[發明專利]一種基于三維風場數據的高空急流提取方法

有效

• 申請號: 202010136588.9
• 申請日: 2020-03-02
• 公開（公告）號: CN111399084B
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發明（設計）人: 陳曦;聶建強;嚴勇杰;田云鋼;肖雪飛;劉巖;莫海健
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第二十八研究所
• 主分類號: G01W1/08
• 分類號: G01W1/08;G01W1/02;G06F30/20;G06F111/10
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 于瀚文;胡建華

1.一種基于三維風場數據的高空急流提取方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，獲取飛行高度層上的三維風向風速信息，然后提取熱帶東風急流范圍和西風急流范圍；

步驟2：提取東風急流屬性；

步驟3：提取西風急流屬性；

步驟1包括如下步驟：

步驟1-1：獲取飛行高度層上的三維風向風速信息；

步驟1-2：提取熱帶東風急流；

步驟1-3：提取西風急流；

步驟1-1包括：

步驟1-1-1，進行高度層轉換，將垂直坐標系從等壓面轉換成等高面，轉換公式為拉普拉斯壓高公式其中P₁,z₁,t分別是零攝氏度時參考面的壓強、高度和溫度，P₂、z₂分別是目標壓強和高度，將上式簡化為Z₂＝18400×log(1013.24/P₂)，根據簡化后的公式將等壓面轉換到距離其最近的飛行高度上；

步驟1-1-2，將經向風和緯向風數據轉換成風向風速數據：根據每個高度層上的經向風與緯向風數據計算風向風速，具體公式如下所示：

其中W_s為風速，W_d為風向，U為緯向風，V為經向風，經過以上計算，得到飛行高度層上的三維風向風速信息；

步驟1-2包括：

將熱帶東風急流的提取范圍縮小到9000到16000m的高度范圍內，緯度范圍鎖定在15°S到30°N之間，經度范圍鎖定在0°到140°E之間，根據30m/s的風速閾值將三維風向風速信息進行二值標簽化處理，將風速大于等于30m/s的網格點標記為1，小于30m/s的標記為0，再根據風向對三維風向風速信息進行二值標簽化處理，將風向大于0°且小于180°的網格點標記為1，不在此范圍內的標記為0；根據東風急流的空間范圍，提取風速和風向標簽都等于1的所有網格點，即為熱帶東風急流；

步驟1-3包括：

根據30m/s的風速閾值將三維風向風速信息進行二值標簽化處理，將風速大于等于30m/s的網格點標記為1，小于30m/s的標記為0，再根據風向對三維風向風速信息進行二值標簽化處理，將風向大于180°且小于360°的網格點標記為1，不在此范圍內的標記為0；將高度范圍鎖定在5到13.5km之間，提取風速和風向標簽都等于1的所有網格點，即為所有的西風急流；

步驟2包括如下步驟：

步驟2-1：經向剖面分析；從0°E開始到140°E結束，以三維風向風速信息的經度分辨率為步長，逐一遍歷15°S到30°N范圍內的經向剖面，對每個剖面進行有無東風急流的判斷，如果一個剖面的東風急流的緯度范圍小于500km，則剔除所述東風急流，所述剖面的東風急流屬性標簽設置為假值False；如果東風急流的緯度范圍大于等于500km，則所述剖面的東風急流屬性標簽設置為真值True；對每個東風急流屬性標簽為True的經向剖面，根據東風急流的最小外接矩形計算所述經向剖面的寬度、高度、最小外接矩形的中心位置、最大風速值和最大風速值位置信息，根據最大風速值格點周圍4個格點計算得到水平風切變和垂直風切變其中W_s(max)是最大風速值，W_s(s)是最大風速網格點南側網格的風速值，W_s(n)是最大風速網格點北側網格的風速值，W_s(u)是最大風速網格點上方網格的風速值，W_s(d)是最大風速網格點下方網格的風速值；

步驟2-2：獲取急流整體屬性信息：由于東風急流只有一條，從0°E開始到140°E結束，記錄東風急流屬性標簽為真值True的連續不間斷經度序列的起始和結束經度，根據起止經度的差值δθ計算出東風里流的長度L＝110km×δθ；對起止經度范圍內所有經向剖面的寬度、高度、中心位置、最大風速值、最大風速值位置、水平風切變S_h和垂直風切變S_v求平均值，計算得到整條東風急流的相關屬性值，包括寬度、高度、中心點位置、水平與垂直風切變；

步驟2-3：獲取急流軸屬性信息：將步驟2-2中得到的東風急流起止經度范圍內的所有經向剖面上的最大風速值組成有序數組，記錄有序數組內的風速極大值和其位置信息，即為急流軸上的急流核信息；東風急流起始經向剖面上的極大值點、急流核的位置點集和東風急流結束經向剖面上的極大值點便組成了熱帶東風的急流軸；

步驟2-4：獲取急流水平分布信息：根據步驟2-2中得到的東風急流高度和中心點位置信息，提取東風急流影響到的每個飛行高度層上不同風速閾值的位置輪廓，獲取東風急流在不同高度層上的水平空間分布信息，具體方法包括：使用基于python語言的matplotlib庫中的contour函數分別計算閾值為30、35、40、45m/s不同風速等級的閉合位置輪廓序列，contour函數使用的是0-Nx(Ny)內的實數作為坐標進行位置記錄，其中Nx,Ny分別為x,y方向上的網格總數，需要根據平面網格上的起止經緯度進行坐標轉換，得到位置輪廓的經緯度坐標序列，計算公式如下：

其中(X,Y)為contour函數計算得到的一個位置點坐標，(J,W)為轉換后該位置點的經緯度坐標，J_s和J_e分別為平面網格的起、止經度，W_s和W_e分別為平面網格的起、止緯度；

步驟2-3中，如果有序數組中的一點的風速值大于其相鄰兩點的風速值，則該點的風速值為風速極大值；

步驟3包括如下步驟：

步驟3-1：對西風急流分類；從0°開始自西向東繞地球一周到0°結束，以三維風向風速信息的經度分辨率為步長，逐一遍歷90°S到90°N范圍內的經向剖面，如果一經向剖面上一個急流的緯度范圍小于500km，則剔除所述經向剖面上的所述急流，然后根據每條急流的寬度，在剩下的急流中保留寬度最大的前4條急流，剔除剩余急流，保證每個剖面上的急流數目等于或小于4條，最后使用西風急流分類矩陣對所述經向剖面上的每條急流進行分類：

以經向剖面西風急流分類矩陣的首行和首列的內容為標題，首行列舉了4類西風急流，首列列出了經向剖面內的急流序列，西風急流分類矩陣表中的數值表示經向剖面上一條急流范圍內的網格點落在四類急流的緯度分布范圍內的數目，四種急流選擇在其范圍內的網格點數目最多的急流作為該類西風急流，如果此最大的網格點數目乘以網格間的間隔距離小于1000km，則該剖面的此類西風急流的屬性標簽記為假值False；如果，此最大網格點數乘以網格間的間隔距離大于等于1000km，則該剖面的此類西風急流屬性標簽記為真值True；對0°開始自西向東繞地球一周到0°結束的每個經向剖面，都使用此西風急流分類矩陣進行急流分類，對每類西風急流屬性標簽為真值True的經向剖面，利用步驟2-1的方法，根據急流的最小外接矩形計算該經向剖面的寬度、高度、最小外接矩形的中心位置、最大風速值和最大風速值位置，水平風切變和垂直風切變信息；

步驟3-2：獲取各類西風急流整體屬性信息：

針對每類西風急流，選擇其屬性標簽連續為真值True的剖面序列，記錄每條連續剖面序列的起止經度，再利用步驟2-2的方法，計算得到每類西風急流的每條急流的相關屬性值，包括長度、寬度、高度；

步驟3-3：獲取各類西風急流急流軸屬性信息：

針對每類西風急流的每條西風急流，利用步驟2-3的方法，計算得到該條西風急流的急流軸屬性信息；

步驟3-4：獲取各類西風急流水平分布信息：

根據每類西風急流的高度上下界，得到其垂直范圍內的所有飛行高度層，利用步驟2-4的方法得到每個飛行高度層上的每類西風急流的水平分布信息。