本发明专利技术涉及在网格天气预报中实现涡旋去除和涡旋移动的方法，通过动力学迭代卷积算法为基础实现台风涡旋去除、台风位置移动的功能，以得到合理的风场结构，使得在网格天气预报中对台风数据进行更好的实时交互，解决台风网格预报中主客观交互订正功能缺失的问题。本发明专利技术采用的涡旋分离方法采用动力学迭代卷积法去除风场涡旋，同时使用位势运动进行动量恢复，能较好地解决风速偏小以及与环境背景风场不连续的问题。本发明专利技术使用涡旋逐步迭代和缓冲区融合技术方案进行涡旋位置的移动。本发明专利技术方案能做到涡旋位置的精确定位移动，同时满足外围风场的风场连续性特征。围风场的风场连续性特征。围风场的风场连续性特征。
【技术实现步骤摘要】
在网格天气预报中实现涡旋去除和涡旋移动的方法及装置
[0001]本专利技术涉及天气预报相关
，尤其涉及在网格天气预报中实现涡旋去除和涡旋移动的方法及装置。
技术介绍
[0002]对涡旋的分离和移动是网格天气预报中台风订正的重要步骤，现有风场涡旋分离技术主要分为以下几类：(1)滤波方法。此种方法把涡旋当作扰动风场，当去除扰动场后保留的背景场即为风场背景场，此类方法原理一般以滤波方法把涡旋都当作高频信号进行移除，保留下低频的风场信号，以此作为背景场。(2)流函数分离法，此种方法的原理是把原始风场按照流函数和势函数进行分解，把分解出的无旋场当作背景场，有旋场当作气旋的涡场。(3)迭代平均法。此种方法的原理是对风场进行多次的卷积平滑，最终得到平滑的风场作为分离出的背景场。
[0003]这几类涡旋分离的方法的主要缺陷有以下几方面：(1)涡旋本体位置在分离后风场的风速会与背景场不协调，常出现在原本台风区域的风速明显减小。(2)涡旋去除边界处出现风速的不连续，在涡旋分离的边界内部和外部往往出现显著的风向突变和风速突变，不满足风速的连续性原则。
[0004]当前业务应用的涡旋移动方案主要是中科院大气所的热带气旋数值预报风场动力释用技术(TCwind技术)。该方法利用数值天气预报与和观台风预报对台风的位置强度进行对比，在台风的径向和切向两个方向进行位置、强度、移速进行订正，结合模式的风场和气压场进行订正。
[0005]TCwind技术的主要缺陷体现在以下几个方面：(1)其强度和位置的订正只是趋向于目标位置和强度，得到风场后仍需在预报平台中进一步订正和调节；(2)TCwind方法依赖于数值预报模式和其台风追踪信息，需要大量在常规天气预报中没有的气象要素，目前只能提前预处理，而无法实时编辑；(3)其制作的风场不仅会影响台风区域，而是会覆盖所有的风场，必须在预报员编辑网格风场之前导入数据；(4)TCwind方法依赖模式路径和机构路径，在没有数值预报的路径追踪数据、在台风生成初期还未有机构台风报文或者路径偏差较大等情况，都无法进行该技术的运用。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的是为了至少解决现有技术的不足之一，提供在网格天气预报中实现涡旋去除和涡旋移动的方法及装置。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用以下的技术方案，
[0008]具体的，提出在网格天气预报中实现涡旋去除和涡旋移动的方法，包括以下：
[0009]涡旋去除过程，
[0010]步骤110、选择目标风场的涡旋区域，以此确定目标风场的风场矩阵，
[0011]步骤120、确定算法执行的参数，所述参数包括最大迭代次数以及卷积核大小，
[0012]步骤130、根据选定的涡旋区域以及算法执行的参数，执行动力学迭代卷积算法直到满足预设的终止条件停止，得到迭代结果，
[0013]步骤140、将所述迭代结果填充回所述目标风场所选定的涡旋区域，完成涡旋去除；
[0014]涡旋移动过程，
[0015]步骤210、选定目标涡旋的所在范围以及涡旋锁定范围，并确定所述目标涡旋的缓冲区范围，所述缓冲区范围包含目标涡旋的锁定范围；
[0016]步骤220、选择目标涡旋的目标移动位置；
[0017]步骤230、确定目标涡旋的移动步长、缓冲区的迭代次数以及缓冲区平滑方法；
[0018]步骤240、通过逐步迭代卷积法将目标涡旋移动至目标移动位置。
[0019]进一步，具体的，所述步骤130中，所采用的动力学卷积公式如下
[0020][0021]其中(i,j)和(m,n)分别表示横、纵格点位置，I为输入变量矩阵，A为输出矩阵。
[0022]进一步，具体的，所述动力学迭代卷积算法具体包括以下，
[0023]步骤131、模拟粘性力作用，让每个格点的风场数值向卷积核范围内的均值靠近；
[0024]步骤132、对每个格点施加朝向卷积核内相对大的趋向力，卷积核内数值相对大小由卷积核内风矢量的绝对值大小决定；
[0025]步骤133、保持边界处的格点值不变，使边界处的格点总能获取边界外的风场信息，保持与外部边界的连续性，在卷积计算遇到涡旋区域的边界时，采取边界值保持原有数值不变的策略，即边界上的格点不进行卷积计算，格点值指的是格点的风场数值；
[0026]步骤134、通过动力学卷积公式进行计算；
[0027]步骤135、重复步骤131
‑
步骤134，直到满足预设的终止条件停止，得到迭代结果。
[0028]进一步，具体的，预设的终止条件为，
[0029]当至少存在迭代次数达到预设的最大迭代次数、迭代满足代价函数、或低于用户定义的循环阈值中的任意一种情况时，判定为迭代终止，
[0030]所述代价函数为循环阈值判定式为其中σ为矩阵A的标准差，t为迭代次数，ε为一个可自行定义的接近0的误差小量。
[0031]进一步，具体的，所述步骤230中的缓冲区平滑方法为，
[0032]通过动力学卷积公式或平滑迭代公式中的任意一种进行缓冲区平滑处理；
[0033]其中平滑迭代公式如下，
[0034][0035]其中(i,j)和(m,n)分别表示横、纵格点位置，I为输入变量矩阵，A为输出矩阵。
[0036]进一步，具体的，所述步骤240中，通过逐步迭代卷积法将目标涡旋移动至目标移动位置，包括以下，
[0037]步骤241、获取涡旋的锁定范围的风场数值；
[0038]步骤242、把锁定范围的风场数值按照移动步长平移一个步长；
[0039]步骤243、在锁定范围外至缓冲区范围内的区域范围中，进行涡旋去除平滑算法计算，但边界条件不同，在保持缓冲区外边界值不变的同时，还需要保持锁定范围的边界值不变，即在缓冲区范围的边界和锁定范围的边界处的数值都保持原值不变，不进行卷积计算；
[0040]步骤244、重复步骤241值步骤243，直至迭代平移至目标移动位置，最后一步如果位置偏移小于步长则直接移动至终点位置。
[0041]本专利技术还提出在网格天气预报中实现涡旋去除和涡旋移动的装置，包括：
[0042]涡旋去除模块，所述涡旋去除模块包括，
[0043]涡旋区域确定单元，用于选择目标风场的涡旋区域，以此确定目标风场的风场矩阵，
[0044]参数确定单元，用于确定算法执行的参数，所述参数包括最大迭代次数以及卷积核大小，
[0045]算法执行单元，用于根据选定的涡旋区域以及算法执行的参数，执行动力学迭代卷积算法直到满足预设的终止条件停止，得到迭代结果，
[0046]结果返回单元，用于将所述迭代结果填充回所述目标风场所选定的涡旋区域，完成涡旋去除；
[0047]涡旋移动模块，所述涡旋移动模块包括，
[0048]涡旋区域确定单元，用于选定目标涡旋的所在范围以及涡旋锁定范围，并确定所述目标涡旋的缓冲区范围，所述缓冲区范围包含目标涡旋本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.在网格天气预报中实现涡旋去除和涡旋移动的方法，其特征在于，包括以下：涡旋去除过程，步骤110、选择目标风场的涡旋区域，以此确定目标风场的风场矩阵，步骤120、确定算法执行的参数，所述参数包括最大迭代次数以及卷积核大小，步骤130、根据选定的涡旋区域以及算法执行的参数，执行动力学迭代卷积算法直到满足预设的终止条件停止，得到迭代结果，步骤140、将所述迭代结果填充回所述目标风场所选定的涡旋区域，完成涡旋去除；涡旋移动过程，步骤210、选定目标涡旋的所在范围以及涡旋锁定范围，并确定所述目标涡旋的缓冲区范围，所述缓冲区范围包含目标涡旋的锁定范围；步骤220、选择目标涡旋的目标移动位置；步骤230、确定目标涡旋的移动步长、缓冲区的迭代次数以及缓冲区平滑方法；步骤240、通过逐步迭代卷积法将目标涡旋移动至目标移动位置。2.根据权利要求1所述的在网格天气预报中实现涡旋去除和涡旋移动的方法，其特征在于，具体的，所述动力学迭代卷积算法具体包括以下，步骤131、模拟粘性力作用，让每个格点的风场数值向卷积核范围内的均值靠近；步骤132、对每个格点施加朝向卷积核内相对大的趋向力，卷积核内数值相对大小由卷积核内风矢量的绝对值大小决定；步骤133、保持边界处的格点值不变，使边界处的格点总能获取边界外的风场信息，保持与外部边界的连续性，在卷积计算遇到涡旋区域的边界时，采取边界值保持原有数值不变的策略，即边界上的格点不进行卷积计算，格点值指的是格点的风场数值；步骤134、通过动力学卷积公式进行计算；步骤135、重复步骤131
‑
步骤134，直到满足预设的终止条件停止，得到迭代结果。3.根据权利要求2所述的在网格天气预报中实现涡旋去除和涡旋移动的方法，其特征在于，具体的，所述步骤130中，所采用的动力学卷积公式如下其中(i,j)和(m,n)分别表示横、纵格点位置，I为输入变量矩阵，A为输出矩阵。4.根据权利要求1所述的在网格天气预报中实现涡旋去除和涡旋移动的方法，其特征在于，具体的，预设的终止条件为，当至少存在迭代次数达到预设的最大迭代次数、迭代满足代价函数、或低于用户定义的循环阈值中的任意一种情况时，判定为迭代终止，所述代价函数为循环阈值判定式为其中σ为矩阵A的标准差，t为迭代次数，ε为一个可自行定义的接近0的误差小...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩浦城，唐思瑜，程正泉，张华龙，蔡景就，郭春迓，罗聪，
申请(专利权)人：广东省气象台南海海洋气象预报中心，
类型：发明
国别省市：
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