基于动态同化的高仿真气象演示系统的制作方法

本发明涉及气象数据处理，具体为基于动态同化的高仿真气象演示系统。

背景技术：

1、气象演示系统在天气预报播报、气象科普展示以及灾害预警等领域发挥着重要作用。为实现气象数据的可视化展示，现有气象演示系统通常需要将离散的气象观测站点采集的数据同化至连续的仿真网格背景场中，进而驱动前端界面生成可视化的渲染流线。当前常见的同化处理方式主要依赖于反距离权重插值或常规的三维流场同化算法。然而，由于气象观测站点分布相对稀疏，而用于演示的仿真网格分辨率较高，直接进行数值同化极易在观测站点周边区域引发强烈的数值波动，即产生同化激波现象。

2、为抑制这种同化激波，现有的常规技术手段通常会引入基于距离的平滑权重机制。但在实际的复杂地貌环境中，如山谷、山脊等区域，气象流场呈现出强烈的各向异性特征。传统的各向同性空间平滑方法难以有效表征地形对气流的阻隔作用，容易导致气流出现违背物理规律的穿模现象，从而引发地形流场畸变。为了纠正这种流场畸变，部分技术尝试引入地形梯度补偿。但在高频动态的气象演示系统中，观测数据的获取时刻与背景流场实际传播至该点的时刻之间存在微小的时间差。若强制进行地形高程对齐，往往会导致物理场发散，引发时间相位错位。进一步地，若为了修复该错位而直接引入流场矢量相位偏移角进行补偿映射，又会过度捕获并放大局部的阵风扰动，从而产生微尺度噪声放大问题，最终导致演示界面的气象流线呈现不自然的高频抖动。

3、综上所述，亟需一种基于动态同化的高仿真气象演示系统及方法，能够逐层解构并抑制同化激波、流场畸变、时间错位及微尺度噪声放大问题，在保证物理演进规律正确性的前提下，实现平滑、稳定且高仿真的气象流场可视化渲染视效。

技术实现思路

1、本发明提供了基于动态同化的高仿真气象演示系统，促进解决了上述背景技术中所提到的问题。

2、本发明提供如下技术方案：基于动态同化的高仿真气象演示系统，包括：

3、依据气象观测节点大气压强、热力学温度及干空气气体常数，确定气象观测节点大气密度；

4、根据节点坐标提取空间欧式距离，依托节点风速、仿真网格空间分辨率及气流各向异性延展系数，输出各向异性空间映射权重；

5、根据仿真网格节点的海拔高度得出区域平均参考高度，联合气象观测节点的海拔高度，确立地形摩擦补偿系数；

6、依据所述空间欧式距离与节点风速推演背景平流时间延迟量，配合系统同化更新周期时间，提取相位错位偏移角；

7、凭借所述气象观测节点大气密度与节点风速得出局部湍动能估算值及节点参考基准动能，构建高频噪声抑制因子；

8、根据所述各向异性空间映射权重、所述地形摩擦补偿系数与所述高频噪声抑制因子，输出综合同化权重参量；

9、依据所述相位错位偏移角与所述综合同化权重参量执行旋转变换，得出更新后的仿真网格节点纬向风速及更新后的仿真网格节点经向风速；

10、根据所述更新后的仿真网格节点纬向风速、所述更新后的仿真网格节点经向风速与所述高频噪声抑制因子，生成气象演示渲染流线强度指数。

11、可选的，所述依据气象观测节点大气压强、热力学温度及干空气气体常数，确定气象观测节点大气密度，包括：

12、在演示区域布设并激活气象传感设备，所述气象传感设备包含三维超声波风速计、高精度气压计与热力学温度传感器；

13、调取系统底层的数字高程模型数据矩阵，在演示区域建立三维空间直角坐标系，以演示区域地表投影的极西南点为原点，以正东方向为横坐标正方向，以正北方向为纵坐标正方向，以垂直于水平面向上为竖向正方向；

14、获取干空气气体常数、气象观测节点大气压强及气象观测节点热力学温度；

15、将所述气象观测节点大气压强除以所述干空气气体常数与所述气象观测节点热力学温度的乘积，得到气象观测节点大气密度。

16、可选的，所述根据节点坐标提取空间欧式距离，依托节点风速、仿真网格空间分辨率及气流各向异性延展系数，输出各向异性空间映射权重，包括：

17、获取气象观测节点的横坐标、气象观测节点的纵坐标、仿真网格节点的横坐标、仿真网格节点的纵坐标、气象观测节点纬向风速及气象观测节点经向风速；

18、获取仿真网格空间分辨率，设定气流各向异性延展系数；

19、计算所述气象观测节点的横坐标与所述仿真网格节点的横坐标的差值，并计算该差值的平方；

20、计算所述气象观测节点的纵坐标与所述仿真网格节点的纵坐标的差值，并计算该差值的平方；

21、将两个横纵坐标差值的平方相加后进行开平方运算，得到空间欧式距离；

22、计算所述仿真网格节点的横坐标与所述气象观测节点的横坐标的差值，并乘以所述气象观测节点纬向风速，得到第一方向投影；

23、计算所述仿真网格节点的纵坐标与所述气象观测节点的纵坐标的差值，并乘以所述气象观测节点经向风速，得到第二方向投影；

24、将所述第一方向投影与所述第二方向投影相加，得到风速方向投影值；

25、计算所述气象观测节点纬向风速的平方与所述气象观测节点经向风速的平方之和，对该和进行开平方运算得到节点风速幅值；

26、将所述风速方向投影值除以所述节点风速幅值与所述空间欧式距离的乘积，再将得到的商乘以所述气流各向异性延展系数；

27、用数字1减去上述乘积结果，得到方向约束项；

28、计算所述空间欧式距离的平方，计算所述仿真网格空间分辨率的平方；

29、将空间欧式距离的平方除以仿真网格空间分辨率的平方，取所得商的相反数，并乘以所述方向约束项；

30、以自然常数为底，将得到的最终乘积作为指数进行幂运算，得到各向异性空间映射权重。

31、可选的，所述根据仿真网格节点的海拔高度得出区域平均参考高度，联合气象观测节点的海拔高度，确立地形摩擦补偿系数，包括：

32、获取仿真网格节点总数量，并获取气象观测节点的海拔高度及仿真网格节点的海拔高度；

33、将所有仿真网格节点的海拔高度进行累加求和，并将求和结果除以所述仿真网格节点总数量，得到区域平均参考高度；

34、计算所述仿真网格节点的海拔高度与所述气象观测节点的海拔高度的差值，将该差值除以所述区域平均参考高度，得到高度落差比例；

35、以自然常数为底，将所述高度落差比例作为指数进行幂运算，得到落差指数值；

36、将数字1除以数字1与所述落差指数值之和，得到地形摩擦补偿系数。

37、可选的，所述依据所述空间欧式距离与节点风速推演背景平流时间延迟量，配合系统同化更新周期时间，提取相位错位偏移角，包括：

38、获取仿真网格节点初始纬向风速及仿真网格节点初始经向风速；

39、设定系统同化更新周期时间；

40、计算所述气象观测节点纬向风速的平方与所述气象观测节点经向风速的平方之和，对该和进行开平方运算得到观测节点风速幅值；

41、计算所述仿真网格节点初始纬向风速的平方与所述仿真网格节点初始经向风速的平方之和，对该和进行开平方运算得到仿真网格节点风速幅值；

42、将所述空间欧式距离除以所述观测节点风速幅值与所述仿真网格节点风速幅值之和，得到背景平流时间延迟量；

43、计算所述气象观测节点纬向风速与所述仿真网格节点初始纬向风速的乘积，计算所述气象观测节点经向风速与所述仿真网格节点初始经向风速的乘积；

44、将上述两个风速乘积相加得到速度点积值；

45、将所述速度点积值除以所述观测节点风速幅值与所述仿真网格节点风速幅值的乘积，得到夹角余弦值；

46、对所述夹角余弦值进行反余弦运算，得到流向错位角；

47、将所述背景平流时间延迟量除以所述系统同化更新周期时间，得到时间延迟率；

48、将所述流向错位角乘以所述时间延迟率，得到相位错位偏移角。

49、可选的，所述凭借所述气象观测节点大气密度与节点风速得出局部湍动能估算值及节点参考基准动能，构建高频噪声抑制因子，包括：

50、计算所述气象观测节点纬向风速与所述仿真网格节点初始纬向风速的差值的平方，计算所述气象观测节点经向风速与所述仿真网格节点初始经向风速的差值的平方；

51、将上述两个速度差值的平方相加，得到速度差值平方和；

52、将所述气象观测节点大气密度乘以所述速度差值平方和，再将所得结果除以数字2，得到局部湍动能估算值；

53、将所述仿真网格空间分辨率除以所述系统同化更新周期时间，得到基准速度；

54、将所述气象观测节点大气密度乘以所述基准速度的平方，再将所得结果除以数字2，得到节点参考基准动能；

55、将所述节点参考基准动能除以所述局部湍动能估算值，得到动能比值；

56、取所述动能比值的相反数，以自然常数为底，将该相反数作为指数进行幂运算得到能量衰减值；

57、用数字1减去所述能量衰减值，得到高频噪声抑制因子。

58、可选的，所述根据所述各向异性空间映射权重、所述地形摩擦补偿系数与所述高频噪声抑制因子，输出综合同化权重参量，包括：

59、将所述各向异性空间映射权重、所述地形摩擦补偿系数与所述高频噪声抑制因子三者进行连乘运算，得到综合同化权重参量。

60、可选的，所述依据所述相位错位偏移角与所述综合同化权重参量执行旋转变换，得出更新后的仿真网格节点纬向风速及更新后的仿真网格节点经向风速，包括：

61、获取气象观测节点总数量；

62、计算所述气象观测节点纬向风速与所述仿真网格节点初始纬向风速的差值作为纬向速度差，计算所述气象观测节点经向风速与所述仿真网格节点初始经向风速的差值作为经向速度差；

63、计算所述相位错位偏移角的余弦值和正弦值；

64、将所述纬向速度差乘以所述余弦值，并减去所述经向速度差与所述正弦值的乘积，得到纬向旋转分量；

65、将所述纬向旋转分量乘以对应的所述综合同化权重参量得到纬向加权项，对所有气象观测节点的纬向加权项进行累加求和得到纬向加权总和；

66、对所有气象观测节点的综合同化权重参量进行累加求和得到权重总和；

67、将所述纬向加权总和除以所述权重总和，并将得到的商加上所述仿真网格节点初始纬向风速，得到更新后的仿真网格节点纬向风速；

68、将所述纬向速度差乘以所述正弦值，并加上所述经向速度差与所述余弦值的乘积，得到经向旋转分量；

69、将所述经向旋转分量乘以对应的所述综合同化权重参量得到经向加权项，对所有气象观测节点的经向加权项进行累加求和得到经向加权总和；

70、将所述经向加权总和除以所述权重总和，并将得到的商加上所述仿真网格节点初始经向风速，得到更新后的仿真网格节点经向风速。

71、可选的，所述根据所述更新后的仿真网格节点纬向风速、所述更新后的仿真网格节点经向风速与所述高频噪声抑制因子，生成气象演示渲染流线强度指数，包括：

72、计算所述更新后的仿真网格节点纬向风速的平方与所述更新后的仿真网格节点经向风速的平方之和，对该和进行开平方运算得到更新风速幅值；

73、用数字1减去每个气象观测节点对应的所述高频噪声抑制因子，得到单节点抑制偏差值；

74、对所有气象观测节点的单节点抑制偏差值进行累加求和，并将求和结果除以所述气象观测节点总数量，得到平均抑制偏差；

75、取所述平均抑制偏差的相反数，以自然常数为底，将该相反数作为指数进行幂运算得到阻尼映射值；

76、将所述更新风速幅值乘以所述阻尼映射值，得到气象演示渲染流线强度指数。

77、可选的，包括：

78、密度确定模块：用于依据气象观测节点大气压强、热力学温度及干空气气体常数，确定气象观测节点大气密度；

79、权重输出模块：用于根据节点坐标提取空间欧式距离，依托节点风速、仿真网格空间分辨率及气流各向异性延展系数，输出各向异性空间映射权重；

80、系数确立模块：用于根据仿真网格节点的海拔高度得出区域平均参考高度，联合气象观测节点的海拔高度，确立地形摩擦补偿系数；

81、偏角提取模块：用于依据空间欧式距离与节点风速推演背景平流时间延迟量，配合系统同化更新周期时间，提取相位错位偏移角；

82、因子构建模块：用于凭借气象观测节点大气密度与节点风速得出局部湍动能估算值及节点参考基准动能，构建高频噪声抑制因子；

83、参量输出模块：用于根据各向异性空间映射权重、地形摩擦补偿系数与高频噪声抑制因子，输出综合同化权重参量；

84、风速更新模块：用于依据相位错位偏移角与综合同化权重参量执行旋转变换，得出更新后的仿真网格节点纬向风速及更新后的仿真网格节点经向风速；

85、指数生成模块：用于根据更新后的仿真网格节点纬向风速、更新后的仿真网格节点经向风速与高频噪声抑制因子，生成气象演示渲染流线强度指数。

86、本发明具备以下有益效果：

87、1、通过获取气象观测节点的大气压强、热力学温度等物理状态数据以确定气象观测节点大气密度，本方案构建了涵盖各向异性空间映射权重、地形摩擦补偿系数、相位错位偏移角以及高频噪声抑制因子的同化架构。在将离散气象观测数据动态同化至高分辨率仿真网格背景场的特定气象演示环境下，传统的同化方法易忽略风向差异与地形阻隔，且平流推演中的时间滞后及局部阵风易引发流场发散与渲染界面抖动。针对上述问题，本方案将空间欧式距离与节点风速进行点积约束以动态延展权重的作用域，并将三维地表的高程差转化为二维流场的阻尼系数，以反映复杂地形对气流的物理约束；同时，推演背景平流时间延迟量以计算流向错位，并凭借局部湍动能估算值建立湍流判定标准以切断异常高频噪声的同化映射。将上述约束条件融合输出综合同化权重参量后，依据该参量及相位错位偏移角执行旋转变换，得出更新后的仿真网格节点纬向风速及更新后的仿真网格节点经向风速，最终生成气象演示渲染流线强度指数。该方案在存在地形高程起伏与高频动态流场交互的气象演示场景中，能够有效克服单一空间距离插值导致的流场穿模与时间相位错位缺陷，抑制微尺度湍流引发的高频震荡现象，为气象演示系统提供符合流体力学演进规律且状态平稳的流线渲染驱动数据。

88、2、通过获取干空气气体常数、气象观测节点大气压强及气象观测节点热力学温度，并将气象观测节点大气压强除以干空气气体常数与气象观测节点热力学温度的乘积，得到气象观测节点大气密度；将离散的气象传感器测量得到的热力学数据，转化为后续进行能量守恒计算所需的流体介质密度参量；建立基于理想气体状态规律的物理演算基底，将环境测量数值映射为客观的流体力学介质属性，以此作为评估局部流场动能的基础质量代理指标，为后续动能耗散的计算提供符合流体热力学演进规律的质量基础。

89、3、通过计算横纵坐标差值得到空间欧式距离，并结合观测节点纬向与经向风速计算风速方向投影值及节点风速幅值，引入仿真网格空间分辨率与气流各向异性延展系数输出各向异性空间映射权重；摒弃传统的各向同性欧氏距离圆盘平滑处理方式，改为依据节点实时风向风速矢量，动态延展权重的作用域；将空间距离与观测点风向矢量进行点积约束，呈现出椭圆偏心的空间映射分布形态，缓解观测站点稀疏而仿真网格密集带来的空间映射突变，抑制直接数值同化在站点周边引发的同化激波问题。

90、4、通过获取仿真网格节点的海拔高度计算区域平均参考高度，并结合气象观测节点的海拔高度得出高度落差比例，进而利用指数幂运算结合高度落差比例构建落差指数值，最终输出地形摩擦补偿系数；将三维地表的高程差转化为二维流场的阻尼系数，构建出对高度差敏感的地形阻尼映射机制；依据该机制削弱高海拔落差带的流场同化强度，限制气流跨越突变高程的映射幅度，从而在平面渲染中体现复杂地貌对气流的物理阻隔作用，防止气流出现违背常规物理规律的穿模现象，缓解地形流场畸变问题。

91、5、通过利用空间欧式距离与观测节点及仿真网格节点的风速幅值构建背景平流时间延迟量，并结合纬向与经向风速乘积得出速度点积值，进而提取夹角余弦值并进行反余弦运算得出流向错位角，配合系统同化更新周期时间提取相位错位偏移角；解算出观测点与背景点在平流推演过程中的相位滞后角度，补偿高频动态系统中观测数据获取时刻与背景流场传播到该点时刻之间存在的时间差；避免强制进行地形梯度对齐引发物理场发散，降低动态流场在时间演进维度上的相位错位风险，保障平流轨迹推演的连贯性。

92、6、通过提取气象观测节点与仿真网格节点初始速度的差值平方和，结合气象观测节点大气密度评估得出局部湍动能估算值，并利用仿真网格空间分辨率与系统同化周期时间计算节点参考基准动能，构建反比指数衰减函数输出高频噪声抑制因子；建立湍流能量判定标准并抑制高频震荡，提取速度矢量上的瞬时剪切残差以评估动能耗散规模；当局部湍流剪切过大时强制衰减函数输出极小值阻断同化映射，防止过度捕获并放大局部的阵风扰动，解决微尺度噪声放大问题，避免前端界面气象流线呈现高频抖动。

93、7、通过将各向异性空间映射权重、地形摩擦补偿系数与高频噪声抑制因子三者进行连乘运算，输出综合同化权重参量；将应对空间扩展分布、地形高程约束以及微尺度湍流发散等独立维度解算出的控制约束边界进行非线性乘积降维；实现空间延展、地形耦合与湍流能量衰减的多维信息融合，形成全局统一的调制参量；在保持各个独立约束条件物理属性的前提下，将分散的滤波与补偿机制整合为直接参与核心流场计算的综合标量，构建起涵盖多个层次结构特征的约束框架，保证后续风场更新的统一调用。

94、8、通过提取纬向速度差与经向速度差，并计算相位错位偏移角的余弦值和正弦值，引入二维旋转变换逻辑得出纬向旋转分量与经向旋转分量，再将其分别与综合同化权重参量相乘并累加求和，结合权重总和得出更新后的仿真网格节点纬向风速及更新后的仿真网格节点经向风速；将测站观测矢量与背景预报矢量的差值沿着解算出的相位偏移角进行反向扭转补偿；利用综合权重进行加权平均并与初始背景风速合并，实现对原始预报背景场的动态更新，输出消解激波且贴合地形阻隔特征的气象流场状态数据。

95、9、通过整合更新后的仿真网格节点纬向风速与经向风速的平方和得出更新风速幅值，并提取全局范围内的高频噪声抑制因子得出单节点抑制偏差值，求取平均抑制偏差后构建阻尼映射值，最终生成气象演示渲染流线强度指数；将底层物理更新数据转化为驱动气象软件界面的三维粒子流线引擎生成稳态演示画面的视觉特征参量；在界面演示所需的动态流线物理计算中，提取系统全局的平均抑制情况作为二次阻尼校正映射指数，使演示视觉效果在平滑局部高频杂散抖动的同时展示大尺度流场的整体演进走向。