基于改进三次样条插值的探空资料插补方法技术

本发明专利技术涉及L波段探空技术领域，尤其涉及基于改进三次样条插值的探空资料插补方法。步骤包括：预先设定插补半径和参与计算权重因子个数的初始值，然后在计算的过程中不断根据计算结果调整，寻到最优插补半径和参与计算权重因子个数；在R为垂直插补半径范围内统计非缺测值个数，如非缺测值个数大于等于N，则对被插值点进三次样条函数插补；对插补结果和观测值做误差指标分析，根据误差分析结果调整R和N值，构造最优方案。本发明专利技术通过改进的三次样条插补算法对缺测探空数据进行插补，形成连续且均一性较好的气象要素数据，能更好研究温、压、湿、风等气象要素的细致垂直结构特征，避免产生龙格现象进而造成极大误差。生龙格现象进而造成极大误差。生龙格现象进而造成极大误差。

【技术实现步骤摘要】
基于改进三次样条插值的探空资料插补方法


[0001]本专利技术涉及L波段探空
，尤其涉及基于改进三次样条插值的探空资料插补方法。

技术介绍

[0002]L波段探空系统是我国具有独立知识产权的高空气象探测系统，可连续自动测定高空的气温、湿度、气压、风向、风速等气象要素值，由于其观测数据具有高时空分辨率、质量可靠、时间序列长、能够完整描述大气三维结构等诸多优点，在天气学分析、云垂直结构分析以及人工增雨等领域中发挥重要作用，更是在同化中用以改善模式初始场质量、提高数值预报精度所不可或缺的基本资料。
[0003]但是在实际观测数据过程中，L波段探空系统也存在多种因素影响着测量的准确性，其误差来源通常有太阳辐射、电路自加热效应、传感器滞后性等，还有人为原因和仪器性能本身造成观测数据的缺失，尽管对带有这些误差的观测资料进行了系统订正，但仍会存在误差，从而使探空观测资料的质量下降。
[0004]由于部分数据点缺测，造成探空曲线中存在着明显的间断层和数据的不连续性，严重影响了数据进一步的使用效果。为获得连续的数据，解决L波段探空秒级数据因部分层次资料缺失导致数据不完整性的现象，通常采用插补方法来实现，即在已有观测数据基础上通过空间插补方法预测未知点数据值，获取较为精确的气象数据，以便预报人员分析L波段探空秒级资料水平和垂直结构特征。
[0005]常用的插补方法有多种，目前，气象上常用的模拟方法大致可以分为线性插值、拉格朗日插值、三次样条插值和一维傅里叶快速插值等多种插值方法。每种插补方法有其各自的特点和相应的适用范围，这些插补方法均是建立在空间自相关或在空间属性平滑连续的假设之上。国内外研究学者为得到可靠精度的插补方法，提出了大量的插补模型和改进算法，基本上可归纳为两类：一类是数据上的改进，通过增加数据的辅助信息以提高插补模型的精度．另一类则是数学模型上的改进，同样的数据源采用改进的数学算法，以获取更优的插补模型。许小勇和钟太勇（许小勇,钟太勇,2006.三次样条插值函数的构造与Matlab实现[J]. 自动测量与控制, 25(11):76
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78. Xu XY, Zhong TY, 2006. Construction and Realization of Cubic Spline Interpolation Function[J]. Automatic Measurement and Control, 25(11):76
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78(in Chinese).）对三次样条插值函数进行了构造论述，并给出了算法步骤。朱亚玉等（朱业玉,宋丽莉,姬兴杰,等,2017.基于分段三次样条函数逐时气象资料模拟方法研究[J].气象与环境学报, 33(2):44
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52.Zhu YY, Song LL, Ji XJ,et al,2017. Modeling method of hourly meteorological data based on piecewise cubic spline function[J]. J Meteor Environ, 33(2):44
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52(in Chinese).）提出了基于分段三次样条函数逐时气象资料模拟方法研究。结果表明： 分段三次样条函数插值法可以有效模拟实际气温的变化特征，且同样适用于其他连续性变化的气象要素的逐时模拟。由于样条函数插补不仅具有良好的收敛性和稳定性，而且其光滑性也高。潘霄等（潘霄,叶
小岭,熊雄,等,2019.基于三次样条插值的探空气温质量控制研究[J].气象研究与应用, 40(2):90
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93, 97.Pan X, Ye XL, Xiong H, et al,2019. Research on Quality Control of Air Temperature Based on Cubic Spline Interpolation [J]. J Meteor Res Appl, 40(2):90
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93, 97(in Chinese)）分高度层采用三次样条插值的质量控制方法，对上海地区2016年11月份探空气温观测资料进行插值。结果表明三次样条插值的质量控制效果显著，能有效地标记出气温观测数据中的可疑值。但三次样条函数在大范围连续缺测情况下，插值结果容易产生龙格现象，造成极大误差。
[0006]因此，为了避免发生龙格现象，本研究在对比各种插值方法基础之上，提出了本专利技术的基于插值半径和参与插值计算的因子个数约束条件的三次样条插值的探空资料质控方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供基于改进三次样条插值的探空资料插补方法，用于避免传统的三次样条函数插值法在大范围连续缺测情况下，插值结果容易产生龙格现象、造成极大误差的技术问题。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：本专利技术提供一种基于改进三次样条插值的探空资料插补方法，步骤如下：S1.对L波段探空秒级基数据进行质量控制；S2.预先设定一个插补半径和参与计算权重因子个数的初始值，分别记为R0和N0；并调整所述插补半径和参与计算权重因子个数的值，构建出多组插补半径和参与计算权重因子个数，分别记为：R1和N1、R2和N2、R3和N3……
R
x
和N
x
；S3.以R
x
为垂直插补半径范围内统计非缺测值个数；如果非缺测值个数大于等于所述R
x
同组对应的N
x
，则对被插值点的各观测要素进行三次样条函数插补；反之，则设为空值；S4.对进行了三次样条函数插补的每组插补半径R
x
和参与计算权重因子个数N
x
进行误差指标分析，找到插补精度最高的方案作为最优方案，并以该组插补半径R
x
和参与计算权重因子个数N
x
的三次样条函数插补结果作为最终插补结果。
[0009]进一步地，所述对L波段探空秒级基数据进行质量控制，至少包括以下中的一项：基本参数检查、气候学界限值检查、要素内部一致性检查。
[0010]进一步地，所述被插值点的各观测要素至少包括以下中的一项：温度、气压、湿度、风力。
[0011]进一步地，所述调整所述插补半径和参与计算权重因子个数的值，构建出多组插补半径和参与计算权重因子个数，分别记为：R1和N1、R2和N2、R3和N3……
R
x
和N
x
；方法为：以插补半径阶梯差值
∆
r、计算权重因子个数阶梯差值
∆
n逐步减小所述R0和N0，构建出多组插补半径和参与计算权重因子个数，分别记为：R1和N1、R2和N2、R3和N3……
R
x
和N
x
。
[0012]进一步地，每组所述R
x
和N
x
满足：R
x
≥R
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于改进三次样条插值的探空资料插补方法，其特征在于，步骤如下：S1.对L波段探空秒级基数据进行质量控制；S2.预先设定一个插补半径和参与计算权重因子个数的初始值，分别记为R0和N0；并调整所述插补半径和参与计算权重因子个数的值，构建出多组插补半径和参与计算权重因子个数，分别记为：R1和N1、R2和N2、R3和N3......Rx和Nx；S3.以Rx为垂直插补半径范围内统计非缺测值个数；如果非缺测值个数大于等于所述Rx同组对应的Nx，则对被插值点的各观测要素进行三次样条函数插补；反之，则设为空值；S4.对进行了三次样条函数插补的每组插补半径Rx和参与计算权重因子个数Nx进行误差指标分析，找到插补精度最高的方案作为最优方案，并以该组插补半径Rx和参与计算权重因子个数Nx的三次样条函数插补结果作为最终插补结果。2.根据权利要求1所述的基于改进三次样条插值的探空资料插补方法，其特征在于，所述对L波段探空秒级基数据进行质量控制，至少包括以下中的一项：基本参数检查、气候学界限值检查、要素内部一致性检查。3.根据权利要求1所述的基于改进三次样条插值的探空资料插补方法，其特征在于，所述被插值点的各观测要素至少包括以下中的一项：温度、气压、湿度、风力。4.根据权利要求1所述的基于改进三次样条插值的探空资料插补方法，其特征在于，所述调整所述插补半径和参与计算权重因子个数的值，构建出多组插补半径和参与计算权重因子个数，分别记为：R1和N1、R2和N2、R3和N3......Rx和Nx；方法为：以插补半径阶梯差值
∆
r、计算权重因子个数阶梯差值...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨荣芳，范军红，甄树勇，刘文忠，张光磊，幺伦韬，金龙，刘立辉，
申请(专利权)人：河北省气象技术装备中心，
类型：发明
国别省市：