[發明專利]基于動力學約束和變分方法衛星遙感云導風反演預報方法

有效

• 申請號: 202110741065.1
• 申請日: 2021-07-01
• 公開（公告）號: CN113253365B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 郭洪濤;宋金杰
• 申請（專利權）人: 江蘇銓銓信息科技有限公司
• 主分類號: G01W1/10
• 分類號: G01W1/10;G06F30/20;G06F17/13
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 蔣昱

本發明公開了基于動力學約束和變分方法衛星遙感云導風反演預報方法。具體技術方案步驟：步驟1：讀取風云四號衛星的原始資料，生成包含云量和格點位置信息的數據文件；步驟2：在所有格點上計算云量變化方程中與云量相關的各項；步驟3：在動力學約束下變分求解云量變化方程中的矢量風格點場；步驟4：利用拉格朗日向前積分方案進行統計外推，并生成云圖預報產品。本發明利用高分辨率靜止氣象衛星（如我國風云四號衛星）實時獲取云量數據，在動力學約束下、通過變分方法求解云量變化方程并得到風矢量場，進而對未來0~3小時內的云量進行外推預報。

技術領域

本發明涉及短臨天氣預報技術領域，特別是涉及基于動力學約束和變分方法衛星遙感云導風反演預報方法。

背景技術

短臨預報是指對未來0~3小時內的天氣系統、氣象要素等的預報。在此預報時效內，基于歷史和實時監測數據的統計外推技術是制作預報產品的主要手段。隨著靜止氣象衛星的時空分辨率越來越高，衛星圖像已經能夠很好的提供大范圍天氣狀況的相關信息，特別是云量（天空被云遮蔽的成數）分布。對衛星監測得到的格點化云量數據而言，成功實現短臨外推的關鍵是計算出區域內的格點化風矢量場（包括風向、風速）。

當前，利用云量圖像計算風矢量場主要有兩種常用方法。一是交叉相關追蹤法，即通過平移、旋轉等圖像處理技術，尋找相鄰時次云量圖像的最大相關系數，通過追蹤區域的位置變化，得到相應的位移矢量，進而給出風矢量場。二是光流法，即通過計算云量在格點上的時間變化率，在全局約束或局部約束下求解光流方程，進而估計出風矢量場。以上兩種方法都是通過將計算機圖像追蹤識別技術簡單移植到云量短臨預報上而實現的，并沒有考慮與天氣相關的動力學特征，因此在復雜天氣過程中往往存在較大的預報誤差。

針對這一缺陷，本發明提出一種基于動力學約束和變分方法的衛星云量短臨預報技術，利用高分辨率靜止氣象衛星（如我國風云四號衛星）實時獲取云量數據，在動力學約束下、通過變分方法求解云量變化方程并得到風矢量場，進而對未來0~3小時內的云量進行外推預報。

發明內容

為解決上述問題，本發明提出基于動力學約束和變分方法衛星遙感云導風反演預報方法，利用高分辨率靜止氣象衛星（如我國風云四號衛星）實時獲取云量數據，在動力學約束下、通過變分方法求解云量變化方程并得到風矢量場，進而對未來0~3小時內的云量進行外推預報。為達此目的，本發明提供基于動力學約束和變分方法衛星遙感云導風反演預報方法，具體為：

步驟1：讀取衛星的原始資料，生成包含云量和格點位置信息的數據文件；

具體為，利用衛星數據接收器實時接收衛星的監測數據，對原始數據利用九點中值濾波方法進行質量控制，減小原始數據中的隨機噪聲，生成包含云量和格點位置信息的數據文件，存儲進資料數據庫；

步驟2：在所有格點上計算云量變化方程中與云量相關的各項；

所述步驟2云量變化方程為：

其中C為衛星監測到的云量，u為水平經向風、v為水平緯向風，F為局地強迫，表示個別變化，表示局地變化，根據云量數據計算上述公式中與云量相關的各項時，需要利用相鄰兩個時次的數據并且將上式中的偏微分項用差分格式，具體為：

其中t表示當前時次，Δx和Δy分別表示經向和緯向的網格距，該公式建立在時次，時間偏微分和空間偏微分都采用兩點中央差分的格式，通過t時次和t-1時次的云量場，在每個網格點上，直接計算上式中的α、β和γ項；