[發明專利]在圓柱坐標系下的高逼真單體風暴解析風速場構建方法及系統

有效

• 申請號: 202010937897.6
• 申請日: 2020-09-08
• 公開（公告）號: CN112100839B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 王海江;周淑玥;鮮林;陳夏;朱嘉慧;潔拉曲鐵;賴燦;杜捷
• 申請（專利權）人: 成都信息工程大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06T17/00;G06F113/08
• 代理公司: 北京元本知識產權代理事務所(普通合伙) 11308
• 代理人: 王紅霞

本發明提供一種在圓柱坐標系下的高逼真風暴解析風速場構建方法與系統，方法包括：在直角坐標系下規定單體風暴的尺度范圍，并把直角坐標系轉換成圓柱坐標系，在圓柱坐標系下建立三維風速場函數模型；在圓柱坐標系中分別分離變量建立高度向速度分量模型、方位向速度分量模型和徑向速度分量模型；根據各個模型，在圓柱坐標系中設計高度向速度分量函數、方位向速度分量函數和徑向速度分量函數；在上述模型和函數中加入自定義參數得到圓柱坐標系下的模擬風速場，然后利用坐標變化將其轉換成直角坐標系下的風速場。本方法基于風暴的三維速度分布結構特點，在圓柱坐標系下建立三維速度場函數，構建出一定空間范圍內的連續解析風場。

技術領域

本發明屬于風場模擬領域，具體涉及一種在圓柱坐標系下的高逼真單體風暴解析風速場構建方法及系統。

背景技術

風暴，泛指強烈天氣系統過境時出現的天氣過程，特指伴有強風或強降水的天氣系統；如臺風、龍卷風、雷暴、低氣壓、寒潮等強烈天氣系流造成的大風暴雨。風暴中的風速變化劇烈，表現出強烈的三維流場特性，超級單體風暴(The supercell storm)的特征為：一個超級單體就是一個風暴；在對風暴的研究中，如果知道一個風暴體內部風速場，也就是每個三維坐標點上的風速矢量，則有以下好處：

1.可以對風暴場的內部動力學結構進行分析，如可以計算各個點上的風矢量渦度、散度等，還可以在已知結構的風暴場上進行風切變和湍流探測試驗，尤其是算法試驗證；

2.可以對不同位置的多普勒雷達觀測進行模擬，比如通過幾何投影算法把風暴速度場投影到多普勒雷達掃描錐面上，得到多普勒雷達速度PPI，進而可以進行雷達處理試驗，甚至多部雷達聯合風場反演的試驗，并基于已知風速場對反演算法進行驗證。

但由于單體風暴內風速劇烈、結構復雜、持續時間短、測量手段受限等因素，實際風暴體內部的精細風速場很難記錄下來，目前常采用數學模型構建的方式，將風速場的數學模型構建出來，然后通過計算機編程計算出具體的風暴風速場成為一種較好的選擇，這個過程稱為風速場構建。

現有的大多數風速場模擬構建方法，多是基于流體建模軟件，或者氣象模式軟件，有些是將流體建模軟件和氣象模式軟件結合起來進行風場模擬。這些模擬構建方法大多屬于數值模擬，即將需建立風速場的區域劃分成很多網格，通過數學和物理模型模擬算法模擬算出網格點上的風速，此類方法均存在以下缺點：

1.只能求得離散網格上的速度，不能求得連續風場，因此對于一些應用需求，如需要很高分辨率的應用和非均勻空間采樣的應用不能滿足或者需要重新插值。

2.由于這些模擬構建過程都是基于流體物理或氣象方程的數值求解，所以一般占用的計算機軟硬件資源較多，運算速度較慢。

因此，如何構建得到高逼真度的連續風場是風場研究觀測、領域的研究方向。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的之一在于提供一種在圓柱坐標系下的高逼真單體風暴解析風速場構建方法，該方法能得到連續的高逼真度風速場。

為實現上述目的，本發明的技術方案為：

一種在圓柱坐標系下的高逼真單體風暴解析風速場構建方法，包括以下步驟：

(1)在直角坐標系下規定單體風暴的尺度范圍，并用坐標變換把各點的直角坐標系轉換成圓柱坐標系，在所述圓柱坐標系下建立三維風速場函數模型；三維風速場函數包括徑向速度分量、方位向速度分量、高度向速度分量；

(2)在所述圓柱坐標系中分別分離變量建立高度向速度分量模型、方位向速度分量模型和徑向速度分量模型；

(3)根據步驟(2)中建立的模型，在所述圓柱坐標系中設計高度向速度分量函數、方位向速度分量函數和徑向速度分量函數；