一种面向复杂山地的风机叶片覆冰分要素降尺度预报方法及系统与流程

本发明涉及风电场气象预报与边缘计算，更具体地说，本发明涉及一种面向复杂山地的风机叶片覆冰分要素降尺度预报方法及系统。

背景技术：

1、现有复杂山地风电场叶片覆冰预报，通常对数值天气预报中的温度、湿度、风速和降水等要素进行空间插值、地形订正或分别降尺度，并依据任务到达顺序、计算量或数据误差安排边缘节点的处理器时间和运行内存，以完成叶片高度降水相态判定、覆冰量计算及预警结果生成；

2、在山脊、峡谷出口、迎风坡和背风坡交错分布的风电场内，降水过程到来时，同一边缘节点需要在规定出数时刻前处理多台风机、多个预报时次以及多条分要素降尺度任务，而节点的处理器时间和运行内存均受装机资源限制，无法同时对全部气象要素、地形单元和叶片高度层执行细粒度运算；

3、按照数据误差或固定任务顺序安排资源时，数值变化幅度明显但不足以改变降水相态的任务会持续占用计算资源，数值变化幅度有限但足以改变液态降水与固态降水划分的任务则可能延后完成，由此出现节点资源已被充分占用而关键降尺度任务仍未在出数时刻前完成的情况，并表现为同一风机相邻预报批次的叶片高度降水相态发生反复切换，覆冰量及预警等级随之出现无对应气象过程支撑的跳变；

4、本技术要解决的技术问题是：在边缘计算资源受限的条件下，如何依据未完成的分要素降尺度运算对叶片高度降水相态、覆冰结果和预警等级的实际作用分配计算资源。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种面向复杂山地的风机叶片覆冰分要素降尺度预报方法及系统，通过对气象要素实施地形差异化订正，识别待细化订正量对降水相态、覆冰量及预警等级的结果边界影响，并依据交点任务与边缘资源状态分配细化计算任务，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种面向复杂山地的风机叶片覆冰分要素降尺度预报方法，包括：

3、s1、获取天气预报场，依据高程数据把风机位置和叶片扫掠高度映射至模式格点，按时次提取气象数据；边缘计算节点读取处理器空闲时段，再读取存储余量和链路带宽，编码得到风机输入数据和边缘资源向量；

4、s2、依据高程差修正温度并换算湿球温度，再依据坡向夹角修正风速，使降水量沿迎风坡升路径重分配后换算至叶片扫掠高度，结合湿球温度符号和零度等温面位置划分降水相态，得到分要素降尺度结果；

5、s3、对待细化订正量采用泰勒模型算法，在取值区间中点构造二阶多项式，以结果函数包络扣除多项式包络形成余项区间，求取多项式与相态分界值或预警等级覆冰量分界值的交点，将首个交点关联至细化任务，形成交点任务集；

6、s4、基于交点任务集采用零抑制决策图动态规划算法，零分支跳过当前任务，一分支扣减边缘资源向量并以细化值重算交点；合并交点任务集与边缘资源向量均相同的图节点，删除资源维为负的图分支，先按剩余交点数升序，再按资源占用量升序读取首位路径，得到任务分配结果；

7、s5、按照任务分配结果执行细化任务，以细化值更新分要素降尺度结果和边缘资源向量，并重建交点任务集；边缘资源向量无法容纳剩余任务时转入下一资源周期，直至交点任务集为空，输出风机叶片覆冰量和覆冰预警等级。

8、在一个优选的实施方式中，在s1中包括：

9、s11、在数字高程数据中定位风机位置对应的模式格点，沿叶片扫掠高度读取相邻垂直层，并按预报时次拼接同一气象要素的格点值，得到格点数据块；

10、其中数字高程数据是指在统一平面坐标系下按地形网格记录地表高程的数据，每个地形网格由行列号或平面坐标定位，并对应一个地表高程值；

11、模式格点是指天气预报场在水平方向离散形成的数据位置，每个模式格点对应固定经纬度或平面坐标，并按垂直层和预报时次存储气象要素的格点值；

12、垂直层是指天气预报场沿模式垂直坐标离散形成的数据层，针对风机位置读取与叶片扫掠高度相交的垂直层以及分别邻接叶片扫掠高度上下边界的垂直层；

13、预报时次是指由天气预报场的起报时间与预报时效共同确定的数据有效时间，同一预报时次用于归并对应模式格点和垂直层中的气象数据；

14、气象要素是指参与分要素降尺度、叶片高度降水相态订正和覆冰计算的模式变量，每个气象要素具有独立的变量编码、计量单位和缺测标记；

15、格点值是指一个气象要素在指定模式格点、垂直层和预报时次对应的数值记录，数值记录与气象要素编码、空间位置、垂直层编号及预报时次共同写入格点数据块；

16、s12、边缘计算节点以处理器空闲时段为时间轴，将格点数据块的存储驻留时段和链路传输时段投影至时间轴，截取三者共有时段，并按照共有时段内能够完成的数据量划分资源单元；

17、其中边缘计算节点从格点数据块写入存储器至格点数据块完成计算读取期间，对应存储空间保持未被其他任务占用的时间区间；链路传输时段是指通信链路的空闲带宽足以完成格点数据块传输的起始时刻至完成时刻构成的时间区间；

18、数据量是指共有时段内完成传输、存储和计算的格点数据块字节数，分别按照链路带宽与共有时段长度的乘积、存储余量以及处理器在共有时段内按当前任务计算密度处理的字节数求得三项容量，并将三项容量按升序排列后的首值作为共有时段对应的数据量；

19、s13、以格点数据块和资源单元构建分配图，在资源单元能够完成格点数据块传输、驻留及计算时连接分配边，采用增广路依次匹配格点数据块并扣减对应资源单元，得到风机输入数据和边缘资源向量；

20、其中以格点数据块和资源单元构建分配图的过程为：分别以各格点数据块建立数据节点，以各资源单元建立资源节点，读取每个格点数据块的字节数、到达时刻和计算时长，再读取每个资源单元的共有时段、存储容量、链路传输容量和处理器处理容量，当格点数据块能够在共有时段内完成传输、驻留和计算时，在对应数据节点与资源节点之间连接分配边，形成二部图；

21、分配边是指连接一个数据节点与一个资源节点的图边，分配边记录格点数据块占用资源单元的传输字节数、存储字节数、处理器运行时长以及占用起止时刻；

22、增广路是指从未匹配的数据节点出发，沿未选分配边和已选分配边交替延伸并到达具有剩余容量的资源节点的路径，通过交换路径中各分配边的选中状态，为起始数据节点建立资源匹配，并同步扣减路径终止资源节点对应的传输容量、存储容量和处理器处理容量。

23、在一个优选的实施方式中，在s2中包括：

24、s21、沿模式格点至风机位置的逆风向地形路径逐格读取高程增量，以高程增量递推修正温度，以坡面法向与来流方向的夹角递推修正风速，再按迎风坡升路径中的水汽通量收支重分配降水量，并由修正温度、水汽压和气压迭代求得湿球温度，形成按地形路径连接的订正任务图；

25、其中逆风向地形路径是指以风机位置所在的地形网格为起点，按照当前预报时次的来流反方向逐格回溯至风机所在模式格点的网格序列；每次回溯时，将相邻地形网格按照网格中心连线与来流反方向的夹角升序排列，读取首位地形网格作为下一网格，夹角相同时再按网格编号升序读取首位地形网格；

26、升路径是指将逆风向地形路径按照模式格点至风机位置的方向重新排列后，保留后一个地形网格高程高于前一个地形网格高程的相邻网格连接，并将相互衔接的网格连接组成坡升路径；

27、水汽通量是指水汽随来流穿过相邻地形网格交界面的质量流率，由当前地形网格的空气密度、比湿、风速在交界面法向上的投影值及交界面面积相乘得到；相邻两交界面水汽通量之差用于确定对应地形网格的降水量增量；

28、递推修正温度和修正风速的过程为：从模式格点对应的温度和风速开始，读取逆风向地形路径中相邻地形网格的高程增量，以当前地形网格相邻垂直层的温度差除以层间高度差得到温度垂直变化率，再将温度垂直变化率与高程增量的乘积叠加至前一地形网格的修正温度；同时把前一地形网格的修正风速向量投影至当前地形网格的坡面切平面，将投影向量的模长作为当前地形网格的修正风速，并将当前修正温度和修正风速作为下一地形网格的输入；

29、迭代求得湿球温度的过程为：先由修正温度和水汽压换算露点温度，以露点温度作为下界、修正温度作为上界，读取上下界中点作为候选湿球温度，根据候选湿球温度对应的饱和水汽压、气压及修正温度计算干湿表方程残差；残差与下界残差同号时用候选湿球温度替换下界，异号时替换上界，重复取中点和替换边界，直至上下界按气象数据存储精度取整后相同，将取整值作为湿球温度；

30、s22、边缘计算节点合并订正任务图中输入相同且地形路径重合的任务边，按任务边的数据到达顺序分配处理器时段，并在对应输出被后继任务读取前保留存储空间，任务边跨处理器执行时再分配传输带宽并传送前一任务边的末端结果，得到任务分配表和叶片扫掠高度内的订正结果；

31、其中任务边是指正任务图中连接前一订正任务与后一订正任务的有向边，任务边表示前一订正任务的输出作为后一订正任务的输入，并记录输出数据量、生成时刻、读取时刻和执行任务所在处理器编号；

32、存储空间是指边缘计算节点从存储器中划定的地址区间，自任务边输出写入时刻起保持占用，至与任务边相连的全部后继任务完成读取时释放；占用字节数按照任务边输出数据和对应索引数据的总字节数确定；

33、传输带宽是指任务边两端订正任务由不同处理器执行时，为传送任务边输出而从通信链路中划定的单位时间传输容量；划定值由任务边输出字节数除以分配的传输时段长度得到，并在传输完成后释放；

34、s23、依据任务分配表执行订正任务图，在相邻垂直层的湿球温度符号不同时插值求取零度等温面高度，再按叶片扫掠高度与零度等温面高度的交叠范围分割降水量，将湿球温度为正的交叠部分记为液态降水量，将湿球温度为负或零的交叠部分记为固态降水量，得到分要素降尺度结果；

35、其中湿球温度符号是指湿球温度与零摄氏度的数值关系，湿球温度高于零摄氏度记为正，低于零摄氏度记为负，等于零摄氏度记为零；

36、插值求取零度等温面高度的过程为：读取湿球温度符号不同的两个相邻垂直层，将下层湿球温度绝对值除以两层湿球温度绝对值之和，再将所得比值乘以两层高度差并加至下层高度，得到零度等温面高度；任一垂直层的湿球温度为零时，直接将对应垂直层高度作为零度等温面高度。

37、在一个优选的实施方式中，在s3中包括：

38、s31、对于每个待细化订正量，以取值区间中点作为展开点，采用区间自动微分沿降水相态订正、覆冰量计算和预警等级判定的运算顺序求取结果函数的一阶导数、二阶导数和三阶导数区间，以二阶项以内的导数构造泰勒多项式，并由三阶导数区间和取值区间半径生成余项区间，得到保留订正量关联关系的泰勒模型；

39、其中待细化订正量是指分要素降尺度结果中尚未按目标地形单元、叶片高度区间或预报时段完成重算的单一订正量，其取值区间由当前订正结果对应的下界和上界确定，并与来源气象要素、地形位置、叶片高度区间及预报时段关联；

40、自动微分是指在结果函数执行各项基础运算时，同步传递当前运算值及其一阶、二阶和三阶导数，不采用有限差分近似；遇到加减运算时分别合并同阶导数，遇到乘除及复合运算时按照乘积法则、商法则和链式法则更新各阶导数；

41、降水相态是指叶片扫掠高度内降水所属的液态、固态或液固并存状态，由湿球温度与零摄氏度的数值关系以及叶片扫掠高度与零度等温面高度的位置关系共同确定；

42、二阶项是指以待细化订正量与展开点之差的平方为变量项，并乘以结果函数在展开点处二阶导数二分之一所得的泰勒展开项；零阶值、一阶项和二阶项共同组成二阶泰勒多项式；

43、采用区间自动微分沿降水相态订正、覆冰量计算和预警等级判定的运算顺序求取结果函数的一阶导数、二阶导数和三阶导数区间的过程为：以待细化订正量取值区间作为输入区间，将其他已完成订正量写为定值，按照降水相态订正、覆冰量计算和预警等级判定的运算顺序逐项执行区间加减、区间乘除及复合函数运算，并在每项运算后依据链式法则同步更新一阶、二阶和三阶导数区间，直至得到结果函数及其三阶以内导数区间；

44、以二阶项以内的导数构造泰勒多项式的过程为：读取待细化订正量取值区间中点作为展开点，将结果函数在展开点处的函数值写为常数项，将一阶导数与订正量相对展开点的偏移量相乘形成一次项，将二阶导数二分之一与偏移量平方相乘形成二次项，再对三项求和得到二阶泰勒多项式；

45、s32、将相态分界值和预警等级对应的覆冰量分界值按运算顺序写入结果边界序列，把泰勒多项式与各结果边界的差值转换为伯恩斯坦基，伯恩斯坦系数同号时删除对应结果边界，伯恩斯坦系数异号时按系数变号区段分裂取值区间并执行区间牛顿映射，映射区间包含于分裂区间且导数区间不含零时记录交点区间，分裂区间上下界按订正量存储精度取整后相同时记录待辨区间，得到候选交点表；

46、其中相态分界值是指降水相态发生转换时对应的判别量数值；以湿球温度作为判别量时相态分界值为零摄氏度，以叶片高度与零度等温面高度之差作为判别量时相态分界值为零；

47、覆冰量分界值是指预警分级数据中相邻覆冰预警等级共用的覆冰量端点，每个覆冰量分界值分别对应前一预警等级的上端和后一预警等级的下端；

48、把泰勒多项式与各结果边界的差值转换为伯恩斯坦基的过程为：设待细化订正量取值区间为下界至上界，将订正量换算为从零到一的归一化变量，把二阶泰勒多项式减去当前结果边界后展开为归一化变量的常数项、一次项和二次项，再将三个幂基系数换算为二次伯恩斯坦基系数，使差值多项式表示为首端基函数、中间基函数和末端基函数的加权和；

49、伯恩斯坦系数是指差值多项式在二次伯恩斯坦基下对应的三个权值；当归一化后的差值多项式写为常数系数、一次系数和二次系数时，首个伯恩斯坦系数取常数系数，中间伯恩斯坦系数取常数系数与一次系数二分之一之和，末个伯恩斯坦系数取三个幂基系数之和；

50、伯恩斯坦系数异号时按系数变号区段分裂取值区间并执行区间牛顿映射的过程为：先在取值区间中点执行德卡斯特里奥分裂，分别得到左右子区间的伯恩斯坦系数；对三个系数同号的子区间予以删除，对存在异号系数的子区间予以保留，并以子区间中点减去差值多项式中点值除以子区间导数区间形成牛顿映射区间；牛顿映射区间与子区间无交集时删除对应子区间，存在交集时以交集替换子区间，导数区间不含零且交集位于子区间内部时记录唯一交点区间，其余子区间继续执行分裂和映射，直至子区间上下界按订正量存储精度取整后相同。

51、在一个优选的实施方式中，在s3中还包括：

52、s33、边缘计算节点把候选交点表中每次区间分裂和区间牛顿映射占用的处理器时段、存储空间及传输字节数写入资源记录，在边缘资源向量限定范围内构建分支搜索树，依次按待辨区间数量、交点区间总宽度、处理器占用时长、存储占用量和传输字节数升序排列完整路径，读取首位路径并分配对应边缘资源执行运算，再按结果边界序列读取每个待细化订正量的首个交点区间或待辨区间并关联来源细化任务，形成交点任务集。

53、在一个优选的实施方式中，在s4中包括：

54、s41、以交点任务集为输入，分别在跳过细化任务和执行细化任务后重算对应泰勒模型，将执行细化任务后与结果边界不再相交的交点关联至对应细化任务，并记录细化任务占用的处理器时段、存储空间和传输带宽，得到交点任务资源表；

55、其中细化任务是指针对一个待细化订正量，在对应气象要素、地形位置、叶片高度区间和预报时段内提高空间分辨率、时间分辨率或垂直分层后重新执行订正计算的任务；细化任务以待细化订正量的来源字段作为输入，以收缩后的取值区间或重算值作为输出，并记录执行期间占用的处理器时段、存储空间和传输带宽；

56、s42、基于交点任务资源表采用零抑制决策图动态规划算法建立图节点，使图节点记录剩余交点、剩余边缘资源向量和对应泰勒模型，其中零分支保留当前图节点，一分支在剩余边缘资源向量能够承担当前细化任务时扣除对应处理器时段、存储空间和传输带宽，再以细化结果重算泰勒模型并删除不再与结果边界相交的交点，得到候选图节点；

57、其中基于交点任务资源表采用零抑制决策图动态规划算法建立图节点的过程为：按照结果边界序列中的交点顺位排列细化任务，以全部交点、完整边缘资源向量和对应泰勒模型建立根图节点，并使每一层对应一个细化任务；从当前图节点分别生成跳过当前细化任务的零分支和执行当前细化任务的一分支，将分支处理后的剩余交点、剩余边缘资源向量、更新后的泰勒模型及已选细化任务写入下一层图节点，相同层内状态字段一致的图节点共用同一后继图节点，直至全部细化任务完成分支展开。

58、在一个优选的实施方式中，在s4中还包括：

59、s43、对候选图节点执行归并和删减，将剩余交点、剩余边缘资源向量和泰勒模型均相同的候选图节点合并，并在一个候选图节点的剩余交点包含于另一候选图节点且前者各资源维均不少于后者时删除后者，得到资源分配图；

60、s44、沿资源分配图逐层累计剩余交点数量、交点区间宽度及资源占用量，依次按剩余交点数量升序、交点区间宽度升序和资源占用量升序排列到达终端图节点的路径，读取首位路径对应的细化任务及边缘计算节点资源，得到任务分配结果。

61、在一个优选的实施方式中，在s5中包括：

62、s51、按照任务分配结果读取细化任务及对应边缘资源向量，由边缘计算节点在分配时段内执行细化任务，将细化值写入分要素降尺度结果，并按实际占用扣减边缘资源向量，得到执行记录；

63、其中细化值是指细化任务在对应气象要素、地形位置、叶片高度区间和预报时段内重新执行降尺度订正后得到的数值结果；细化任务采用细分后的地形网格、垂直层或时间片计算时，读取各细分位置的订正结果并按原任务空间范围和时间范围归并，所得归并值替换分要素降尺度结果中的原订正量；

64、s52、基于执行记录，以细化值更新对应泰勒模型并重新求取交点，删除不再与结果边界相交的任务，保留仍与结果边界相交的任务，再把更新后产生的交点关联至来源任务，得到更新交点任务集。

65、在一个优选的实施方式中，在s5中还包括：

66、s53、在更新交点任务集非空且任一剩余任务均存在资源维不足时，按边缘资源向量各资源维的释放时刻生成资源可用区间，求取每个剩余任务与资源可用区间的首个共有时段，按共有时段起点升序读取首位任务对应时刻作为下一资源周期起点，并把更新交点任务集、泰勒模型和分要素降尺度结果写入承接记录；

67、其中资源维是指边缘资源向量中分别表征处理器可执行时长、存储器可写入字节数和通信链路可传输字节数的三个数值字段；剩余任务在任一数值字段上的需求量超过对应剩余量时，记为对应资源维不足；

68、s54、在下一资源周期读取承接记录，重建边缘资源向量并重新执行任务分配，直至更新交点任务集为空，再依据分要素降尺度结果计算风机叶片覆冰量并确定覆冰预警等级；

69、其中计算风机叶片覆冰量并确定覆冰预警等级的过程为：按预报时次读取叶片扫掠高度内的液态降水量、固态降水量、修正风速和湿球温度，利用风机叶片型号对应的液态截获系数表读取液态截获系数，并利用固态粘附系数表读取固态粘附系数，将液态降水量与液态截获系数的乘积和固态降水量与固态粘附系数的乘积相加后，再乘以修正风速和当前预报时次长度，得到当前预报时次的覆冰增量；按预报时次累加覆冰增量得到风机叶片覆冰量，再在预警分级数据中查找包含风机叶片覆冰量的覆冰量区间，将对应等级作为覆冰预警等级。

70、一种面向复杂山地的风机叶片覆冰分要素降尺度预报系统所述系统包括数据映射模块、分项降尺度模块、交点识别模块、资源分配模块和迭代输出模块：

71、数据映射模块，用于获取天气预报场，依据高程数据把风机位置和叶片扫掠高度映射至模式格点，按时次提取气象数据；边缘计算节点读取处理器空闲时段，再读取存储余量和链路带宽，编码得到风机输入数据和边缘资源向量；

72、分项降尺度模块，用于依据高程差修正温度并换算湿球温度，再依据坡向夹角修正风速，使降水量沿迎风坡升路径重分配后换算至叶片扫掠高度，结合湿球温度符号和零度等温面位置划分降水相态，得到分要素降尺度结果；

73、交点识别模块，用于对待细化订正量采用泰勒模型算法，在取值区间中点构造二阶多项式，以结果函数包络扣除多项式包络形成余项区间，求取多项式与相态分界值或预警等级覆冰量分界值的交点，将首个交点关联至细化任务，形成交点任务集；

74、资源分配模块，基于交点任务集采用零抑制决策图动态规划算法，零分支跳过当前任务，一分支扣减边缘资源向量并以细化值重算交点；合并交点任务集与边缘资源向量均相同的图节点，删除资源维为负的图分支，先按剩余交点数升序，再按资源占用量升序读取首位路径，得到任务分配结果；

75、迭代输出模块，用于按照任务分配结果执行细化任务，以细化值更新分要素降尺度结果和边缘资源向量，并重建交点任务集；边缘资源向量无法容纳剩余任务时转入下一资源周期，直至交点任务集为空，输出风机叶片覆冰量和覆冰预警等级。

76、本发明的技术效果和优点：

77、本方案通过识别未完成降尺度任务对降水相态、覆冰量及预警等级的实际影响，再据此分配边缘资源，使关键任务优先完成，相对降低无效占用造成的出数延迟；

78、将温度、风速和降水沿复杂山地来流路径分别订正，并结合湿球温度和零度等温面划分降水相态，相对改善叶片扫掠高度内液态降水与固态降水判定的稳定性；

79、对待细化订正量构建泰勒模型，并借助伯恩斯坦基和区间牛顿映射定位结果边界交点，从而区分会改变相态或预警等级的任务，相对减少无实质影响的重复计算；

80、在处理器、存储器和通信链路资源受限时，利用零抑制决策图联合比较剩余交点、交点区间宽度和资源占用量，使任务分配结果更符合各细化任务的实际作用；

81、以跨资源周期承接机制持续更新泰勒模型、分要素降尺度结果和交点任务集，使未完成任务逐轮收敛，相对抑制相邻预报批次覆冰量及预警等级的无依据跳变。