CN113031012A - 一种岸基gnss反射信号的风暴潮监测方法 - Google Patents

一种岸基gnss反射信号的风暴潮监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种岸基GNSS反射信号的风暴潮监测方法。该方法包括：建立岸基GNSS反射信号观测站点；所述岸基GNSS反射信号观测站点用于收集GNSS反射信号；根据GNSS反射信号实时遥感观测海洋观测数据；所述海洋观测数据包括海面风速、海面高度、天文潮以及有效波高；对所述海洋观测数据进行预处理，确定预处理后的海洋观测数据；根据预处理后的海洋观测数据识别台风信息；所述台风信息包括台风编号、台风等级、台风位置、台风强度、最大海面风速、平均海面风速以及持续增长时间；根据所述海洋观测数据以及所述台风信息实时监测风暴潮。本发明能够实时获得高时空分辨率的海洋观测数据。

Description

一种岸基GNSS反射信号的风暴潮监测方法
技术领域
本发明涉及风暴潮监测领域，特别是涉及一种岸基全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellites System，GNSS)反射信号的风暴潮监测方法。
背景技术
海洋灾害中最严重的当属风暴潮灾害，世界上在近岸发生的特别严重的海洋灾害绝大多数都是风暴潮造成的，风暴潮不仅会对沿岸地区的基础设施造成破坏，还对海上作业、海上交通、海洋渔业、海水养殖业和海岸防护工程等造成重大安全隐患和经济损失，严重制约中国海上和沿海经济、社会的可持续发展。及时且精准的监测和模拟对于台风和风暴潮的研究至关重要。
目前，风暴潮预报使用最多的数据主要是地面验潮站、气象站点数据和再分析资料。由于验潮站在沿岸设置不够密集，有些地方无法覆盖，有些大的风暴潮会导致验潮站无法工作，无法实时获得高时空分辨率的海洋观测数据。
发明内容
本发明的目的是提供一种岸基GNSS反射信号的风暴潮监测方法，以解决传统的验潮站覆盖低且在极端天气条件下验潮站无法工作，导致无法实时获得海洋观测数据的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种岸基GNSS反射信号的风暴潮监测方法，包括：
建立岸基GNSS反射信号观测站点；所述岸基GNSS反射信号观测站点用于收集GNSS反射信号；
根据GNSS反射信号实时遥感观测海洋观测数据；所述海洋观测数据包括海面风速、海面高度、天文潮以及有效波高；
对所述海洋观测数据进行预处理，确定预处理后的海洋观测数据；
根据所述预处理后的海洋观测数据识别台风信息；所述台风信息包括台风编号、台风等级、台风位置、台风强度、最大海面风速、平均海面风速以及持续增长时间；
根据所述海洋观测数据以及所述台风信息实时监测风暴潮。
可选的，所述根据GNSS反射信号实时遥感观测海洋观测数据，之后还包括：
根据所述海洋观测数据生成岸基GNSS反射信号观测站点观测数据表。
可选的，所述对所述海洋观测数据进行预处理，确定预处理后的海洋观测数据，具体包括：
对所述海洋观测数据进行质量控制和时间匹配，确定预处理后的海洋观测数据。
可选的，所述根据所述预处理后的海洋观测数据识别台风信息，具体包括：
获取所述预处理后的海洋观测数据内预处理后的海面风速；
若所述预处理后的海面风速持续增长，持续增长时间大于10分钟且所述预处理后的海面风速超过12米每秒，统计所述持续增长时间以及最大海面风速，识别台风信息。
可选的，所述根据所述海洋观测数据以及所述台风信息实时监测风暴潮，具体包括：
获取实测水位；
根据同一时间所述实测水位以及所述天文潮的水位，确定风暴潮增水，并实时统计最大增水时刻、最大增水以及最大海面波高；
根据风暴潮发生时间、所述岸基GNSS反射信号观测站点的位置、所述台风信息、所述最大增水时刻、所述最大增水以及所述最大海面波高生成岸基GNSS反射信号观测站点风暴潮监测统计表；
根据所述岸基GNSS反射信号观测站点风暴潮监测统计表实时监测风暴潮。
可选的，所述根据同一时间所述实测水位以及所述天文潮的水位，确定风暴潮增水，并实时统计最大增水时刻、最大增水以及最大海面波高，之后还包括：
根据所述台风强度以及所述台风位置与所述岸基GNSS反射信号观测站点的位置之间的关系判断是否是由台风引起的风暴潮。
一种岸基GNSS反射信号的风暴潮监测系统，包括：
观测站点建立模块，用于建立岸基GNSS反射信号观测站点；所述岸基GNSS反射信号观测站点用于收集GNSS反射信号；
海洋观测数据观测模块，用于根据GNSS反射信号实时遥感观测海洋观测数据；所述海洋观测数据包括海面风速、海面高度、天文潮以及有效波高；
预处理模块，用于对所述海洋观测数据进行预处理，确定预处理后的海洋观测数据；
台风信息识别模块，用于根据所述预处理后的海洋观测数据识别台风信息；所述台风信息包括台风编号、台风等级、台风位置、台风强度、最大海面风速、平均海面风速以及持续增长时间；
风暴潮监测模块，用于根据所述海洋观测数据以及所述台风信息实时监测风暴潮。
可选的，还包括：
观测数据表生成模块，用于根据所述海洋观测数据生成岸基GNSS反射信号观测站点观测数据表。
可选的，所述预处理模块具体包括：
预处理单元，用于对所述海洋观测数据进行质量控制和时间匹配，确定预处理后的海洋观测数据。
可选的，所述台风信息识别模块具体包括：
预处理后的海面风速获取单元，用于获取所述预处理后的海洋观测数据内预处理后的海面风速；
台风信息识别单元，用于若所述预处理后的海面风速持续增长，持续增长时间大于10分钟且所述预处理后的海面风速超过12米每秒，统计所述持续增长时间以及最大海面风速，识别台风信息。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种岸基GNSS反射信号的风暴潮监测方法，GNSS-R因其导航卫星信号的无线电波段具有全天候条件下工作的能力，因此，岸基GNSS反射信号观测站点能够同时对海面风速、高度、有效波高甚至海冰、海洋盐度等给出有效的数据，构成传统验潮站和气象站的重要补充。不受传统的验潮站覆盖率的影响，GNSS-R随着全球导航卫星系统的快速发展，特别是中国北斗系统的全球覆盖，使GNSS-R接收机可以同时接收不同星座和高度的多颗导航卫星反射信号，实时获得高时空分辨率的海洋观测数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的岸基GNSS反射信号的风暴潮监测方法流程图；
图2为本发明所提供的岸基GNSS反射信号的风暴潮监测系统结构图；
图3为本发明所提供的实时监测台风风暴潮的总体架构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种岸基GNSS反射信号的风暴潮监测方法，能够实时获得高时空分辨率的海洋观测数据。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的岸基GNSS反射信号的风暴潮监测方法流程图，如图1所示，一种岸基GNSS反射信号的风暴潮监测方法，包括：
步骤101：建立岸基GNSS反射信号观测站点；所述岸基GNSS反射信号观测站点用于收集GNSS反射信号。
步骤102：根据GNSS反射信号实时遥感观测海洋观测数据；所述海洋观测数据包括海面风速、海面高度、天文潮以及有效波高。
所述步骤102之后还包括：根据所述海洋观测数据生成岸基GNSS反射信号观测站点观测数据表。
步骤103：对所述海洋观测数据进行预处理，确定预处理后的海洋观测数据。
所述步骤103具体包括：对所述海洋观测数据进行质量控制和时间匹配，确定预处理后的海洋观测数据。
实时对数据进行数据预处理，包括对数据的质量控制和时间匹配。质量控制主要是保证海洋观测数据的有效性；时间匹配目的是为了各个海洋参数相互对应，即各个所述海洋观测数据为同一时刻的海洋观测数据。
步骤104：根据预处理后的海洋观测数据识别台风信息；所述台风信息包括台风编号、台风等级、台风位置、台风强度、最大海面风速、平均海面风速以及持续增长时间。
所述步骤104具体包括：获取所述预处理后的海洋观测数据内预处理后的海面风速；若所述预处理后的海面风速持续增长，持续增长时间大于10分钟且所述预处理后的海面风速超过12米每秒，统计所述持续增长时间以及最大海面风速，识别台风信息。
根据GNSS反射信号得到的海面风速进行台风识别，具体识别方法是阈值判断方法，超过阈值的，跟踪风速是否持续增大，判断持续增长时间是否大约10分钟，且风速超过12m/s；如果是，则激活持续增长时间，统计持续增长时间；再次对持续时间进行阈值判断，统计其中最大风速。根据监测风速和持续增长时间，实现对高风速进行预警。
岸基GNSS反射信号观测站点可以同时观测得到海面高度、海面风速与有效波高信息，实现监测风暴；同时根据天文潮信息(根据站点信息进行天文潮预报)，计算海面高度异常；根据异常信息(大于0.4m)实现对风暴潮识别与监测，包括风暴潮峰值、最大增水时刻、有效波高等信息，为台风和风暴潮灾害预警提供数据支撑。
步骤105：根据所述海洋观测数据以及所述台风信息实时监测风暴潮。
所述步骤105具体包括：获取实测水位；根据同一时间所述实测水位以及所述天文潮的水位，确定风暴潮增水，并实时统计最大增水时刻、最大增水以及最大海面波高；根据风暴潮发生时间、所述岸基GNSS反射信号观测站点的位置、所述台风信息、所述最大增水时刻、所述最大增水以及所述最大海面波高生成岸基GNSS反射信号观测站点风暴潮监测统计表；根据所述岸基GNSS反射信号观测站点风暴潮监测统计表实时监测风暴潮。
所述根据同一时间所述实测水位以及所述天文潮的水位，确定风暴潮增水，并实时统计最大增水时刻、最大增水以及最大海面波高，之后还包括：根据所述台风强度以及所述台风位置与所述岸基GNSS反射信号观测站点的位置之间的关系判断是否是由台风引起的风暴潮。
对GNSS反射信号站点实测数据实时读写，分别对海面风速、高度、波高进行质量控制，缺失的数据以-999填充。按照表1的格式进行时间匹配，数据最终存储到本地。表1为岸基GNSS反射信号观测站点观测数据表，表1中天文潮需要根据站点地理位置从天文潮汐表或者周期法计算天文潮水位，海面高度异常可以利用实测水位减去天文潮得到。
表1
Figure BDA0002957482510000061
根据实测数据，尤其是风速确定是否超过设定的阈值，再次判断是否持续增加。根据阈值判断初步判断台风临近近岸或者登陆。统计最大风速，时段平均风速，持续时间等信息，根据中国中央气象台台风网发布的台风信息，统计台风的编号，名称以及台风等级等信息，这些信息辅助风暴潮监测。风暴潮是一种自然现象，主要受到天文、气象、地理等因素的影响。风暴潮增水指的是实测水位与对应时间的天文潮水位之差，实时统计最大增水，最大增水时刻，以及期间的波高信息。根据台风位置与站点位置的关系，以及台风强度综合判断是否是台风引起的风暴潮，这也和风暴潮的形成有关，主要是台风的强度(风力、风向)等诸多因素都影响着风暴增水。表2为岸基GNSS反射信号观测站点风暴潮监测统计表，最终按照表2的格式保存到本地。
表2
Figure BDA0002957482510000071
图2为本发明所提供的岸基GNSS反射信号的风暴潮监测系统结构图，如图2所示，一种岸基GNSS反射信号的风暴潮监测系统，包括：
观测站点建立模块201，用于建立岸基GNSS反射信号观测站点；所述岸基GNSS反射信号观测站点用于收集GNSS反射信号。本发明所提供的岸基GNSS反射信号观测站点仅是信号接收装置，装置结构简单、成本低、功耗低；利用GNSS信号作为信号源，可实施全天候观测。
海洋观测数据观测模块202，用于根据GNSS反射信号实时遥感观测海洋观测数据；所述海洋观测数据包括海面风速、海面高度、天文潮以及有效波高。
预处理模块203，用于对所述海洋观测数据进行预处理，确定预处理后的海洋观测数据。
所述预处理模块203具体包括：预处理单元，用于对所述海洋观测数据进行质量控制和时间匹配，确定预处理后的海洋观测数据。
台风信息识别模块204，用于根据预处理后的海洋观测数据识别台风信息；所述台风信息包括台风编号、台风等级、台风位置、台风强度、最大海面风速、平均海面风速以及持续增长时间。
风暴潮监测模块205，用于根据所述海洋观测数据以及所述台风信息实时监测风暴潮。
本发明还包括：观测数据表生成模块，用于根据所述海洋观测数据生成岸基GNSS反射信号观测站点观测数据表。
所述台风信息识别模块203具体包括：预处理后的海面风速获取单元，用于获取所述预处理后的海洋观测数据内预处理后的海面风速；台风信息识别单元，用于若所述预处理后的海面风速持续增长，持续增长时间大于10分钟且所述预处理后的海面风速超过12米每秒，统计所述持续增长时间以及最大海面风速，识别台风信息。
图3为本发明所提供的实时监测台风风暴潮的总体架构图，如图3所示，本发明利用GNSS反射信号遥感数据可以实现实时监测台风风暴潮，在实际工作得到应用，可取得较好的经济效益和社会效益。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种岸基GNSS反射信号的风暴潮监测方法，其特征在于，包括：
建立岸基GNSS反射信号观测站点；所述岸基GNSS反射信号观测站点用于收集GNSS反射信号；
根据GNSS反射信号实时遥感观测海洋观测数据；所述海洋观测数据包括海面风速、海面高度、天文潮以及有效波高；
对所述海洋观测数据进行预处理，确定预处理后的海洋观测数据；
根据所述预处理后的海洋观测数据识别台风信息；所述台风信息包括台风编号、台风等级、台风位置、台风强度、最大海面风速、平均海面风速以及持续增长时间；
根据所述海洋观测数据以及所述台风信息实时监测风暴潮。
2.根据权利要求1所述的岸基GNSS反射信号的风暴潮监测方法，其特征在于，所述根据GNSS反射信号实时遥感观测海洋观测数据，之后还包括：
根据所述海洋观测数据生成岸基GNSS反射信号观测站点观测数据表。
3.根据权利要求1所述的岸基GNSS反射信号的风暴潮监测方法，其特征在于，所述对所述海洋观测数据进行预处理，确定预处理后的海洋观测数据，具体包括：
对所述海洋观测数据进行质量控制和时间匹配，确定预处理后的海洋观测数据。
4.根据权利要求1所述的岸基GNSS反射信号的风暴潮监测方法，其特征在于，所述根据所述预处理后的海洋观测数据识别台风信息，具体包括：
获取所述预处理后的海洋观测数据内预处理后的海面风速；
若所述预处理后的海面风速持续增长，持续增长时间大于10分钟且所述预处理后的海面风速超过12米每秒，统计所述持续增长时间以及最大海面风速，识别台风信息。
5.根据权利要求1所述的岸基GNSS反射信号的风暴潮监测方法，其特征在于，所述根据所述海洋观测数据以及所述台风信息实时监测风暴潮，具体包括：
获取实测水位；
根据同一时间所述实测水位以及所述天文潮的水位，确定风暴潮增水，并实时统计最大增水时刻、最大增水以及最大海面波高；
根据风暴潮发生时间、所述岸基GNSS反射信号观测站点的位置、所述台风信息、所述最大增水时刻、所述最大增水以及所述最大海面波高生成岸基GNSS反射信号观测站点风暴潮监测统计表；
根据所述岸基GNSS反射信号观测站点风暴潮监测统计表实时监测风暴潮。
6.根据权利要求5所述的岸基GNSS反射信号的风暴潮监测方法，其特征在于，所述根据同一时间所述实测水位以及所述天文潮的水位，确定风暴潮增水，并实时统计最大增水时刻、最大增水以及最大海面波高，之后还包括：
根据所述台风强度以及所述台风位置与所述岸基GNSS反射信号观测站点的位置之间的关系判断是否是由台风引起的风暴潮。
7.一种岸基GNSS反射信号的风暴潮监测系统，其特征在于，包括：
观测站点建立模块，用于建立岸基GNSS反射信号观测站点；所述岸基GNSS反射信号观测站点用于收集GNSS反射信号；
海洋观测数据观测模块，用于根据GNSS反射信号实时遥感观测海洋观测数据；所述海洋观测数据包括海面风速、海面高度、天文潮以及有效波高；
预处理模块，用于对所述海洋观测数据进行预处理，确定预处理后的海洋观测数据；
台风信息识别模块，用于根据所述预处理后的海洋观测数据识别台风信息；所述台风信息包括台风编号、台风等级、台风位置、台风强度、最大海面风速、平均海面风速以及持续增长时间；
风暴潮监测模块，用于根据所述海洋观测数据以及所述台风信息实时监测风暴潮。
8.根据权利要求7所述的岸基GNSS反射信号的风暴潮监测系统，其特征在于，还包括：
观测数据表生成模块，用于根据所述海洋观测数据生成岸基GNSS反射信号观测站点观测数据表。
9.根据权利要求7所述的岸基GNSS反射信号的风暴潮监测系统，其特征在于，所述预处理模块具体包括：
预处理单元，用于对所述海洋观测数据进行质量控制和时间匹配，确定预处理后的海洋观测数据。
10.根据权利要求7所述的岸基GNSS反射信号的风暴潮监测系统，其特征在于，所述台风信息识别模块具体包括：
预处理后的海面风速获取单元，用于获取所述预处理后的海洋观测数据内预处理后的海面风速；
台风信息识别单元，用于若所述预处理后的海面风速持续增长，持续增长时间大于10分钟且所述预处理后的海面风速超过12米每秒，统计所述持续增长时间以及最大海面风速，识别台风信息。
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