计算机气象软件中基于位势高度数据的槽线自动绘制方法技术

本发明专利技术公开了计算机气象软件中基于位势高度数据的槽线自动绘制方法，可以实现天气图中气象槽线的自动提取绘制，包括以下步骤：曲率值计算：计算各网格点经向和纬向上的地转风速，并由此计算得到网格点处地转风的风向角度，在风速方向上对地转风风向角度求导得到曲率值。槽点追踪：提取局部曲率极小值作为槽线追踪起点，由槽线追踪起点开始，根据各网格点的曲率值较小邻接点的数量等约束条件对槽点进行追踪和连接，得到原始槽线。原始槽线处理：对提取出的原始槽线进行噪声剔除，平滑处理，生成满足气象业务需求的槽线。

Automatic plotting method of slot lines based on geopotential height data in computer meteorological software

The invention discloses a method for automatically drawing slot geopotential height data based on Meteorological computer software, can automatically extract meteorological weather map in the slot line drawing, which comprises the following steps: curvature value calculation: the calculation of the grid points on the meridional and zonal geostrophic wind speed, and the calculated grid points. The geostrophic wind angle, wind speed in the direction of the geostrophic wind angle converts curvature value. Slot point tracking: extraction of curvature minima as slot line tracking starting point, starting from the slot track starting point, according to the curvature of each mesh point value smaller neighbor number constraints on slot point tracking and connection, get the original slot line. Original slot line processing: noise extraction and smoothing of the extracted original groove lines are performed to generate slot lines that meet the requirements of meteorological operations.

【技术实现步骤摘要】
计算机气象软件中基于位势高度数据的槽线自动绘制方法
本专利技术涉及计算机气象软件中基于位势高度数据的槽线自动绘制方法。
技术介绍
中高层大气的研究内容主要包括等高线、等温线、湿度场、槽线和切变线以及温度平流和湿度平流。其中等高线，等温线等各种等值线的分析及绘制已经基本能够依靠计算机自动实现。但是目前高空槽线的分析主要依靠人工实现，一方面，人工分析绘制的工作量较大，效率较为低下；另一方面，槽线的分析中预报员主观上分析经验的不同，客观上侧重依据的差异，都会对槽线的分析结果产生影响，不利于改进提高及推广应用。目前，常见的槽线自动提取分析主要集中在地形数据中山脊山谷线的提取和指纹图形数据的槽线提取两方面，这些算法都是针对相关领域特点提出的，该类提取算法与气象槽线的分析存在着较大差异，并不能完全适用于气象槽线的分析。因此，建立一个稳定、准确的系统来实现气象槽线的自动绘制，对于实现天气图自动分析、提高工作效率具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术不足，提供了计算机气象软件中基于位势高度数据的槽线自动绘制方法，具体包括如下步骤：步骤1，计算曲率值：根据位势高度网格数据计算各网格点纬向和经向上的地转风风速，由风速计算结果得到地转风风向角度，并映射到角度坐标系中，在网格点风速方向上对地转风风向角度求导得到网格点的曲率值，该曲率值可视为过该网格点的位势高度等值线在该点处的曲率值，最后计算各网格点的曲率值较小邻接点的数量；步骤2，槽点追踪：提取局部曲率极小值所在的网格点作为槽线追踪起点，从追踪起点开始，根据各网格点的曲率值较小邻接点的数量和追踪方向等约束条件，先沿曲率值较大的方向进行槽点的追踪和连接，当该方向追踪结束后，由槽线追踪起点开始对另一个曲率值较大的方向进行槽点的追踪和连接，得到原始槽线；步骤3，处理原始槽线：对步骤2追踪得到的原始槽线，进行噪声剔除和平滑处理，最终生成满足气象业务需求的槽线；步骤4，根据步骤3的结果，自动提取绘制位势高度场的槽线并显示在计算机屏幕上。本专利技术步骤1包括以下步骤：步骤1-1，计算纬向和经向上的地转风风速：在位势高度场网格数据中，在经向即垂直方向上对位势高度值求偏导，计算得到纬向上的地转风风速；在纬向即水平方向上对位势高度值求偏导，计算得到经向上的地转风风速；步骤1-2，计算地转风风向角度：遍历位势高度场网格数据，根据纬向和经向上的地转风风速计算得到各网格点的地转风风向角度，映射到角度坐标系中；步骤1-3，计算网格点的曲率值：利用双线性插值法得到网格点地转风风向上距离处一网格点的风向，其中L为网格点距，在网格点的地转风方向上对地转风风向角度求偏导得到该网格点的曲率值；步骤1-4，计算得到各网格点的曲率值较小邻接点的数量：遍历位势高度场网格数据中的网格点，比较该点与其周围八个邻接点的曲率值，得到每个网格点的曲率值较小邻接点数量。本专利技术步骤1-1包括以下步骤：步骤1-1-1，通过如下公式计算科里奥利参数：其中，f为该网格点对应的科里奥利参数，ω为地球自传角速度，为地理纬度，根据各网格点的地理纬度不同，分别计算出其所对应的科里奥利参数；步骤1-1-2，计算纬向的地转风风速：根据各网格点的科里奥利参数f，在经向即垂直方向上对位势高度值求偏导，乘上科里奥利参数f的-1次方，对计算结果取相反数，得到纬向上的地转风风速，其计算公式如下所示：其中，ug为纬向地转风风速，φ为位势高度值，y表示垂直方向，表示位势高度在垂直方向上的偏导数值；对于位势高度场网格数据中非首行和非末行的数据网格点，即行标大于1且小于数据行数Row的数据点，采用中央差分法计算位势高度在垂直方向上的偏导数值计算公式如下所示：其中，φi,j为第i行第j列的数据网格点的位势高度值，φi-1,j为第i-1行第j列的数据网格点的位势高度值，φi+1,j为第i+1行第j列的数据网格点的位势高度值，y表示垂直方向；对于位势高度场网格数据中的首行和末行数据，分别采用后项差分法和前项差分法计算位势高度在垂直方向上的偏导数值计算公式如下所示：其中，φRow,j为第Row行第j列的数据网格点的位势高度值，φRow-1,j为第Row-1行第j列的数据网格点的位势高度值；在作差分计算时，用行标较小网格点的位势高度值减去行标较大网格点的位势高度值；将各网格点位势高度在垂直方向上的偏导数值与科里奥利参数的-1次方相乘，并将计算结果取相反数，得到纬向地转风风速；步骤1-1-3，计算经向的地转风风速：根据各网格点的科里奥利参数f，在纬向即水平方向上对位势高度值求偏导，乘上科里奥利参数f的-1次方，得到经向上的地转风风速，其计算公式如下所示：其中，vg为经向地转风风速，f为科里奥利参数，x表示水平方向，表示位势高度在水平方向上的偏导数值；对于位势高度场网格数据中非首列和非末列的数据网格点，即列标大于1且小于数据列数Rank的数据点，采用中央差分法计算位势高度在水平方向上的偏导数值计算公式如下所示：其中，φi,j+1为第i行第j+1列的数据网格点的位势高度值，φi,j-1为第i行第j-1列的数据网格点的位势高度值；对于网格数据中的首列和末列数据，分别采用后项差分法和前项差分法计算位势高度在水平方向上的偏导数值计算公式如下所示：φi,Rank为第i行第Rank列的数据网格点的位势高度值；在作差分计算时，用列标较大网格点的位势高度值减去列标较小网格点的位势高度值；将各网格点位势高度在水平方向上的偏导数值与科里奥利参数的-1次方相乘，得到经向地转风风速。本专利技术步骤1-2包括以下步骤：步骤1-2-1，根据经向及纬向的地转风风速计算地转风风向角度：将纬向地转风风速ug与经向地转风风速vg相除，对计算结果做反正切运算，得到地转风风向角度，计算公式如下所示：其中，θi,j表示i行j列上的地转风风向角度，ugi,j为i行j列上的纬向地转风风速，vgi,j为i行j列上的经向地转风风速；步骤1-2-2，将地转风风向角度映射至角度坐标系：将角度坐标系规定如下：定义正北为0°，正东为90°，正南为180°，正西为270°，根据经向、纬向的地转风风速的正负，将地转风风向角度映射至角度坐标系中，公式如下所示：映射完成之后，得到在统一角度坐标系下全部数据网格点的地转风风向角度值θi,j。本专利技术步骤1-3包括以下步骤：步骤1-3-1，计算非边界网格点的曲率值：利用双线性插值法得到网格点地转风风向上一定距离处两点处的地转风风向角度，在网格点地转风风向上进行中央差分运算，得到非边界网格点处的曲率值；步骤1-3-2，计算边界网格点的曲率值：利用双线性插值法得到网格点地转风风向上一定距离处一点处的地转风风向角度，在网格点地转风风向上进行前项或后项差分运算，得到边界网格点处的曲率值。本专利技术步骤1-3-1包括以下步骤：步骤1-3-1-1，插值计算邻近两点的地转风风向角度：利用双线性插值法进行计算，网格点距为L，网格点距即相邻数据网格点之间的距离，其中，A，D，H，F，I，J，K为网格点，A为待求曲率值的网格点，D、H、F、K、I、J分别为A点的右侧网格点、右上方网格点、上方网格点、左侧网格点、左下方网格点和下方网格点，E、G、B分别为AD上的点、FH上的点和EG上的点，AB本文档来自技高网...

【技术保护点】
计算机气象软件中基于位势高度数据的槽线自动绘制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，计算曲率值：根据位势高度网格数据计算各网格点纬向和经向上的地转风风速，由风速计算结果得到地转风风向角度，并映射到角度坐标系中，在网格点风速方向上对地转风风向角度求导得到网格点的曲率值，该曲率值视为过该网格点的位势高度等值线在该点处的曲率值，最后计算各网格点的曲率值较小邻接点的数量；步骤2，槽点追踪：提取局部曲率极小值所在的网格点作为槽线追踪起点，从追踪起点开始，根据各网格点的曲率值较小邻接点的数量和相应约束条件，先沿曲率值较大的方向进行槽点的追踪和连接，当该方向追踪结束后，由槽线追踪起点开始对另一个曲率值较大的方向进行槽点的追踪和连接，得到原始槽线；步骤3，处理原始槽线：对步骤2追踪得到的原始槽线，进行噪声剔除和平滑处理，生成满足气象业务需求的槽线；步骤4，根据步骤3的结果，自动提取绘制位势高度场的槽线并显示在计算机屏幕上。

【技术特征摘要】
1.计算机气象软件中基于位势高度数据的槽线自动绘制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，计算曲率值：根据位势高度网格数据计算各网格点纬向和经向上的地转风风速，由风速计算结果得到地转风风向角度，并映射到角度坐标系中，在网格点风速方向上对地转风风向角度求导得到网格点的曲率值，该曲率值视为过该网格点的位势高度等值线在该点处的曲率值，最后计算各网格点的曲率值较小邻接点的数量；步骤2，槽点追踪：提取局部曲率极小值所在的网格点作为槽线追踪起点，从追踪起点开始，根据各网格点的曲率值较小邻接点的数量和相应约束条件，先沿曲率值较大的方向进行槽点的追踪和连接，当该方向追踪结束后，由槽线追踪起点开始对另一个曲率值较大的方向进行槽点的追踪和连接，得到原始槽线；步骤3，处理原始槽线：对步骤2追踪得到的原始槽线，进行噪声剔除和平滑处理，生成满足气象业务需求的槽线；步骤4，根据步骤3的结果，自动提取绘制位势高度场的槽线并显示在计算机屏幕上。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括以下步骤：步骤1-1，计算纬向和经向上的地转风风速：在位势高度场网格数据中，在经向即垂直方向上对位势高度值求偏导，计算得到纬向上的地转风风速；在纬向即水平方向上对位势高度值求偏导，计算得到经向上的地转风风速；步骤1-2，计算地转风风向角度：遍历位势高度场网格数据，根据纬向和经向上的地转风风速计算得到各网格点的地转风风向角度，映射到角度坐标系中；步骤1-3，计算网格点的曲率值：利用双线性插值法得到网格点地转风风向上L/2处一网格点的风向，其中L为网格点距，在网格点的地转风方向上对地转风风向角度求偏导得到该网格点的曲率值；步骤1-4，计算得到各网格点的曲率值较小邻接点的数量：遍历位势高度场网格数据中的网格点，比较该点与其周围八个邻接点的曲率值，得到每个网格点的曲率值较小邻接点数量。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1-1包括以下步骤：步骤1-1-1，通过如下公式计算科里奥利参数：其中，f为该网格点对应的科里奥利参数，ω为地球自传角速度，为地理纬度，根据各网格点的地理纬度不同，分别计算出其所对应的科里奥利参数；步骤1-1-2，计算纬向的地转风风速：根据各网格点的科里奥利参数f，在经向即垂直方向上对位势高度值求偏导，乘上科里奥利参数f的-1次方，对计算结果取相反数，得到纬向上的地转风风速，其计算公式如下所示：其中，ug为纬向地转风风速，φ为位势高度值，y表示垂直方向，表示位势高度在垂直方向上的偏导数值；对于位势高度场网格数据中非首行和非末行的数据网格点，即行标大于1且小于数据行数Row的数据点，采用中央差分法计算位势高度在垂直方向上的偏导数值计算公式如下所示：其中，φi,j为第i行第j列的数据网格点的位势高度值，φi-1,j为第i-1行第j列的数据网格点的位势高度值，φi+1,j为第i+1行第j列的数据网格点的位势高度值，y表示垂直方向；对于位势高度场网格数据中的首行和末行数据，分别采用后项差分法和前项差分法计算位势高度在垂直方向上的偏导数值计算公式如下所示：其中，φRow,j为第Row行第j列的数据网格点的位势高度值，φRow-1,j为第Row-1行第j列的数据网格点的位势高度值；在作差分计算时，用行标较小网格点的位势高度值减去行标较大网格点的位势高度值；将各网格点位势高度在垂直方向上的偏导数值与科里奥利参数的-1次方相乘，并将计算结果取相反数，得到纬向地转风风速；步骤1-1-3，计算经向的地转风风速：根据各网格点的科里奥利参数f，在纬向即水平方向上对位势高度值求偏导，乘上科里奥利参数f的-1次方，得到经向上的地转风风速，其计算公式如下所示：其中，vg为经向地转风风速，f为科里奥利参数，x表示水平方向，表示位势高度在水平方向上的偏导数值；对于位势高度场网格数据中非首列和非末列的数据网格点，即列标大于1且小于数据列数Rank的数据点，采用中央差分法计算位势高度在水平方向上的偏导数值计算公式如下所示：其中，φi,j+1为第i行第j+1列的数据网格点的位势高度值，φi,j-1为第i行第j-1列的数据网格点的位势高度值；对于网格数据中的首列和末列数据，分别采用后项差分法和前项差分法计算位势高度在水平方向上的偏导数值计算公式如下所示：φi,Rank为第i行第Rank列的数据网格点的位势高度值；在作差分计算时，用列标较大网格点的位势高度值减去列标较小网格点的位势高度值；将各网格点位势高度在水平方向上的偏导数值与科里奥利参数的-1次方相乘，得到经向地转风风速。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1-2包括以下步骤：步骤1-2-1，根据经向及纬向的地转风风速计算地转风风向角度：计算公式如下所示：其中，θi,j表示i行j列上的地转风风向角度，ugi,j为i行j列上的纬向地转风风速，vgi,j为i行j列上的经向地转风风速；步骤1-2-2，将地转风风向角度映射至角度坐标系：将角度坐标系规定如下：定义正北为0°，正东为90°，正南为180°，正西为270°，根据经向、纬向的地转风风速的正负，将地转风风向角度映射至角度坐标系中，公式如下所示：映射完成之后，得到在统一角度坐标系下全部数据网格点的地转风风向角度值θi,j。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1-3包括以下步骤：步骤1-3-1，计算非边界网格点的曲率值：利用双线性插值法得到网格点地转风风向上一定距离处两点处的地转风风向角度，在网格点地转风风向上进行中央差分运算，得到非边界网格点处的曲率值；步骤1-3-2，计算边界网格点的曲率值：利用双线性插值法得到网格点地转风风向上一定距离处一点处的地转风风向角度，在网格点地转风风向上进行前项或后项差分运算，得到边界网格点处的曲率值。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤1-3-1包括以下步骤：步骤1-3-1-1，插值计算邻近两点的地转风风向角度：利用双线性插值法进行计算，网格点距为L，网格点距即相邻数据网格点之间的距离，其中，A，D，H，F，I，J，K为网格点，A为待求曲率值的网格点，D、H、F、K、I、J分别为A点的右侧网格点、右上方网格点、上方网格点、左侧网格点、左下方网格点和下方网格点，E、G、B分别为AD上的点、FH上的点和EG上的点，AB和AC的长度均为α为A点的地转风风向角度，E点的纬向地转风风速和经向地转风速由A、D两点的数据插值求出，计算公式如下所示：其中ugE，ugA，ugD分别为E点的纬向地转风速，A点的纬向地转风速和D点的纬向地转风速，vgE，vgA，vgD分别为E点的经向地转风速，A点的经向地转风速和D点的经向地转风速；G点的纬向地转风风速和经向地转风速由F、H两点的数据插值求出，计算公式如下所示：其中ugG，ugF，ugH分别为G点的纬向地转风速，F点的纬向地转风速和H点的纬向地转风速，vgG，vgF，vgH分别为G点的经向地转风速，F点的经向地转风速和H点的经向地转风速；B点的纬向地转风风速和经向地转风速由G、E两点的数据插值求出，计算公式如下所示：其中ugB，ugG，ugE分别为B点的纬向地转风速，G点的纬向地转风速和E点的纬向地转风速，vgG，vgF，vgH分别为B点的经向地转风速，G点的经向地转风速和E点的经向地转风速；计算C点纬向地转风风速和经向地转风风速：利用A，I，J，K四个网格点进行插值，得到C点的纬向地转风速ugc和C点的经向地转风速vgc，公式如下所示：其中，ugL，ugA，ugk，ugM，ugJ，ugI，ugC分别为L的纬向地转风风速、A的纬向地转风风速、K的纬向地转风风速、M的纬向地转风风速、J的纬向地转风风速、I的纬向地转风风速和C的纬向地转风风速，vgL，vgA，vgK，vgM，vgJ，vgI，vgC分别为L的经向地转风风速、A的经向地转风风速、K的经向地转风风速、M的经向地转风风速、J的经向地转风风速、I的经向地转风风速和C的经向地转风风速；...

【专利技术属性】
技术研发人员：李骞，黄岩，范茵，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32