CN116012546B - 一种从环境背景中提取气象系统的方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从环境背景中提取气象系统的方法及存储介质。该方法包括获取具有经纬线网格点位置的各种气象场数据，通过其中风场流形，选定气象系统，构建该系统的随体坐标系；依据坐标系中主坐标轴增加不同方位角或不同间隔的次坐标轴，获取坐标轴与气象系统三维外轮廓交点的经纬度，以输入场的经纬线网格点经纬度，插值确定气象系统随体坐标系中沿坐标轴的内部剖面及其三维外轮廓的位置经纬度，通过将输入要素集向气象系统随体坐标系中各剖面格点作插值，再作气象系统内部剖面及外轮廓面的气象要素分布的多种展示。本发明提供了便捷展示气象系统内部和外轮廓要素特征方法，以及它们与常规区域经纬线网格要素分布进行特征对比的方式。

Description

一种从环境背景中提取气象系统的方法及存储介质

技术领域

本发明涉及气象技术领域，具体涉及天气分析与预报中的应用技术，是一种从环境背景中提取气象系统的方法及存储介质。

背景技术

气象行业天气预报实践过程和理论研究过程通常将气象系统与其背景环境作为一体进行分析，主要原因有两个：一是数据场的固有特征均为空间经纬网格，无论是再分析资料场还是数值模拟产品场，这些经纬线网格数据不能直接标识出气象系统内外的要素差异；二是气象系统与其背景场的边界并不清晰，因为气象系统是流体，不像固体那样有确定的边界，并且随机动态性强，融合性边界是常态。所以准确地区分气象系统及其背景是不现实的。但是影响局地天气变化的关键是气象系统的活动，气象系统不同部位对局地的控制是造成局地天气变化及强度差异的关键。因此从环境背景中提取气象系统，进而追踪气象系统的移动，立足气象系统观察气象系统的基本结构及其演变，对天气预报实践与天气理论研究都可提供重要参考并协助深化认识。因此建立从气象环境数据场中提取气象系统本体是有需求和有帮助的。

现有技术立足流体动力学欧拉观点，在固定关注时刻、指定范围地域、确定标准层次的基本条件下，分析全域各种气象要素的空间分布，要素值均位于垂直方向上每一层次的经纬线矩形网格点上，这种要素场包含有主要气象系统及其环境背景场，没有确定的气象系统边界被提供或者被标识，主要是通过对气象要素的专业分析，展示整个区域范围包括气象系统及其背景场要素在内的气象要素不均匀分布特征。使用者结合天气学理论原理与实况要素分布，人工识别关键系统。

现有技术中没有从气象系统个体结构形态特征进行观察分析的视角或平台。这是因为现行方法主要是依据经纬线网格作气象要素分析，观察各种气象要素沿经纬线网格分布的不均匀特征，借助气象分析理论，从而辨识出气象系统。气象系统是立体的，往往是椭圆柱状，或者其他不规则的立体形状，范围大小也不固定，同一系统不同层次上的范围尺度和关键部位并不完全重合。因此以固定的沿经纬度线的垂直剖面，或者任意选定的某一确定垂直剖面，对系统进行观察分析，会出现对气象系统关键点或关键部位的非最合理展示或者不完整展示，以及对气象系统要素三维形态分布的动力结构特征的认知不清晰等缺陷/不足。产生该缺陷、不足的原因是没有一个以气象系统三维个体为核心的气象系统观察构架，以及合适的可调视角。缺乏对经纬线网格数据场中气象系统形态从环境背景中提取出来的过程与方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种从环境背景中提取气象系统的方法及存储介质。

为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种从环境背景中提取气象系统的方法，包括：

获取待分析的GIS地图和风场数据，以及所需的相应的其它气象要素场数据，依据风场形态选定气象系统，并构建气象系统的随体坐标系；

依托随体坐标系，选择所需层次，并绘制各层次上的该气象系统外轮廓形态范围，以获得气象系统的三维外轮廓；

根据随体坐标系的主坐标轴分布，依据使用者希望对气象系统结构及其不同部位特点的了解，增加多个次坐标轴，获取这些主、次坐标轴分别与气象系统三维外轮廓框架相交点的经纬度，进而选择各主、次坐标轴上的数据格点数及格点间距；

所述次坐标轴相对于正交的主坐标轴，包括不同方位角坐标轴，可以是等角度间隔或非等角度间隔，以及等间距或不等间距的平行坐标轴。

再运用输入的气象要素场的经纬线网格点经纬度插值获得气象系统随体坐标系中各网格点位置的经纬度值，所述随体坐标系网格点位置包括沿主、次坐标轴的垂直剖面和气象系统三维立体外轮廓面；

再将获取的区域经纬线网格上的气象要素插值到气象系统随体坐标系中沿坐标轴剖面即系统内部剖面和系统三维外轮廓面的网格点位置上，此时随体坐标系网格获得了气象要素；

对随体坐标系中的气象要素进行多种形式的展示处理。这样实现了将气象系统从输入的区域环境中提取出来，并获得比原区域网格更丰富的展示形式。

进一步的，所述次坐标轴包括不同方位角次坐标轴，以及等间距或不等间距的平行次坐标轴。

进一步的，所述气象要素展示处理包括：

所述主、次坐标轴剖面通过绘制矩形网格的形式显示气象要素的分布；所述气象系统外轮廓面采用矩形网格或者采用有限元网格绘制方法进行要素特征展示。

进一步的，所述气象要素展示处理还包括：

将各种插值在随体坐标系网格点的气象要素通过矢量表达或等值线绘制或色谱填色的方式展示。

进一步的，所述气象要素展示处理还包括：

将所述气象系统随体坐标空间中沿各条主、次坐标轴的垂直剖面以两维剖面的形式展现气象系统内部的气象要素分布。

进一步的，所述气象要素展示处理还包括：

将气象系统外轮廓面的气象要素分布进行静态展示或动态展示，所述静态展示包括立体外轮廓展示和两维平面展示；所述动态展示为将所述气象系统外轮廓进行旋转展示，其中静态两维平面展示来自于立体外轮廓展示的有限元映射法处理。

进一步的，利用电子绘板获取待分析的GIS地图和风场数据，以及所需的相应的各种气象要素场数据，并利用电磁笔执行相应操作。

在第二方面，本发明提供了一种存储介质，用以存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。

有益效果1、本发明不介入已有的操作系统，不改变使用者对原有操作系统的习惯；

2、本发明运用气象系统随体坐标系，结合使用者对天气学理论的认知与理解，以及专业分析需求，快速将气象系统从背景环境中提取出来；

3、本发明增加了对气象系统动力结构特点的观察视角，提供了便捷地展示和对比气象系统随体坐标系中要素分布特征与常规经纬线网格空间各种气象要素分布特征；

4、本发明向使用者提供直观了解气象系统内部及外轮廓，以及气象系统动力机制的平台，为专业理论在实际状态中的应用提供了又一个新颖有效的工具。

附图说明

图1是本发明实施例的从环境背景中提取气象系统的方法流程示意图；

图2是构建出的气象系统(渐近线型锋生辐合线)的随体坐标系示意图；

图3是构建好的气象系统的三维外轮廓框架的示意图；

图4是随体坐标系中各种主次坐标轴的相互配置示意图；

图5是提取的气象系统外轮廓面要素场分布及旋转表达的示意图；

图6是提取的气象系统随体坐标系中垂直剖面要素分布的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种从环境背景中提取气象系统的方法，包括：

获取待分析的GIS地图和风场数据，以及所需的相应的其它气象要素场数据，依据风场流动形态，确定所关注的气象系统，并构建该气象系统的随体坐标系。具体的，该气象要素场数据包括各种数值模式输出产品场或各种再分析资料产品场或监测数据的气象产品展示场。这些场均以GIS底图为基础，可以提取各点的经纬度。其它气象要素包括气压、气温、降水、比湿、垂直速度或者卫星反演参数等。可利用电子绘板获取待分析的GIS地图和风场数据、其它气象要素场数据，并利用电磁笔执行后续相应操作，通过将GIS地图和经纬线网格的风场数据、其它气象要素场数据输入至电子绘板，不介入原有操作系统，不改变使用者对原有操作系统的习惯。基于电子绘板上输入的经纬线网格风场形态，发现和选择关注的重点气象系统，如各种不同尺度的气旋、反气旋、切变线、鞍形场、渐近线型辐合线等等。由于电子绘图板的便携式，将其用于本发明的计算及操作绘制的展示板，易于与已有的预报操作系统产品进行各种形式的对比。

本发明实施例构建气象系统的随体坐标系的方式优选如下：

依据风场的流动形态，选定气象系统，例如选择一个渐近线型锋生辐合线系统。确定待分析气象系统随体坐标系的原点及其范围线，此系统的圆点考虑在风速大值线上，范围考虑系统覆盖区域与研究所关注的区域范围。且根据待分析气象系统的关键要素特征(如风场辐合线主线)确定待分析气象系统随体坐标的第一条主坐标轴。上述待分析气象系统的关键要素特征对于不同的气象系统有所不同，包括强风速轴线或强降雨中心或风向切变，风速突变点或线等，本实例为强风速轴。这些关键要素特征可以经方程计算客观自动显示，例如强风速轴线等；也可以依据实况由使用者根据专业经验人为判定，例如用电磁笔依据关键要素的空间分布特征，选择和选定待分析气象系统的原点或待分析气象系统的主坐标轴。此时，依托GIS底图，将可以自动读取由客观或人为两种方式确定的待分析气象系统的随体坐标系第一条主坐标轴。并获取该主坐标轴与系统范围线交点的经纬度。用于后续计算坐标系中主坐标轴上要素格点位置所需。

接着制作随体坐标系的第二条主坐标轴：根据其它气象要素的区域物理量分布特征获取关键点的经纬度，并通过关键点向待分析气象系统随体坐标的第一条主坐标轴作垂直正交线，以获得待分析气象系统随体坐标系的第二条正交主坐标轴。不同的气象系统，各自重要的气象要素不相同，在获取关键点时，只需从其它气象要素中挑选一个重要的要素即可，如本例选取垂直上升速度的大值中心点作为关键点，也可以选降水中心作为关键点等。由此构成待分析气象系统随体坐标两条正交主坐标轴，由于系统范围已选定，可获取两条正交主坐标轴与待分析气象系统范围线交点的经纬度。即确定待分析气象系统随体坐标系的两条正交主坐标轴位置与尺度，由两条正交主坐标轴各自两端点的经纬度确定。

根据需要从选择菜单上选定待分析气象系统随体坐标系两条正交主坐标轴上的数据格点间距，再依据多元方程组，计算并确定出两条正交主坐标轴上的数据格点数。由于这些数据格点不在输入的气象要素场区域经纬线网格的经线及纬线上，所以需要插值计算，将输入要素场所具有的经纬线网格（网格大小由输入要素场携带，不局限某种固定值大小）上的格点经纬坐标，插值到待分析气象系统随体坐标系的两条正交主坐标轴上的格点上，这样待分析气象系统随体坐标系两条正交主坐标轴上的每个格点都赋有了具体经纬度的定位，完成了从输入的区域矩形经纬线网格到气象系统随体坐标系网格的转换。

在垂直方向选择所需层次，在各选择层次上进行随体坐标系立体空间网格建立，建立方法与前述相同，由此构建完成待分析气象系统的三维随体坐标系框架。由此建立起不同尺度气象系统三维随体坐标系，进而可为探讨气象系统结构特征，要素分布状况，运动演变方式等，提供将气象系统从其背景环流中提取出来的三维气象系统随体坐标系框架。

绘制出的随体坐标系的形式可参见图2，图2中的黑色实线为实例气象系统----渐近线型锋生辐合线系统随体坐标系的二条正交主坐标轴，黑色实线上的黑色圆点为二条正交主坐标轴上的数据点，带箭头线为该渐近线型锋生辐合线的风矢量表达(小风速矢量不绘制)，颜色较深部分和虚线为风速，单位：m/s。其中一条正交主坐标轴上灰色方形块区域为强降水区中心，显然随体坐标系主坐标轴与输入要素场的区域经纬线网格(沿图边缘的纵横坐标)有显著交角。即两种坐标系提供各自不同的坐标空间。

构建好气象系统的随体坐标系后，在随体坐标系不同层次上绘制气象系统外轮廓形态范围线，可获得气象系统的三维外轮廓框架。为了更清楚地显示气象系统的三维外轮廓框架形态，选择一个气旋，依据前述步骤作其外轮廓，如图3所示。

根据随体坐标系的主坐标轴分布，依据使用者希望对气象系统结构及其不同部位特点的了解，增加多个次坐标轴，包括不同方位角次坐标轴，如等夹角设置或非等夹角设置的次坐标轴，也可以是等间距或不等间距的平行次坐标轴等，可根据需要选择调节，如图4所示。

再运用输入的气象要素场的经纬线网格点经纬度插值获得气象系统随体坐标系中各网格点位置的经纬度值，上述网格点位置包括沿主、次坐标轴的垂直剖面和气象系统三维立体外轮廓面。

将输入的气象要素场的经纬线网格要素数据插值到气象系统随体坐标中所选定的主、次坐标剖面上以及气象系统外轮廓面上。此时随体坐标系种的选定网格点上已被插上了气象要素值，依托随体坐标系内部剖面和外轮廓面的气象要素进行多种形式的展示处理。这样实现了将气象系统从输入的区域环境中提取出来，并获得比原区域网格更丰富的展示形式。其中对各种沿坐标轴的剖面，通过绘制矩形网格形式显示气象要素的分布；对气象系统外轮廓面，可以采用矩形网格或者采用有限元网格绘制方法进行要素特征展示。

气象系统外轮廓面的气象要素分布可以有静态展示和动态展示两类，静态展示包括立体外轮廓展示和两维平面展示；动态展示为将气象系统外轮廓进行旋转展示。其中静态两维平面展示来自于立体外轮廓展示的有限元映射法处理。

在气象系统内部垂直剖面和外轮廓面的要素分布表达，可以通过矢量表达或者是等值线绘制或者是色谱填色的方式展示。参见图5所示的风矢量表达，以及图6所示的要素等值线标量和色谱填色两种表达。

对于气象系统的立体外轮廓面的要素分布表达，还可以将气象系统外轮廓框架进行旋转，以展示该气象系统外轮廓不同方位的要素值空间分布特征。见图5中左右两图的对比示意。

还可以两维垂直剖面的形式展现气象系统内部沿各主、次坐标轴垂直剖面的要素分布，此种各坐标轴剖面分别显示的方式避免了立体三维信息整体表达时不同剖面前后排列造成信息叠置和信息遮挡问题。此种坐标轴垂直剖面便于与经纬线网格要素垂直剖面的特征对比。也方便发现气象系统关键部位，并对气象系统关键部位进行深入观察、探索和理解。图6示意出了举例中渐近线型锋生辐合线的随体坐标系中沿轴线垂直剖面上的垂直速度分布，图中横坐标下侧的白三角指示海岸线位置，黑三角为降水中心；图6的中间部位的黑色区域为上升运动中心。图中虚线及其上数值为等值线标量绘制，图中黑灰色彩为色谱填色显示。

在提取出气象系统后，可以依据气象系统的外轮廓，进行时间变化追踪，了解气象系统的演变。以及提供气象系统内部垂直剖面与具环境背景的区域经纬线网格垂直剖面进行动态对比。还可以对两个临近的气象系统作相对运动的动态分析，包括海洋气象中的重要气象系统与航行船舶的相对运动展示，航空气象中飞行器与气象系统的相对运动，或者与气象系统内部特定部位的相对位置。

基于以上实施例，本领域技术人员可以轻易理解，本发明还提供了一种存储介质，用以存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。

另外需要说明的是，如果直接在原操作系统上实施本方案，采用多窗口展示对比，也可能替代本方案选用电子绘板和电磁笔的方式，另外选用另一台电脑而不是电子绘板及电磁笔也可能代替本方案。但采用电子绘板更为便捷，更易于对所制作的随体坐标系与操作系统中常规经纬线坐标系进行灵活对比和参考比较。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，其它未具体描述的部分，属于现有技术或公知常识。在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种从环境背景中提取气象系统的方法，其特征在于，包括：

获取待分析的GIS地图和风场数据，以及所需的相应的其它气象要素场数据，依据风场形态选定气象系统，并构建气象系统的随体坐标系；

依托随体坐标系，选择所需层次，并绘制各层次上的该气象系统外轮廓形态范围，以获得气象系统的三维外轮廓；

根据随体坐标系的主坐标轴分布，依据使用者希望对气象系统结构及其不同部位特点的了解，增加多个次坐标轴，获取这些主、次坐标轴分别与气象系统三维外轮廓框架相交点的经纬度，进而选择各主、次坐标轴上的数据格点数及格点间距；

再运用输入的气象要素场的经纬线网格点经纬度插值获得气象系统随体坐标系中各网格点位置的经纬度值，所述网格点位置包括沿主、次坐标轴的垂直剖面和气象系统三维立体外轮廓面；

再将获取的区域经纬线网格上的气象要素插值到气象系统随体坐标系中的网格点位置上，此时随体坐标系网格获得了气象要素；

依托随体坐标系的气象要素进行多种形式的展示处理。

2.根据权利要求1所述的一种从环境背景中提取气象系统的方法，其特征在于，所述次坐标轴包括不同方位角次坐标轴，以及等间距或不等间距的平行次坐标轴。

3.根据权利要求1所述的一种从环境背景中提取气象系统的方法，其特征在于，所述气象要素展示处理包括：

所述主、次坐标轴剖面通过绘制矩形网格的形式显示气象要素的分布；所述气象系统外轮廓面采用矩形网格或者采用有限元网格绘制方法进行要素特征展示。

4.根据权利要求3所述的一种从环境背景中提取气象系统的方法，其特征在于，所述气象要素展示处理还包括：

将各种插值在随体坐标系网格点的气象要素通过矢量表达或等值线绘制或色谱填色的方式展示。

5.根据权利要求3所述的一种从环境背景中提取气象系统的方法，其特征在于，所述气象要素展示处理还包括：

将所述气象系统随体坐标空间中沿各条主、次坐标轴的垂直剖面以两维剖面的形式展现气象系统内部的气象要素分布。

6.根据权利要求3所述的一种从环境背景中提取气象系统的方法，其特征在于，所述气象要素展示处理还包括：

将气象系统外轮廓面的气象要素分布进行静态展示或动态展示，所述静态展示包括立体外轮廓展示和两维平面展示；所述动态展示为将所述气象系统外轮廓进行旋转展示，其中静态两维平面展示来自于立体外轮廓展示的有限元映射法处理。

7.根据权利要求1所述的一种从环境背景中提取气象系统的方法，其特征在于，利用电子绘板获取待分析的GIS地图和风场数据，以及所需的相应的各种气象要素场数据，并利用电磁笔执行相应操作。

8.一种存储介质，用以存储计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一项所述方法。

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