CN113112556B - 一种极地能量输送通量散度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极地能量输送通量散度的计算方法。读取原始全球网格的能量输送通量数据，将研究区域的输送通量数据转变为分辨率为50km×50km的等面积可扩展(Equal‑Area Scalable Earth，EASE)网格数据。投影完成后首先对水平数据和垂向数据进行方向修正，然后根据水平方向和垂直方向的梯度计算能量输送通量的散度。最后，建立图像显示窗口，对结果进行可视化。本发明解决了目前再分析大气数据的能量输送通量散度数据在极地地区较为离散和结果错误的问题，准确性和科学性较高。该方法操作简便，用户可根据需求任意调整输入的矢量参数，计算其他矢量参数的散度。

Description

一种极地能量输送通量散度的计算方法

技术领域

本发明涉及一种极地能量输送通量散度的计算方法，具体说的是一种计算并绘制极地热量输送通量散度的流程算法。

背景技术

矢量的散度是判断某个位置处的输送通量是向外发散还是向内汇聚的重要物理量，在气象学的相关研究中，气象矢量数据的聚散分析十分常见，在极地区域关于能量和热量的“源”和“汇”的相关研究中同样应用广泛。由于目前大气再分析数据集提供的能量通量散度数据通常存储于全球经纬度网格中，在极地区域进行出图和分析时通常会因经纬度网格非均匀分布而产生误差，此外，目前存在的通量散度数据往往比较离散，导致出图不清晰甚至出图错误，为科学分析和研究带来困难。因此，极地能量输送通量散度的计算方法具有较强的实际应用价值和科学研究价值。

发明内容

针对上述技术不足，本发明提供一种准确的能量输送通量散度的计算方法。本方法借助IDL程序语言，读取能量输送通量数据，进行数据投影以及修正后，根据得到的能量输送通量的水平和垂向分量计算散度。本算法得到的结果较为平滑，准确性和科学性较强。此外，该方法简便灵活，用户可根据需求自定义输入的矢量数据，计算极地区域其对应的散度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种极地能量输送通量散度的计算方法，包括以下步骤：

1)读取全球地理网格下的能量输送通量的数据，计算其实际观测值；

2)将能量输送通量实际观测值数据投影为具有预设分辨率的等面积可扩展网格数据；

3)对投影后得到的水平数据和垂向数据进行方向修正；

4)对于每一个网格，依据水平和垂向梯度计算能量输送通量的散度；

5)重复步骤4)，对所有网格进行迭代处理，计算所有网格的能量输送通量散度；

6)建立绘图窗口，将散度计算结果进行可视化，用于图像直观表示此位置处为通量向内汇聚的通量汇区或通量向外辅散的通量源区。

所述全球地理网格下的能量输送通量为：经向分量和纬向分量、以及各分量数据对应的缩放因子和偏移量属性等参数。

所述计算两个分量的实际观测值包括：

根据缩放因子和偏移量属性计算两个分量的实际观测值e和n：

公式1：e＝e₀×scale_factor1+add_offset1

公式2：n＝n₀×scale_factor2+add_offset2

其中参数定义如下：e₀为全球地理网格下的能量输送矢量纬向分量的记录值，scale_factor1为e₀对应的缩放因子，add_offset1为e₀对应的偏移量；n₀为全球地理网格下的能量输送矢量经向分量的记录值，scale_factor2为n₀对应的缩放因子，add_offset2为n₀对应的偏移量。

所述将数据投影为具有预设分辨率的等面积可扩展网格包括以下步骤：

设置参数：投影类型、椭球体、中央经线和单位，建立可扩展目标网格坐标系；设置可扩展目标网格坐标系的分辨率；根据原始地理网格坐标系和目标网格坐标系建立地理查找表文件，以确定原始地理网格坐标系中的初始位置在可扩展目标网格坐标系中的结果位置；

根据初始位置和结果位置对每一网格内的能量输送通量数据在可扩展目标网格坐标系下进行插值变换，得到等面积可扩展网格下的能量输送通量数据的两个分量；

计算结果数据对应的等面积可扩展网格的经纬度数据，用于绘制出图。

所述地理查找表文件用于存储原始地理网格坐标与可扩展网格坐标的映射关系。

所述对水平数据和垂向数据进行方向修正为：

原始地理网格坐标系下的数据中的水平分量以经纬度为参考：水平分量向东为正，向西为负，垂向分量向北为正，向南为负；

当数据转换为等面积可扩展网格后，根据象限和经纬度进行调整，使得可扩展目标网格坐标系下的结果数据以x轴为水平分量、以y轴为垂向分量进行矢量的坐标定位。

依据水平和垂向梯度计算能量输送通量的散度为：

读取等面积可扩展网格下能量输送通量矢量的水平数据和垂直数据，计算每个网格能量输送水平和垂直分量的变化梯度，根据梯度确定此位置能量输送通量的散度。

若所述若散度计算结果为负值，表示此位置处为通量源区，通量向外辅散；若散度计算结果为正值，表示此位置处为通量汇区，通量向内汇聚。

所述将散度计算结果进行可视化包括：

将每一网格处的散度数据用颜色加以区分，并将陆地边界叠加显示在其上。

选取不同颜色表征散度计算结果的正值与负值，且散度计算结果数据的绝对值越大其对应颜色越深。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明一种极地能量输送通量散度的计算方法，包括从数据读取、数据处理、计算、结果可视化一整套极地能量输送通量散度的计算流程。

2.本算法仅采用IDL程序完成，操作简单，易于实现。

3.本算法灵活度高，用户可根据需求计算极地区域其他再分析矢量数据如水汽输送通量、热量通量、质量通量、风矢量等数据的散度的计算。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是原始北半球55-90°N范围内的能量输送通量矢量示意图；

图3是投影并修正后得到的北极能量输送通量矢量可视化结果图；

图4是本发明方法示例计算得到的北极能量输送通量的散度可视化结果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。结合附图对方法步骤进行说明。以下实施以北半球中高纬度(55-90°N)范围内的数据为例，用于说明本发明的目的，但不用于限定本发明的范围。

如图1所示，程序语言读取全球地理网格下的能量输送通量的经向分量和纬向分量(能量输送通量数据为速度和方向的矢量数据)，将研究区域范围内的数据的投影至为分辨率为50km×50km的等面积可扩展网格，对得到水平数据和垂向数据进行方向修正。继而计算能量输送通量在水平和垂直方向的梯度，依据梯度计算能量输送通量的散度。建立图像显示窗口，绘制散度结果图像，在显示窗口进行可视化显示。包括以下步骤：

步骤1)：原始数据中能量通量矢量的纬向分量变量名为“p75.162”，经向分量变量名为“p76.162”，两个分量都包含“Attribute scale_factor”、“Attribute add_offset”等属性(上述两个属性分别代表存储数据与真实数据相比的缩放因子和偏移量)。依据变量名分别读取全球地理网格下的能量输送矢量的纬向分量e₀和对应的缩放因子scale_factor1和偏移量add_offset1，经向分量n₀和对应的缩放因子scale_factor2和偏移量add_offset2，并根据缩放因子和偏移量属性计算两个分量的实际观测值e和n：

公式1：e＝e₀×scale_factor1+add_offset1

公式2：n＝n₀×scale_factor2+add_offset2

原始的能量输送通量数据读取后进行可视化的结果如图3所示。

步骤2)：将原始全球网格下的能量输送通量矢量的经向数据和纬向数据(图2中的箭头表示的矢量数据：纬向分量实际观测值e，经向分量实际观测值n)投影至具有预设分辨率的等面积可扩展网格。转换过程首先需要建立目标网格对应的坐标系，设置投影类型、椭球体、中央经线和单位等参数；根据初始坐标系和目标坐标系建立地理查找表文件，以确定原始地理网格中的初始位置在目标坐标系中的结果位置。然后，根据初始位置和结果位置对能量输送通量进行变换，将原始地理网格下的能量通量观测值变换至可扩展网格的对应位置，若结果中的某个网格无法在原始观测值数据中找到对应位置，则根据相邻网格已获取的对应位置，利用最近邻重采样方法进行插值计算获取此网格对应位置。设置目标结果的分辨率，得到等面积可扩展网格下的能量输送通量数据。

步骤3)：由于原始数据中矢量(纬向分量实际观测值e，经向分量实际观测值n)的方向以经纬度为准，如图2左上坐标系所示，而结果数据的水平分量和垂向分量以x轴和y轴为准，如图3左上坐标系所示。因此当数据(e，n)转换为等面积可扩展网格数据(uu和vv)后，需要进行方向修正，根据象限和经纬度进行调整：

经度0-90°的修正方法如下：

公式3：u＝-vv×sin(lon)+uu×sin(90-lon)

公式4：v＝vv×cos(lon)+uu×cos(90-lon)

经度90-180°的修正方法如下：

公式5：u＝-vv×sin(180-lon)-uu×sin(lon-90)

公式6：v＝-vv×cos(180-lon)+uu×cos(lon-90)

经度180-270°的修正方法如下：

公式7：u＝vv×sin(lon-180)-uu×sin(lon-180)

公式8：v＝-vv×cos(lon-180)-uu×cos(lon-180)

经度270-360°的修正方法如下：

公式9：u＝vv×sin(360-lon)+uu×sin(360-lon)

公式10：v＝vv×cos(360-lon)-uu×cos(360-lon)

其中，uu和vv是全球网格下北半球中高纬区域能量输送通量(e，n)转换为等面积可扩展网格下的水平分量和垂向分量，u和v是进行方向修正后的水平分量和垂向分量，lon为网格经度。投影并修正后的能量输送通量(u和v)绘制于图3中。图3中采用箭头表示单一网格处的散度矢量，还可以采用其他图形表征散度矢量。其中，关于如何确定“箭头”4个点位置，采用：对于每一个网格，确定输送通量矢量的起始点坐标；根据输送通量矢量的水平大小和垂直大小，以及自定义的箭头角度和长度计算箭头顶点坐标；按顺序将箭头的四个顶点连接成线，绘制单个箭头。

步骤4)：基于等面积可扩展网格下的能量输送通量数据，依据水平和垂向梯度计算每个网格的能量输送通量散度：

公式11：

其中，i和j代表网格的行列号，

代表能量输送通量在水平方向的梯度，

代表能量输送通量在垂直方向的梯度。

步骤5)：利用IDL的For循环，按照以上步骤计算所有网格的能量输送通量散度。

步骤6)：计算完成后，进行可视化叠加显示，如图4所示。图4中采用不同颜色表示各个网格处的散度。冷色表示负值，暖色表示正值。

将每一网格处的散度数据用颜色加以区分，并将陆地边界叠加显示在其上。

若散度计算结果为负值，表示此位置处为通量源区，通量向外辅散；若散度计算结果为正值，表示此位置处为通量汇区，通量向内汇聚；

选取不同颜色表征正值与负值，且散度计算结果数据的绝对值越大其对应颜色越深。

一种极地能量输送通量散度的计算方法，以IDL程序实现。本算法灵活度高，用户可根据需求计算极地区域其他再分析矢量数据如水汽输送通量、热量通量、质量通量、风矢量等数据的散度的计算，并可视化显示。

Claims (4)

1.一种极地能量输送通量散度的计算方法，其特征在于包括以下步骤：

1)读取全球地理网格下的能量输送通量的数据，计算其实际观测值；所述全球地理网格下的能量输送通量为：经向分量和纬向分量、以及各分量数据对应的缩放因子和偏移量属性参数；

所述计算能量输送通量实际观测值，包括：

根据缩放因子和偏移量属性计算纬向分量的实际观测值e和经向分量实际观测值n：

公式1：e＝e₀×scale_factor1+add_offset1

公式2：n＝n₀×scale_factor2+add_offset2

其中参数定义如下：e₀为全球地理网格下的能量输送矢量纬向分量的记录值，scale_factor1为e₀对应的缩放因子，add_offset1为e₀对应的偏移量；n₀为全球地理网格下的能量输送矢量经向分量的记录值，scale_factor2为n₀对应的缩放因子，add_offset2为n₀对应的偏移量；

2)将能量输送通量实际观测值数据投影为具有预设分辨率的等面积可扩展网格数据；

3)对投影后得到的水平数据和垂向数据进行方向修正；

4)对于每一个网格，依据水平和垂向梯度计算能量输送通量的散度；包括：

读取等面积可扩展网格下能量输送通量矢量的水平数据和垂直数据，计算每个网格能量输送水平和垂直分量的变化梯度，根据梯度确定此位置能量输送通量的散度；

公式11：

其中，i和j代表网格的行列号，

代表能量输送通量在水平方向的梯度，

代表能量输送通量在垂直方向的梯度；

若散度计算结果为负值，表示此位置处为通量源区，通量向外辅散；若散度计算结果为正值，表示此位置处为通量汇区，通量向内汇聚；

5)重复步骤4)，对所有网格进行迭代处理，计算所有网格的能量输送通量散度；

6)建立绘图窗口，将散度计算结果进行可视化，用于图像直观表示此位置处为通量向内汇聚的通量汇区或通量向外辅散的通量源区；

所述将散度计算结果进行可视化包括：将每一网格处的散度数据用颜色加以区分：选取不同颜色表征散度计算结果的正值与负值，且散度计算结果数据的绝对值越大其对应颜色越深；并将陆地边界叠加显示在其上。

2.根据权利要求1所述的一种极地能量输送通量散度的计算方法，其特征在于，将数据投影为具有预设分辨率的等面积可扩展网格包括以下步骤：

设置参数：投影类型、椭球体、中央经线和单位，建立可扩展目标网格坐标系；设置可扩展目标网格坐标系的分辨率；根据原始地理网格坐标系和目标网格坐标系建立地理查找表文件，以确定原始地理网格坐标系中的初始位置在可扩展目标网格坐标系中的结果位置；

根据初始位置和结果位置对每一网格内的能量输送通量数据在可扩展目标网格坐标系下进行插值变换，得到等面积可扩展网格下的能量输送通量数据的两个分量；

计算结果数据对应的等面积可扩展网格的经纬度数据，用于绘制出图。

3.根据权利要求1所述的一种极地能量输送通量散度的计算方法，其特征在于，地理查找表文件用于存储原始地理网格坐标与可扩展网格坐标的映射关系。

4.根据权利要求1所述的一种极地能量输送通量散度的计算方法，其特征在于，所述对投影后得到的水平数据和垂向数据进行方向修正为：

原始地理网格坐标系下的数据中的水平分量以经纬度为参考：水平分量向东为正，向西为负，垂向分量向北为正，向南为负；

当数据转换为等面积可扩展网格后，根据象限和经纬度进行调整，使得可扩展目标网格坐标系下的结果数据以x轴为水平分量、以y轴为垂向分量进行矢量的坐标定位。

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