基于动力学约束和变分方法卫星遥感云导风反演预报方法技术

本发明专利技术公开了基于动力学约束和变分方法卫星遥感云导风反演预报方法。具体技术方案步骤：步骤1：读取风云四号卫星的原始资料，生成包含云量和格点位置信息的数据文件；步骤2：在所有格点上计算云量变化方程中与云量相关的各项；步骤3：在动力学约束下变分求解云量变化方程中的矢量风格点场；步骤4：利用拉格朗日向前积分方案进行统计外推，并生成云图预报产品。本发明专利技术利用高分辨率静止气象卫星（如我国风云四号卫星）实时获取云量数据，在动力学约束下、通过变分方法求解云量变化方程并得到风矢量场，进而对未来0~3小时内的云量进行外推预报。

【技术实现步骤摘要】
基于动力学约束和变分方法卫星遥感云导风反演预报方法
本专利技术涉及短临天气预报
，特别是涉及基于动力学约束和变分方法卫星遥感云导风反演预报方法。
技术介绍
短临预报是指对未来0~3小时内的天气系统、气象要素等的预报。在此预报时效内，基于历史和实时监测数据的统计外推技术是制作预报产品的主要手段。随着静止气象卫星的时空分辨率越来越高，卫星图像已经能够很好的提供大范围天气状况的相关信息，特别是云量（天空被云遮蔽的成数）分布。对卫星监测得到的格点化云量数据而言，成功实现短临外推的关键是计算出区域内的格点化风矢量场（包括风向、风速）。当前，利用云量图像计算风矢量场主要有两种常用方法。一是交叉相关追踪法，即通过平移、旋转等图像处理技术，寻找相邻时次云量图像的最大相关系数，通过追踪区域的位置变化，得到相应的位移矢量，进而给出风矢量场。二是光流法，即通过计算云量在格点上的时间变化率，在全局约束或局部约束下求解光流方程，进而估计出风矢量场。以上两种方法都是通过将计算机图像追踪识别技术简单移植到云量短临预报上而实现的，并没有考虑与天气相关的动力学特征，因此在复杂天气过程中往往存在较大的预报误差。针对这一缺陷，本专利技术提出一种基于动力学约束和变分方法的卫星云量短临预报技术，利用高分辨率静止气象卫星（如我国风云四号卫星）实时获取云量数据，在动力学约束下、通过变分方法求解云量变化方程并得到风矢量场，进而对未来0~3小时内的云量进行外推预报。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出基于动力学约束和变分方法卫星遥感云导风反演预报方法，利用高分辨率静止气象卫星（如我国风云四号卫星）实时获取云量数据，在动力学约束下、通过变分方法求解云量变化方程并得到风矢量场，进而对未来0~3小时内的云量进行外推预报。为达此目的，本专利技术提供基于动力学约束和变分方法卫星遥感云导风反演预报方法，具体为：步骤1：读取卫星的原始资料，生成包含云量和格点位置信息的数据文件；具体为，利用卫星数据接收器实时接收卫星的监测数据，对原始数据利用九点中值滤波方法进行质量控制，减小原始数据中的随机噪声，生成包含云量和格点位置信息的数据文件，存储进资料数据库；步骤2：在所有格点上计算云量变化方程中与云量相关的各项；所述步骤2云量变化方程为：其中C为卫星监测到的云量，u为水平经向风、v为水平纬向风，F为局地强迫，表示个别变化，表示局地变化，根据云量数据计算上述公式中与云量相关的各项时，需要利用相邻两个时次的数据并且将上式中的偏微分项用差分格式，具体为：其中t表示当前时次，Δx和Δy分别表示经向和纬向的网格距，该公式建立在时次，时间偏微分和空间偏微分都采用两点中央差分的格式，通过t时次和t-1时次的云量场，在每个网格点上，直接计算上式中的α、β和γ项；具体计算时，利用当前时次t和刚过去一个观测时次t-1的云量数据C，在所有观测格点（i，j）上计算上式中的α、β、γ项：；步骤3：在动力学约束下变分求解云量变化方程中的矢量风格点场；步骤3中动力学约束为流体水平不可压缩假设，即：在该约束下，由于不含有水平的辐合辐散，所以局地强迫的贡献忽略，即F≈0,云量变化方程的偏微分项用差分格式，简化为：变分求解的具体方法为：首先定义泛函：其中L为常数参量，ux和vy分别通过计算，然后利用拉格朗日乘数法求解泛函极小化问题，即J→min，得到u、v的迭代方程为：其中n表示第n次迭代的结果，A由下式计算得到：上面两式中等号右边与u、v有关的量定义为：最后给定u、v的初值，均为零，利用u、v的迭代方程进行迭代求解，直到相邻两次迭代得到的u、v差值小于阈值为止；具体计算时，利用u、v的迭代方程以及A的计算公式以及u、v有关的量定义公式在所有观测格点（i，j）上进行迭代计算，即：其中取u、v的初值为零，即；L为常数参数，所有格点上均相同，取为；当第n+1次迭代与第n次迭代的风矢量全格点累积均方根误差小于10-4为止，即满足：这时将un+1和vn+1作为最终估计得到的格点风矢量场；步骤4：利用拉格朗日向前积分方案进行统计外推，并生成云图预报产品。作为本专利技术进一步改进，所述步骤4具体为，利用拉格朗日向前积分方案，从当前时次进行外推，即：其中k为预报时次与当前预报时次的间隔，由于外推得到的云量场所处格点不一定正好位于原网格点（i，j）上，所以利用Kriging插值方法将外推预报云量场插值到与观测云量场相同的网格上。本专利技术提出一种基于动力学约束和变分方法的卫星云量短临预报技术，利用高分辨率静止气象卫星（如我国风云四号卫星）实时获取云量数据，在动力学约束下、通过变分方法求解云量变化方程并得到风矢量场，进而对未来0~3小时内的云量进行外推预报。附图说明图1是方法架构和执行流程图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术做进一步详细描述。本专利技术工作流程图如图1所示，具体为：步骤1：读取风云四号卫星的原始资料，生成包含云量和格点位置信息的数据文件；具体为，利用卫星数据接收器实时接收风云四号卫星的监测数据，对原始数据利用九点中值滤波方法进行质量控制，减小原始数据中的随机噪声，生成包含云量和格点位置信息的数据文件，存储进资料数据库；步骤2：在所有格点上计算云量变化方程中与云量相关的各项，其中，云量变化方程为：其中C为卫星监测到的云量，u为水平经向风、v为水平纬向风，F为局地强迫，表示个别变化，表示局地变化，根据云量数据计算上述公式中与云量相关的各项时，需要利用相邻两个时次的数据并且将上式中的偏微分项用差分格式计算，具体为：其中t表示当前时次，Δx和Δy分别表示经向和纬向的网格距，该公式建立在时次，时间偏微分和空间偏微分都采用两点中央差分的格式，通过t时次和t-1时次的云量场，在每个网格点上，直接计算上式中的α、β和γ项；具体计算时，利用当前时次t和刚过去一个观测时次t-1的云量数据C，在所有观测格点（i，j）上计算上式中的α、β、γ项：步骤3：在动力学约束下变分求解云量变化方程中的矢量风格点场，动力学约束为流体水平不可压缩假设，即：在该约束下，由于不含有水平的辐合辐散，所以局地强迫的贡献忽略，即F≈0,云量变化方程的偏微分项用差分格式，简化为：变分求解的具体方法为：首先定义泛函：其中L为常数参量，ux和vy分别通过计算，然后利用拉格朗日乘数法求解泛函极小化问题，即J→min，得到u、v的迭代方程为：其中n表示第n次迭代的结果，A由下式计算得到：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于动力学约束和变分方法卫星遥感云导风反演预报方法，具体为：/n步骤1：读取卫星的原始资料，生成包含云量和格点位置信息的数据文件；/n具体为，利用卫星数据接收器实时接收卫星的监测数据，对原始数据利用九点中值滤波方法进行质量控制，减小原始数据中的随机噪声，生成包含云量和格点位置信息的数据文件，存储进资料数据库；/n步骤2：在所有格点上计算云量变化方程中与云量相关的各项；/n所述步骤2云量变化方程为：/n

【技术特征摘要】
1.基于动力学约束和变分方法卫星遥感云导风反演预报方法，具体为：
步骤1：读取卫星的原始资料，生成包含云量和格点位置信息的数据文件；
具体为，利用卫星数据接收器实时接收卫星的监测数据，对原始数据利用九点中值滤波方法进行质量控制，减小原始数据中的随机噪声，生成包含云量和格点位置信息的数据文件，存储进资料数据库；
步骤2：在所有格点上计算云量变化方程中与云量相关的各项；
所述步骤2云量变化方程为：



其中C为卫星监测到的云量，u为水平经向风、v为水平纬向风，F为局地强迫，表示个
别变化，表示局地变化，根据云量数据计算上述公式中与云量相关的各项时，需要利用相
邻两个时次的数据并且将上式中的偏微分项用差分格式，具体为：



其中t表示当前时次，Δx和Δy分别表示经向和纬向的网格距，该公式建立在时
次，时间偏微分和空间偏微分都采用两点中央差分的格式，通过t时次和t-1时次的云量场，
在每个网格点上，直接计算上式中的α、β和γ项；
具体计算时，利用当前时次t和刚过去一个观测时次t-1的云量数据C，在所有观测格点（i，j）上计算上式中的α、β、γ项：

；
步骤3：在动力学约束下变分求解云量变化方程中的矢量风格点场；
步骤3中动力学约束为流体水平不可压缩假设，即：



在该约束下，由于不含有水平的辐合辐散，所以局地强迫的贡献忽略，即F≈0,云量变化方程的偏微分项用差分格式，简化为：

【专利技术属性】
技术研发人员：郭洪涛，宋金杰，
申请(专利权)人：江苏铨铨信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32