CN110717631B - 一种海浪预报循环回归逐时订正方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海浪预报循环回归逐时订正方法及装置，所述方法含有以下步骤：S1、逐时刻、逐网格读取海浪要素数值预报场和特定时刻的人工订正场；S2、计算人工订正场与对应时刻海浪要素数值预报场的差值，得到差值场；S3、计算影响权重；S4、将影响权重带入海浪要素数值预报场的插值计算中，进行时间序列插值，得到插值订正场；S5、根据插值订正场与海浪要素数值预报场的差值修正人工订正场，利用修正后人工订正场的差值，更新生成新的差值场；S6、利用更新后的差值场继续从步骤S4开始进行多次循环回归订正，完成逐时订正。本发明能够对海浪要素数值预报结果进行快速逐时订正，突破了逐时订正的技术难点，能够满足对海浪预报精细化、精确化的要求。

Description

一种海浪预报循环回归逐时订正方法及装置

技术领域

本发明属于海洋预报技术领域，涉及海洋预报订正技术，具体地说，涉及了一种海浪预报循环回归逐时订正方法及装置。

背景技术

海洋灾害，是指海洋自然环境发生异常或激烈变化，导致在海上或海岸发生的灾害。世界上很多国家的自然灾害因受海洋影响都很严重，风暴潮、灾害性海浪、海冰、海平面上升等海洋自然灾害频发，给沿海地区造成了严重的经济损失和人员伤亡，并威胁着海上活动的安全，海洋防灾减灾工作面临越来越大的挑战。海浪作为一种关键的海洋环境要素，具有极强的破坏力，往往会给海上生产活动带来灾难和限制，其预报水平的发展在海洋预报领域一直受到高度重视。进行及时、准确的海浪预报，提供有效的海浪环境资料，能够为海洋防灾减灾赢得先机，最大限度地减少海洋灾害造成的损失，对于保障沿海地区人民生命财产安全和维持海洋经济可持续发展具有重要意义。

目前，海洋数值预报是进行海浪预报的一个重要手段。海洋数值预报是根据大气实际情况和海洋观测数据，用高性能计算机在一定的初值和边值条件下进行数值计算，并预测未来一定时段海况变化的方法。数值预报过程首先把大量实况观测数据和过去几十年积累的数据输入计算机，通过数学物理方法建立一套数值模式，再利用数值模式模拟大气和海洋，从而实现对海浪环境要素的预报。

随着经济社会的快速发展，海上工程建设、海洋防灾减灾等对海浪预报的及时性和准确性提出了更高的要求。针对数值预报结果与海浪实况存在的偏差，需要预报员根据经验分析和订正再对外发布预报产品，将预报员的经验分析和数值预报的优势相结合是海浪预报技术发展的必然趋势。然而，在实际预报过程中，由于海浪预报的时效要求，使得预报员无法完成对数值预报结果的逐时订正，只能订正每日2～4个特定时次，造成综合研判预报发布频次低，无法满足当前精细化预报的需求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的预报员无法完成对数值预报结果的逐时订正等上述不足，提供一种海浪预报循环回归逐时订正方法及装置，能够实现对海浪数值预报结果的逐时订正，进而提高海洋预报的精细化、精确性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种海浪预报循环回归逐时订正方法，含有以下步骤：

S1、逐时刻、逐网格读取海浪要素栅格数据场，所述海浪要素栅格数据场包括多时刻的海浪要素数值预报场[α₀,α₁,...,α_t...,α_T-1]和所述海浪要素数值预报场[α₀,α₁,...,α_t...,α_T-1]对应的一个或多个时刻的人工订正场[β_I,β_II,...,β_k,...,β_K]，其中，α_t表示t时刻的海浪要素数值预报场，0＜t≤T-1，β_k表示对第k时刻海浪要素数值预报场数据进行人工订正生成的人工订正场，I≤k≤K＜T；

S2、计算人工订正场与对应时刻海浪要素数值预报场的差值，得到差值场 [ε_I,ε_II,...,ε_k,...,ε_K]，其中，ε_k＝β_k-α_k表示第k时刻人工订正场β_k与海浪要素数值预报场α_k的差值；

S3、计算影响权重W_t,k；

S4、将影响权重W_t,k带入海浪要素数值预报场的插值计算中，进行时间序列插值，得到插值订正场[α′₀,α′₁,...,α′_t,...,α′_T-1]，其中，α′_t表示对第t时刻的海浪要素数值预报场进行插值订正后的插值订正场；

S5、根据插值订正场与海浪要素数值预报场的差值，计算对插值订正场α′_t产生影响的人工订正场β_k对应的第k时刻的估计人工订正场，进一步利用估计人工订正场与实际人工订正场的差值更新生成新的差值场[ε′_I,ε′_II,...,ε′_k,...,ε′_K]，其中，β′_k表示更新后的k时刻差值场；

S6、利用更新后的差值场继续从步骤S4开始进行多次循环回归订正，完成逐时订正。

优选的，步骤S3中，通过公式(1)计算影响权重W_t,k，公式(1)的表达式为：

式中，d_t,k＝|t-k|表示t时刻插值订正场α′_t与相邻的人工订正场β_k的时间间隔，r为影响半径，表示与插值订正场α′_t左右相邻的两个人工订正场的时间间隔。

优选的，步骤S4中，通过公式(2)进行时间序列插值，公式(2)的表达式为：

α′_t＝α_t+Δα_t

式中，Δα_t表示t时刻插值订正场α′_t与海浪要素数值预报场α_t之差，A为与t时刻海浪要素数值预报场α_t相邻的人工订正场的时刻集合。

优选的，步骤S5中，第k时刻的估计人工订正场为β_k+Δα_t×(d_t,k/r)，通过公式(3)更新差值场，公式(3)表示为：

ε′_k＝ε_k-Δα_t×(d_t,k/r) (3)

优选的，步骤S6中，进行多次循环回归订正时，当循环回归订正次数达到设定循环订正次数时，停止订正。

优选的，步骤S6中，进行多次循环回归订正时，当循环回归订正过程中差值场的最大值小于设定阈值时，停止订正。

为了达到上述目的，本发明提供了一种海浪预报循环回归逐时订正装置，包括：

数据采集模块，用于逐时刻、逐网格读取海浪要素栅格数据场包括多时刻的海浪要素数值预报场[α₀,α₁,...,α_t...,α_T-1]和所述海浪要素数值预报场 [α₀,α₁,...,α_t...,α_T-1]对应的一个或多个时刻的人工订正场[β_I,β_II,...,β_k,...,β_K]；

差值场计算模块，用于计算人工订正场与对应时刻海浪要素数值预报场的差值，得到差值场[ε_I,ε_II,...,ε_k,...,ε_K]；

影响权重计算模块，用于计算影响权重W_t,k；

插值订正场生成模块，用于将影响权重W_t,k带入海浪要素数值预报场的插值计算中，进行时间序列插值，得到插值订正场[α′₀,α′₁,...,α′_t,...,α′_T-1]；

差值场更新模块，用于根据插值订正场与海浪要素数值预报场的差值，计算对插值订正场α′_t产生影响的人工订正场β_k对应的第k时刻的估计人工订正场，进一步利用估计人工订正场与实际人工订正场的差值更新生成新的差值场 [ε′_I,ε′_II,...,ε′_k,...,ε′_K]；

循环订正模块，用于设定循环次数或阈值，利用更新后的差值场进行循环回归订正。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明集合数值模式的演化规律，逐时刻、逐网格读取海浪要素数值预报场与人工订正场，并根据对应时刻差值场和影响权重进行时间序列插值，实现对数值预报结果的快速订正，提高了海浪预报逐时订正效率；利用时间序列的插值场与海浪要素数值预报场之间的数值关系更新差值场，并进行循环回归订正，最小化订正误差，海浪预报误差小，保证了订正结果的准确性。

(2)本发明合理利用海浪数值预报系统的发展趋势，突破了逐时订正的技术难题，实现预报产品制作过程中人机高效交互，能够满足对海浪预报精细化、精确化的要求，为海洋防灾减灾和各种海上活动提供及时、准确的海浪环境资料。

附图说明

图1为本发明实施例一种海浪预报循环回归逐时订正方法的流程图；

图2为本发明实施例海浪预报循环回归逐时订正装置的结构框图；

图3为本发明实施例中8时的有效波高数值预报场示意图；

图4为本发明实施例中8时的人工订正场示意图；

图5为本发明实施例中20时的有效波高数值预报场示意图；

图6为本发明实施例中20时的人工订正场示意图；

图7为本发明实施例中24个时刻的海浪要素有效波高数值预报场示意图；

图8为本发明实施例中24个时刻的海浪要素有效波高逐时订正场示意图；

图9和图 10为本发明实施例中对24个时刻海浪要素有效波高数值预报场进行逐时订正后，取两个不同网格点位置上的逐时订正结果与海浪要素有效波高数值预报结果的对比图。

图中，1、数据采集模块，2、差值场计算模块，3、影响权重计算模块，4、插值订正场生成模块，5、差值场更新模块，6、循环订正模块。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在实际海浪预报过程中，由于海浪预报的时效要求，使得预报员无法完成对数值预报结果的逐时订正，智能订正每日2-4个特定时次，造成综合研判预报发布频次低，无法满足当前精细化预报的需求。

为了解决上述问题，本发明一实施例提供了一种海浪预报循环回归逐时订正方法，在结合海浪预报数值模式演化规律的基础上，通过时间序列插值和循环回归订正的方式实现对海浪数值预报结果的逐时订正。参见图1，其具体步骤为：

S1、逐时刻、逐网格读取海浪要素栅格数据场，所述海浪要素栅格数据场包括多时刻的海浪要素数值预报场[α₀,α₁,...,α_t...,α_T-1]和所述海浪要素数值预报场[α₀,α₁,...,α_t...,α_T-1]对应的一个或多个时刻的人工订正场[β_I,β_II,...,β_k,...,β_K]，其中，α_t表示t时刻的海浪要素数值预报场，0＜t≤T-1，β_k表示对第k时刻海浪要素数值预报场数据进行人工订正生成的人工订正场，I≤k≤K＜T。

S2、计算人工订正场与对应时刻海浪要素数值预报场的差值，得到差值场 [ε_I,ε_II,...,ε_k,...,ε_K]，其中，ε_k＝β_k-α_k表示第k时刻人工订正场β_k与海浪要素数值预报场α_k的差值。

S3、通过公式(1)计算影响权重W_t,k，公式(1)的表达式为：

式中，d_t,k＝|t-k|表示t时刻插值订正场α′_t与相邻的人工订正场β_k的时间间隔，r为影响半径，表示与插值订正场α′_t左右相邻的两个人工订正场的时间间隔。

S4、将影响权重W_t,k带入海浪要素数值预报场的插值计算中，通过公式(2) 进行时间序列插值，得到插值订正场[α′₀,α′₁,...,α′_t,...,α′_T-1]，其中，α′_t表示对第t时刻的海浪要素数值预报场进行插值订正后的插值订正场；公式(2)的表达式为：

α′_t＝α_t+Δα_t

式中，Δα_t表示t时刻插值订正场α′_t与海浪要素数值预报场α_t的差值，A为与t时刻海浪要素数值预报场α_t相邻的人工订正场的时刻集合。

S5、根据插值订正场与海浪要素数值预报场的差值，计算对插值订正场α′_t产生影响的人工订正场β_k对应的第k时刻的估计人工订正场，进一步利用估计人工订正场与实际人工订正场的差值更新生成新的差值场[ε′_I,ε′_II,...,ε′_k,...,ε′_K]，其中，β′_k表示更新后的k时刻差值场。

具体地，以计算对插值订正场α′_t产生影响的人工订正场β_k对应的第k时刻的估计人工订正场β_k为例进行说明，第k时刻的估计人工订正场为β_k+Δα_t×(d_t,k/r)。通过公式(3)更新差值场ε′_k，公式(3)表示为：

ε′_k＝ε_k-Δα_t×(d_t,k/r) (3)

。进而通过公式(3)更新生成新的差值场[ε′_I,ε′_II,...,ε′_k,...,ε′_K]。

S6、利用更新后的差值场继续从步骤S4开始进行多次循环回归订正，当循环回归订正次数达到设定循环订正次数时，停止订正，完成逐时订正。

在本发明上述方法的另一实施方式中，步骤S6中，进行多次循环回归订正时，当循环回归订正过程中差值场的最大值小于设定阈值时，停止订正，完成逐时订正。

本发明上述逐时订正方法，其订正结果引起的误差较小且无需预报员进行逐个时刻的分析订正，提高了海洋预报的订正效率和准确性，满足对海浪预报精细化、精确化的要求，为预报产品的及时发布提供了基础。

参见图2，本发明另一实施例提供了一种海浪预报循环回归逐时订正装置，包括：

数据采集模块1，用于逐时刻、逐网格读取海浪要素栅格数据场包括多时刻的海浪要素数值预报场[α₀,α₁,...,α_t...,α_T-1]和所述海浪要素数值预报场 [α₀,α₁,...,α_t...,α_T-1]对应的一个或多个时刻的人工订正场[β_I,β_II,...,β_k,...,β_K]；

差值场计算模块2，用于计算人工订正场与对应时刻海浪要素数值预报场的差值，得到差值场[ε_I,ε_II,...,ε_k,...,ε_K]；

影响权重计算模块3，用于计算影响权重W_t,k；

插值订正场生成模块4，用于将影响权重W_t,k带入海浪要素数值预报场的插值计算中，进行时间序列插值，得到插值订正场[α′₀,α′₁,...,α′_t,...,α′_T-1]；

差值场更新模块5，用于根据插值订正场与海浪要素数值预报场的差值，计算对插值订正场α′_t产生影响的人工订正场β_k对应的第k时刻的估计人工订正场，进一步利用估计人工订正场与实际人工订正场的差值更新生成新的差值场 [ε′_I,ε′_II,...,ε′_k,...,ε′_K]；

循环订正模块6，用于设定循环次数或阈值，利用更新后的差值场进行循环回归订正。

本发明上述逐时订正装置对海浪预报结果进行订正时，首先通过数据采集模块逐时刻、逐网格读取海浪要素栅格数据场包括多时刻的海浪要素数值预报场[α₀,α₁,...,α_t...,α_T-1]和所述海浪要素数值预报场[α₀,α₁,...,α_t...,α_T-1]对应的一个或多个时刻的人工订正场[β_I,β_II,...,β_k,...,β_K]，并将其传输至差值场计算模块进行计算，得到差值场[ε_I,ε_II,...,ε_k,...,ε_K]，影响权重计算模块计算影响权重，并将其传输至插值订正场生成模块，由插值订正场生成模块更新生成新的差值场 [ε′_I,ε′_II,...,ε′_k,...,ε′_K]，通过循环订正模块设置循环次数或阈值，利用更新后的差值场对海浪要素数值预报场进行循环回归订正。

本发明上述逐时订正装置，其订正结果引起的误差较小且无需预报员进行逐个时刻的分析订正，提高了海洋预报的订正效率和准确性，满足对海浪预报精细化、精确化的要求，为预报产品的及时发布提供了基础。

为了进一步说明本发明上述方法和装置的优点，下面结合附图和实施例对本发明做出进一步说明。

实施例：对2019年8月16日24个时刻的海浪要素有效波高数值预报场逐时订正。具体步骤为：

S1、逐时刻、逐网格读取海浪要素栅格数据场，包括24个时刻的有效波高数值预报场和2个时刻的人工订正场，其中，有效波高数值预报场[α₀,α₁,...,α₂₃]的时刻范围为2019年8月16日的0时至23时，人工订正场[β₈,β₂₀]是第8时和20 时的有效波高数据预报场进行人工订正生成的人工订正场。参见图3至图6，图 3为8时有效波高数据预报场示意图，图4为8时人工订正场示意图，图5为 20时有效波高数据预报场示意图，图6为20时人工订正场示意图。

S2、分别计算8时和20时人工订正场与对应时刻有效波高数据预报场的差值，得到2个差值场[ε₈,ε₂₀]，其中，ε₈＝β₈-α₈表示第8时刻的差值场，ε₂₀＝β₂₀-α₂₀表示第20时刻的差值场。

S3、通过公式(1)计算影响权重W_t,k，公式(1)的表达式为：

式中，d_t,k＝|t-k|表示t时刻插值订正场α′_t与相邻的人工订正场β_k的时间间隔，r为影响半径，表示与插值订正场α′_t左右相邻的两个人工订正场的时间间隔。

本实施例中，只有8时和20时两个时刻的人工订正场，即r＝20-8＝12，以计算人工订正场β₈,β₂₀对第9时刻插值订正场α′₉的影响权重为例：

表示人工订正场β₈对第9时刻插值订正场α′₉的影响权重，其中，d_9,8＝|9-8|＝1；

表示人工订正场β₂₀对第9时刻插值订正场α′₉的影响权重，其中，d_9,20＝|9-20|＝11。

S4、将影响权重W_t,k带入海浪要素数值预报场的插值计算中，通过公式(2) 进行时间序列插值，得到插值订正场[α′₀,α′₁,...,α′_t,...,α′_T-1]，其中，α′_t表示对第t时刻的海浪要素数值预报场进行插值订正后的插值订正场；公式(2)的表达式为：

α′_t＝α_t+Δα_t

式中，Δα_t表示t时刻插值订正场α′_t与海浪要素数值预报场α_t的差值，A为与t时刻海浪要素数值预报场α_t相邻的人工订正场的时刻集合。

以对第9时刻有效波高数值预报场α₉进行时间插值为例，A＝{8,20}，计算公式为:

S5、根据插值订正场与海浪要素数值预报场的差值，计算对插值订正场α′_t产生影响的人工订正场β_k对应的第k时刻的估计人工订正场，进一步利用估计人工订正场与实际人工订正场的差值更新生成新的差值场[ε′₈,ε′₂₀]。

以对第9时刻海浪要素数值预报场进行差值场更新为例，更新差值场的计算公式为：

ε′₈＝ε₈-Δα₉×(d_9,8/r)

ε′₂₀＝ε₂₀-Δα₉×(d_9,20/r)

S6、设置循环订正次数为4次，利用更新后的差值场[ε′₈,ε′₂₀]继续从步骤S4 开始进行循环回归订正，当循环回归订正次数达到设定循环订正次数时，停止订正，完成逐时订正。

利用上述步骤继续进行循环回归订正，得到2019年8月16日当天24小时的逐小时订正场。参见图7、图8，图7为本实施例中2019年8月16日24个时刻的有效波高数值预报场，图8为本实施例使用本发明订正方法或订正装置订正后得到的24小时有效波高逐时订正场。

本实施例对24个时刻有效波高数值预报场进行逐时订正后，取两个网格点位置上的逐时订正结果与有效波高数值预报结果进行对比，其中人工订正场为8 时和20时。参见图9，图中表现出对8时和20时有效波高数值预报结果经过人工订正后数值均减小的情况。参见图10，图中表现出8时的有效波高数值预报结果经人工订正后数值增大、20时的有效波高数值预报结果经人工订正后数值减小的情况。

由上可知，本发明提供的订正方法和装置实现了对海浪数值预报结果的逐时订正，能够提高海浪预报逐时订正效率，使海浪预报精细化、精确化。

以上所举实施例仅用为方便举例说明本发明，并非对本发明保护范围的限制，在本发明所述技术方案范畴，所属技术领域的技术人员所作各种简单变形与修饰，均应包含在以上申请专利范围中。

Claims (7)

1.一种海浪预报循环回归逐时订正方法，其特征在于，含有以下步骤：

S1、逐时刻、逐网格读取海浪要素栅格数据场，所述海浪要素栅格数据场包括多时刻的海浪要素数值预报场[α₀,α₁,...,α_t...,α_T-1]和所述海浪要素数值预报场[α₀,α₁,...,α_t...,α_T-1]对应的一个或多个时刻的人工订正场[β_I,β_II,...,β_k,...,β_K]，其中，α_t表示t时刻的海浪要素数值预报场，0＜t≤T-1，β_k表示对第k时刻海浪要素数值预报场数据进行人工订正生成的人工订正场，I≤k≤K＜T；

S2、计算人工订正场与对应时刻海浪要素数值预报场的差值，得到差值场[ε_I,ε_II,...,ε_k,....,ε_K]，其中，ε_k＝β_k-α_k表示第k时刻人工订正场β_k与海浪要素数值预报场α_k的差值；

S3、计算影响权重W_t,k；

S4、将影响权重W_t,k带入海浪要素数值预报场的插值计算中，进行时间序列插值，得到插值订正场[α'₀,α′₁,...,α′_t,...,α'_T-1]，其中，α′_t表示对第t时刻的海浪要素数值预报场进行插值订正后的插值订正场；

S5、根据插值订正场与海浪要素数值预报场的差值，计算对插值订正场α^′ _t产生影响的人工订正场β_k对应的第k时刻的估计人工订正场，进一步利用估计人工订正场与实际人工订正场的差值更新生成新的差值场[ε'_I,ε'_II,...,ε'_k,...,ε'_K]，其中，ε'_k表示更新后的k时刻差值场；

S6、利用更新后的差值场继续从步骤S4开始进行多次循环回归订正，完成逐时订正。

2.如权利要求1所述的海浪预报循环回归逐时订正方法，其特征在于，步骤S3中，通过公式(1)计算影响权重W_t,k，公式(1)的表达式为：

式中，d_t,k＝|t-k|表示t时刻插值订正场α′_t与相邻的人工订正场β_k的时间间隔，r为影响半径，表示与插值订正场α′_t左右相邻的两个人工订正场的时间间隔。

3.如权利要求2所述的海浪预报循环回归逐时订正方法，其特征在于，步骤S4中，通过公式(2)进行时间序列插值，公式(2)的表达式为：

式中，Δα_t表示t时刻插值订正场α′_t与海浪要素数值预报场α_t的差值，A为与t时刻海浪要素数值预报场α_t相邻的人工订正场的时刻集合。

4.如权利要求3所述的海浪预报循环回归逐时订正方法，其特征在于，步骤S5中，第k时刻的估计人工订正场为β_k+Δα_t×(d_t,k/r)，通过公式(3)更新差值场，公式(3)表示为：

ε'_k＝ε_k-Δα_t×(d_t,k/r) (3)。

5.如权利要求1所述的海浪预报循环回归逐时订正方法，其特征在于，步骤S6中，进行多次循环回归订正时，当循环回归订正次数达到设定循环订正次数时，停止订正。

6.如权利要求1所述的海浪预报循环回归逐时订正方法，其特征在于，步骤S6中，进行多次循环回归订正时，当循环回归订正过程中差值场的最大值小于设定阈值时，停止订正。

7.一种海浪预报循环回归逐时订正装置，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于逐时刻、逐网格读取海浪要素栅格数据场包括多时刻的海浪要素数值预报场[α₀,α₁,...,α_t...,α_T-1]和所述海浪要素数值预报场[α₀,α₁,...,α_t...,α_T-1]对应的一个或多个时刻的人工订正场[β_I,β_II,...,β_k,...,β_K]；差值场计算模块，用于计算人工订正场与对应时刻海浪要素数值预报场的差值，得到差值场[ε_I,ε_II,...,ε_k,...,ε_K]；

影响权重计算模块，用于计算影响权重W_t,k；

插值订正场生成模块，用于将影响权重W_t,k带入海浪要素数值预报场的插值计算中，进行时间序列插值，得到插值订正场[α'₀,α′₁,...,α′_t,...,α'_T-1]；

差值场更新模块，用于根据插值订正场与海浪要素数值预报场的差值，计算对插值订正场α′_t产生影响的人工订正场β_k对应的第k时刻的估计人工订正场，进一步利用估计人工订正场与实际人工订正场的差值更新生成新的差值场[ε'_I,ε'_II,...,ε'_k,...,ε'_K]；

循环订正模块，用于设定循环次数或阈值，利用更新后的差值场进行循环回归订正。

Images