Imagery Transparent 图层并打开 NOAA Infrared Satellite Imagery 图层。降雨易在云层是亮白色（冷）的地方还是在暗灰色（暖）的地方发生？通常，温暖的云层距离地面更近，并吸收蒸发的水分。 当它们上升时会变冷，水蒸气凝结成液滴。 这使得云变重，所以会以降雨的形式释放液滴。 关闭 NOAA Infrared Satellite Imagery 图层。 打开 Current Weather and Wind Station Data - Stations 图层。风速与当前的降雨有关系吗？ 如果有，是什么关系呢？列举两个您观察当前其风速和风向的空间模式。缩放到强降雨的区域（深绿、黄、橙或红色）。在示例图像中，路易斯安那州南部和密西西比州正在发生强降雨。 风速要素的标注以千米/小时为单位指示风速。 虽然不是所有的风速箭头都指向同一个方向，但风型整体是朝向北方和东方。 如果这个风型保持不变，则路易斯安那州亚历山大市可能很快会发生降雨。 但是要多久呢? 找到一个目前没有降雨，但是根据风向判断，可能很快就会发生降雨的城市。 在设置（浅色）工具栏中，单击地图工具，然后选择测量。在地图上，单击添加第一个测量点。 在弹出窗口中，选择单位，单击下拉菜单，然后选择千米。单击降雨旁边指向您所找到的城市附近的风速箭头。 然后，双击该城市。在示例图像中，指向东北方向、风速为 17 千米/小时的箭头距离亚历山大约 180 千米。 照此速度，降雨需要 10 多个小时的时间能够到达该城市。 此外，该地区的其他站点记录到无风、风速较低或风向更偏东。 降雨可能会通过城市的整个南部。 降雨距离您找到的城市有多远？考虑到风速和风向，降雨到达该城市需要多长时间？是否有其他风型可能导致降雨避开您的城市？总体而言，您认为您的城市发生降雨的可能性有多大？风不是影响降雨的唯一因素。 气压也很重要。 低压导致空气上升、冷却并凝结成雨云。 高压导致空气下降并升温。 在北半球，空气往往围绕低压系统逆时针移动，围绕高压系统顺时针移动（这种趋势在南半球则相反）。 根据您的卫星图像、降雨和风速图层，您可以预测高压和低压的位置。 在测量窗口上方，单击清除测量按钮。导航到 Contiguous United States 书签并打开 NOAA Infrared Satellite Imagery Transparent 图层。根据您刚刚了解的气压知识，您认为美国的什么地方气压最高？ 什么地方气压最低？您将使用添加草图工具来追踪您的预测。 在设置工具栏上，单击添加草图。草图窗格随即与垂直的草图工具栏一起显示。 在草图工具列表中，单击文本工具。在地图上单击您认为气压高的位置。 在草图窗格中，对于内容，键入 H，对于大小，键入 45。地图随即更新。 在此示例图像中，新墨西哥州中部由于缺少降雨、云层较低（深色）和大致的顺时针风向（尽管风不是以一致的顺时针方向移动）而被选为可能存在高压的区域。 接下来，您将标出压力较低的区域 在地图上单击您认为压力低的位置。 在草图窗格中，将内容的文本从 H 更改为 L。在示例图像中，路易斯安那州被选为可能存在低压的区域。 它不仅有强降雨和高（白色）云层，而且风大致围绕它逆时针移动。 再添加两个地图注释，一个用于预测的高压区域，另一个用于预测的低压区域。在图层窗格中，对于草图图层，单击选项，然后选择重命名。 对于标题，键入 Pressure Predictions，并添加今天的日期。 单击确定。接下来，您将打开气压图层，以查看您的预测是否准确。 在图层窗格中，关闭除 Pressure Predictions 以外的所有图层并打开 NOAA METAR Pressure 图层。单击确定，然后单击完成。您的预测是否准确？是否有其他您没有预测到的高压或低压区域？是否有任何您无法预测的高压或低压区域出现？根据气压，哪些区域可能很快就会有降雨？保存地图。用温度预测降雨您已根据现有降雨、风向和气压预测降雨。 但是影响降雨的因素还有很多，其中包括温度和湿度。 空气所能容纳的水蒸气量取决于它的温度（空气越热容纳的越多）。 当空气中的水蒸气达到其所能容纳的最大值时，它就会饱和。 水蒸气开始凝结成微小的水滴，使其脱离空气。 这种凝结会产生降雨。 当容纳大量水分的热风突然冷却时，就会出现饱和现象。 您的温度数据包含一个名为 Dew Point Temperature 的字段。 露点温度是空气冷却至饱和所必须达到的温度。 因此，露点温度是空气中水分含量的量度。 如果露点温度接近空气温度，则空气的相对湿度较高并且可能很快饱和。 露点与气温相差很大时，空气干燥。 要确定露点和气温接近的地点，您需要创建一个改变样式的 Arcade 表达式。 您不能为子图层创建 Arcade 表达式，所以必须首先添加一个新版本的原始风速和方向图层，该图层只显示站点，而不显示浮标。 在内容窗格中，关闭 Pressure Predictions 和 NOAA METAR Pressure 图层。对于 Current Weather and Wind Station Data - Stations 图层，单击选项，然后单击复制。将复制的图层重命名为 NOAA METAR Dew Point Temperature Difference。如有必要，请打开 NOAA METAR Dew Point Temperature Difference 图层，然后单击该图层以将其激活。 在设置工具栏中，单击样式。在样式窗格中，对于选择属性，移除风速 (km/h) 字段。单击表达式按钮。一个创建 Arcade 表达式的窗口随即出现。 您创建的表达式将非常简单。 它用空气温度减去露点温度，得到两个值的差。 然后，它将确定这个差值是大于还是小于 4 华氏度。 如果差值小于 4，则接近饱和度（可能还有降雨）。 如果差值大于 4，则饱和的可能性较低。 将表达式的名称更改为 Dew Point Temperature Difference，然后单击框外的任意位置。单击展开按钮以查看侧选项卡。单击配置文件变量，然后单击 $feature 旁的箭头。在配置文件变量窗格中的值下，单击 $feature.TEMP（您可能需要向下滚动）。$feature.TEMP 值随即添加至表达式框。 在 Arcade 表示法中，它指的是 Air Temperature 字段。 在表达式框的 $feature.TEMP 之后，按空格键。 输入-（减号），然后再次按空格键。在配置文件变量窗格中，滚动字段列表，然后单击 $feature.DEW_POINT。您的表达式现在用空气温度减去露点温度。 接下来，您将调整表达式以确定差值是否小于 4。 在表达式框中的现有表达式两边添加括号。 在表达式的结尾，按空格键并输入 < 4。完整的表达式为 ($feature.TEMP - $feature.DEW_POINT) < 4。 单击完成。保存表达式后，地图将默认以计数和数量（大小）的符号显示。 您将更改样式，以展示两种不同的符号。 在样式窗格中，对于选取样式，向下滚动并选择类型（唯一符号）。符号系统将更新以反映更改。 地图有两种类型的符号：false（红色）和 true（蓝色）。 当气温和露点温度差大于 4 时，您创建的表达式为 false。 当差值小于 4 时为 true。 蓝点显示接近饱和的地区。 注：选择数字 4 是因为它很小，但是如果差值是 6 度甚至 10 度，这个区域可能仍有饱和的风险。 对于可选挑战，在样式窗格中，单击 Dew Point Temperature Difference 按钮。 更改表达式，以找到差值小于 6 或 10 度的值，并将结果与差值小于 4 度的值进行比较。 您找到了什么模式？各种表达方式之间有什么不同，又有什么相似之处？在样式窗格中，单击完成。您的露点温差表达式是良好的降雨预测因子吗？如果您完成了可选挑战（参见上一步的注释），哪个表达式看上去是降雨的最佳预测因子？根据露点温差，哪些区域目前没有但可能很快就会有降雨？很难同时比较露点温差和气温，因为这些图层大多存在重叠。 另一种比较它们的方法是标注要素。 基于温度的标注接下来，您可以使用每个点的气温标注露点温差图层。 在图层窗格中，打开 NEXRAD Precipitation 图层，确保已选择 NOAA METAR Dew Point Temperature Difference 图层。在设置工具栏中，单击标注，并确保启用标注已打开。单击添加标注类。对于标注字段，单击下拉菜单并选择 Air Temperature。标注包含小数位。 您将使用 Arcade 将其更改为小数点后 0 位。 单击 Air Temperature 字段旁边的 Arcade 按钮。将表达式命名为 Air Temperature (No Decimals)，然后单击文本框外的任意位置。在表达式框中，输入（或复制并粘贴）以下表达式：Round($feature.TEMP, 0) 此表达式可将 Air Temperature 字段舍入到 0 个小数位。 如果标注过小不易识别，可以增大其尺寸。 对于标注样式，单击编辑标注样式下拉菜单。在标注样式窗格中，单击大小旁的向上箭头，调整至满意的地图标注大小。关闭标注样式窗格和标注要素窗格。小数即从地图上的标注中移除。 注：如果标注未显示，请调整可见范围滑块到适当的比例尺。 在聚集了许多点的区域（例如，在示例图像中位于亚利桑那州菲尼克斯附近的区域），一些标注可能不会出现。 如果放大，您就能够看到所有标注。 探索地图，回答以下问题：接近饱和的空气是否会变暖或变冷？ 还是没有相关性？降雨更容易在接近饱和的冷空气附近发生还是在暖空气附近发生？您已使用 Arcade 语言去除了标注的小数点，并放大了字号，使其在地图上更加清晰可见。 检查飓风飓风是大型风暴，往往在海洋上空形成。 飓风可能登陆并造成财产和生命损失，而且经常伴有强风、降雨和低压。 接下来，您将检查飓风图层，并了解飓风与其他一些数据图层之间存在的联系。 注：根据您学习本教程时在一年中所处的时间，可能没有任何活跃的飓风。 如果没有，则可以跳过本部分。 在图层窗格中，关闭 NOAA METAR Dew Point Temperature Difference 和 NEXRAD Precipitation 图层，然后打开以下图层：Active Hurricanes, Cyclones and Typhoons – Forecast Error ConeActive Hurricanes, Cyclones and Typhoons – Observed TrackActive Hurricanes, Cyclones and Typhoons – Forecast TrackActive Hurricanes, Cyclones and Typhoons – Observed PositionActive Hurricanes, Cyclones and Typhoons – Forecast Position浏览地图，直到找到活跃的暴风雨。示例图像显示了马达加斯加附近的热带风暴 Chalane。 每个橙色点代表风暴存在的每一天所观察到的位置。 在内容工具栏上，单击图例。在地图上，单击任意飓风位置点以查看包含更多信息的弹出窗口，例如观察或预测位置的日期和时间。根据 Observed Track 判断，Chalane 在开始生成时是什么样的风暴？ 随着时间的推移，此飓风变强了还是变弱了？ （在图例中，符号从最弱到最强排序，Hurricane5 是最强的。）根据 Forecast Position 判断，此风暴将在未来几天变成什么样的风暴？ 会变得比现在更强还是更弱？热带风暴 Chalane 起初是一个相对较弱的热带低气压，但最终成为热带风暴。 预计在接下来的几天里风暴会加大强度，可能成为飓风。 使用测量工具测量风暴每天移动多少千米。风暴的移动速度为多少千米/小时？ 它会随着时间的推移加速或减速吗？返回到图层窗格。 打开 NOAA Infrared Satellite Imagery Transparent 图层，请将底图更改为浅灰色画布。根据您学习本教程时在一年中所处的时间和特定日期，您可能无法清楚地看到飓风影像。 如果是这样，请以 2018 年 11 月在马达加斯加沿岸的飓风 Alcide 为例，回答以下问题： 您能在图像中看到飓风吗？ 与飓风轨迹线的宽度相比有多大？飓风周围的云层是什么形状？如果这场飓风登陆，会覆盖多大的区域？返回至 Contiguous United States 书签。 关闭所有图层。插值温度到目前为止，您所做出的天气预测一直是确定未来的天气情况。 但是，有时候预测没有数据可用区域的天气非常重要。 您的温度、压力和风速数据都来自于世界各地的气象站。 但是，没有任何一个气象站可以覆盖世界上所有地方。 您怎样了解没有气象站的地区的天气情况？ 一种方法是插值成面。 插值法是根据与已知值的接近程度估算空间中的未知值。 其基本原理是使用已知的数据来猜测未知的数据。 您需要插入已定义地理区域的温度数据，这些数据必须足够多，以保证插值的准确性，但是还应有足够的间隙，这样插值才有用。 本练习选择美国的加利福尼亚州。 首先，过滤您的 States 图层，仅显示加利福尼亚州。 打开 States 图层，然后单击 States 图层以将其激活。在设置工具栏中，单击过滤器。过滤器窗口随即显示。 请创建一个简单的表达式，以便只显示带有州名 California 的要素。 在过滤器窗格中，单击添加表达式。在表达式设置中，保持 STATE_NAME 作为第一项值不变，并且不更改第二个下拉菜单的选项。 对于第三个下拉菜单，选择 California。表达为 STATE_NAME is California。 单击保存并放大到加利福尼亚州。请导航至加利福尼亚州，这是现在 States 图层中显示的唯一的州。 打开 NOAA METAR Temperature 图层。加利福尼亚州在南部海岸（洛杉矶和圣地亚哥所在地）以及旧金山湾附近有许多气象站。 通常，站点的数量往往与人口中心相对应。 但该州的东部和北部地区站点较少。 使用插值法可以估算这些区域的温度。 在设置工具栏中，单击分析。 在分析窗格中，单击工具。在工具窗格中，展开分析模式，然后选择插值点。插值点窗格随即出现。 此窗格包含有关插值方式的选项。 对于输入点，单击图层，然后选择 NOAA METAR Temperature 图层。 对于要插值的字段，单击默认字段并选择列表中的第一个 Air Temperature 属性，以替换默认字段。您还可以决定是否要优化插值过程以提高速度或准确性。 默认情况下，该工具不会为了达到您的目的而优先考虑速度或准确性。 但是，您希望更改选项，以便将插值过滤到加利福尼亚州。 展开可选图层。 对于裁剪面，单击图层，然后选择 States。因为您过滤了图层以仅显示 California，所以这也会将插值表面裁剪到加利福尼亚州。 在结果图层下，对于输出要素名称，键入 California Temperature Interpolation 并添加当前日期（仅数值，无特殊字符）。展开环境设置，确保处理范围设置为全图范围（默认），然后单击运行。工具随即开始运行，图层将添加到地图中。 您的结果可能会与示例图像不同。 温度与距离海洋的远近之间是否存在关系？ 如果有，是什么关系呢？加利福尼亚州拥有美国海拔最高或最低的一些区域。 温度与海拔之间是否存在关系？ 尝试使用显示山脉等地形要素的底图来帮助回答这个问题。插值表面与工作站温度数据的匹配程度如何？该插值点工具使用的统计插值方法为经验贝叶斯克里金法。 根据该方法的文档，您对插值表面的准确性有多大信心？对于可选挑战，请尝试创建加利福尼亚州的大气压或风速插值表面（为此，您可以更改插值点工具的选择要插值的字段参数）。 您在结果中看到哪些模式？ 这些模式与插值表面温度中看到的模式有何不同？放大到加利福尼亚州的东北角。 如有必要，在图层窗格中将 NOAA METAR Temperature 图层拖动到 California Temperature Interpolation 图层上方，以使气象站位置更清楚。该区域有多少气象站？与旧金山湾区相比，您对所预测表面温度有多大信心？ 这是为什么？如果插值表面包含俄勒冈州和内华达州气象站的数据，您认为该区域的插值表面会更准确吗？ 加利福尼亚州的哪个（些）区域在加入临州气象站的数据后可以获得更准确的插值表面？对于可选挑战，请尝试为加利福尼亚州、内华达州、俄勒冈州和亚利桑那州创建插值表面温度（为此，您可以向 States 图层过滤器添加表达式）。 您注意到有什么不同？导航到 North Africa 书签。如果您要创建阿尔及利亚的插值表面，那么与您为加利福尼亚州创建的插值表面相比，您对它有多大的信心？您认为世界上哪些区域有最准确的插值表面？ 哪些区域的插值表面最不准确？对于可选挑战，请尝试为阿尔及利亚创建插值表面温度。 您需要在地图中添加哪个图层才能创建此插值表面？ 何处可以找到这个图层？导航至 California, United States 书签。 打开 Counties 图层。县是州的分区，通常要小得多。 每个县大约有多少个气象站？您是否对为单个县创建的插值表面有信心？导航至 Contiguous United States 书签。 关闭 States，Counties，以及 California Temperature Interpolation 图层。保存地图。现在，您不仅已经预测了不同时间的天气，而且预测了不同空间的天气。 在本教程中，您已经了解到温度、降雨、气压和风如何共同作用创造出您所体验到的温度。 您回答了有关数据的问题，并对其进行统计分析，获得了新的见解。 您可以将本教程中学习的许多概念应用于任何与天气相关的 GIS 工作流，或者创建自己的工作流。 使用实时数据，您可以回答哪些本教程中未提及的问题？ 您可以在教程库中找到更多教程。 |
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