一种考虑自主运动的大型水母中期漂移集合预报方法技术

本发明专利技术公开一种考虑自主运动的大型水母中期漂移集合预报方法，属于水母预警领域

【技术实现步骤摘要】
一种考虑自主运动的大型水母中期漂移集合预报方法


[0001]本专利技术涉及水母预警领域，具体地说是涉及一种考虑自主运动的大型水母中期漂移集合预报方法
。

技术介绍

[0002]全球变化和人类活动影响下海洋生态系统的结构与功能发生了很大的变化，大型水母灾害发生频率与成灾种类不断增加，已严重影响了近海海洋渔业
、
沿海工业
、
滨海旅游业和海洋生态系统
。
国内外学者主要利用海洋数值模式，将水母粒子化，不考虑水母自主运动，对水母漂移路径进行溯源和追踪
。
但是，现有监测结果表明，水母的自主运动虽然较弱，但自主运动量级不尽相同
。
其中沙海蜇和海月水母研究较多，根据伞径大小不同，沙海蜇的自主运动速度在0‑
5cm/s
，海月水母在0‑
3cm/s。
国内外研究指出大型水母在不同海域存在不同情况的昼夜运动
。Graham 等指出水螅水母纲
、
钵水母纲和管水母亚纲的水母普遍存在昼夜垂直迁移现象，即水母白天下沉到水体底层，夜间上浮到水体表层
。Barz
等报道北海南部的水母主要分布在 5
‑
25 m
；
Honda
等报道在日本海南部的沙海蜇主要分布在
40 m 以浅的水层，且夜间所处深度往往大于白天
。
因此，不同水母或同一种水母在不同环境条件下的自主运动（特别是垂向运动）不尽相同
。
所以当水母成体自主运动明显，但自主运动速度不确定时，如何描述水母自主运动，是大型水母漂移数值模拟尚未解决的重点难题
。
[0003]集合预报方法，起源于气象方面，认为大气是一个高度非线性的混沌系统，因而数值天气预报的结果对初始条件的微小误差非常敏感
。
集合预报是估计数值预报不确定性的一种方法，它将单一确定性预报转变为概率预报
。
集合预报可以通过追踪初始不确定性的时空演变，提供依流型的概率分布，来提高可预报性
。
国内外学者研究表明，预报中包含不确定性估计，可帮助预报员和公众做出更好的决策
。
目前集合预报方法在气象预报，特别是物理过程中发挥重要作用，但集合预报方法在海洋预报方面应用较少
。

技术实现思路

[0004]基于上述技术问题，本专利技术提出一种考虑自主运动的大型水母中期漂移集合预报方法
。
该方法可提高大型水母中期漂移预报的准确性，进而提高应急处置的效率
。
[0005]本专利技术所采用的技术解决方案是：一种考虑自主运动的大型水母中期漂移集合预报方法，包括以下步骤：
a
基于大型水母监测数据获取水母监测时间，水母分布位置的经度
、
纬度和深度，以及水母自主运动情况；
b
对自主运动特征明显但速度不确定的大型水母，考虑水母自主运动过程的不确定性这个生态过程，构建大型水母中期漂移集合预报模型；将大型水母离散为一定数量的水母粒子，在不考虑水母个体生长的情况下，考虑环境驱动作用下水母粒子三维物理运动过程，并考虑其垂向自主运动，利用水母粒子的自主运动垂直方向最大速度乘以随机走动系数来描述水母自主运动的不确定性，结合水母不
同时间段分布水深范围，设计集合预报方案，预报水母粒子的多个漂移轨迹；第个水母粒子第个集合预报下时刻水母粒子的运动方程如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）式（1）中：为第个水母粒子随机走动集合方案个数；；为第个水母粒子第个集合预报方案下时刻的位置；为第个水母粒子第个集合预报方案下水母粒子所在位置的三维海流，单位为米
/
秒；为第个水母粒子第个集合预报方案下的随机走动系数，是时间的函数，；为大型水母自主运动垂直方向最大速度，单位为米
/
秒；为轴方向单位向量；
c
根据大型水母应急处置需求，确定大型水母中期漂移预报时长，获取大型水母所在海域中期预报的三维海流数据；
d
确定水母粒子的初始位置，基于步骤
b
构建的大型水母中期漂移集合预报模型，采用步骤
c
获取的三维海流数据，以及基于历史监测数据获得的大型水母自主运动垂直方向最大速度，设置
n
个集合预报方案，预报每个水母粒子的
n
个漂移轨迹
。
[0006]优选的，该方法还包括以下步骤：
e
根据步骤
d
预报的每个水母粒子的
n
个漂移轨迹，计算并制作预报产品；预报产品包括第一预报产品和第二预报产品；第一预报产品：计算
n
个漂移轨迹位置的平均，分析未来
k
天内水母粒子的漂移方向
、
速度，预计影响范围以及对重点关注海域或大型水母灾害敏感功能区的影响情况，
k≤10
；第二预报产品：计算
n
个漂移轨迹下，未来
k
天内某时刻或时间段内包含水母粒子的最小区域，获得大型水母分布区域
。
[0007]优选的，采用三维或二维方式展示预报产品；大型水母分布区域基于不同漂移轨迹下不同时间段水母所在位置，采用格雷厄姆扫描算法，计算最小凸多边形
。
[0008]优选的，步骤
a
中：大型水母监测数据来源于拖网
、
锚流网或走航目测船舶监测资料，航空或低空无人机遥感解译资料，以及水下摄像监测和声呐监测资料
。
[0009]优选的，步骤
a
中：所述水母自主运动情况包括自主运动速度
、
不同时间段的垂直分布深度以及自主运动垂直方向最大速度
。
[0010]优选的，步骤
a
中：若大型水母监测数据中缺乏自主运动监测数据，则收集同类型水母历史监测数据，以反映水母自主运动情况
。
[0011]优选的，步骤
b
中：自主运动特征明显是指大型水母运动速度大于
1cm/s。
[0012]优选的，步骤
b
中：为；为每个时刻的随机数，数值在0‑1之间
。
[0013]优选的，步骤
c
中：三维海流数据为潮流
、
风生流
、
密度流的矢量和；三维海流数据的预报时效不短于大型水母中期漂移数值预报的预报时效，时间间隔不大于
1 h
；预报水平空间范围大于监测的水母粒子范围和预报时效内所有水母粒子预计漂移的海域；预报垂直深度范围包括监测的水母粒子所在深度和预报时效内水母粒子预计运动的深度
。
[0014]优选的，步骤
d
中：
n≥20。
[0015]上述方法中，中期预报指预报未来
10
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种考虑自主运动的大型水母中期漂移集合预报方法，其特征在于包括以下步骤：
a
基于大型水母监测数据获取水母监测时间，水母分布位置的经度
、
纬度和深度，以及水母自主运动情况；
b
对自主运动特征明显但速度不确定的大型水母，考虑水母自主运动过程的不确定性这个生态过程，构建大型水母中期漂移集合预报模型；将大型水母离散为一定数量的水母粒子，在不考虑水母个体生长的情况下，考虑环境驱动作用下水母粒子三维物理运动过程，并考虑其垂向自主运动，利用水母粒子的自主运动垂直方向最大速度乘以随机走动系数来描述水母自主运动的不确定性，结合水母不同时间段分布水深范围，设计集合预报方案，预报水母粒子的多个漂移轨迹；第个水母粒子第个集合预报下时刻水母粒子的运动方程如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）式（1）中：为第个水母粒子随机走动集合方案个数；；为第个水母粒子第个集合预报方案下时刻的位置；为第个水母粒子第个集合预报方案下水母粒子所在位置的三维海流，单位为米
/
秒；为第个水母粒子第个集合预报方案下的随机走动系数，是时间的函数，；为大型水母自主运动垂直方向最大速度，单位为米
/
秒；为轴方向单位向量；
c
根据大型水母应急处置需求，确定大型水母中期漂移预报时长，获取大型水母所在海域中期预报的三维海流数据；
d
确定水母粒子的初始位置，基于步骤
b
构建的大型水母中期漂移集合预报模型，采用步骤
c
获取的三维海流数据，以及基于历史监测数据获得的大型水母自主运动垂直方向最大速度，设置
n
个集合预报方案，预报每个水母粒子的
n
个漂移轨迹
。2.
根据权利要求1所述的一种考虑自主运动的大型水母中期漂移集合预报方法，其特征在于，还包括以下步骤：
e
根据步骤
d
预报的每个水母粒子的
n
个漂移轨迹，计算并制作预报产品；预报产品包括第一预报产品和第二预报产品；第一预报产品：计算
n
个漂移轨迹位置的平均，分析未来
k
天内水母粒子的漂移方向
、
速度，预计影响范围以及对重点关注海域或大型水母灾害敏感功能区的影响情况，
k≤10
；第二预报产品：计算
n
个漂移轨迹下，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴玲娟，李轶斐，袁超，毕凡，焦艳，李锐，林森，
申请(专利权)人：国家海洋局北海预报中心国家海洋局青岛海洋预报台国家海洋局青岛海洋环境监测中心站，
类型：发明
国别省市：