一种基于台风路径预判和异步循环雷达资料同化的快速更新预报数据处理方法、系统、介质及程序产品与流程

本发明属于气象数据处理及实时计算任务调度，涉及数值天气预报数据处理、雷达资料同化以及异步计算任务调度，具体是一种基于台风路径预判和异步循环雷达资料同化的快速更新预报数据处理方法、系统、介质及程序产品。

背景技术：

1、随着气象业务对高影响天气过程精细化监测和快速响应需求的不断提高，针对台风等强对流天气系统的高分辨率快速更新预报技术逐渐成为数值天气预报(numericalweather prediction, nwp)领域的重要研究方向。传统nwp系统通常基于固定时间间隔获取观测资料，并利用模式初始场、边界条件以及观测资料进行数据同化处理，以获得更加准确的大气状态估计结果。其中，雷达资料由于具有较高时间分辨率和空间分辨能力，能够有效反映台风内核结构、强风区域以及降水系统演变特征，已成为短时临近预报和快速更新预报的重要数据来源。

2、现有基于雷达资料的数据同化处理流程通常包括观测资料接收、质量控制、观测数据转换、模式状态更新以及预报计算等多个阶段。数据同化(data assimilation, da)技术通过融合数值模式背景场与实时观测信息，对模式状态变量进行调整，以降低模式初始状态的不确定性。其中，集合卡尔曼滤波(ensemble kalman filter, enkf)方法能够利用集合样本描述状态变量的不确定性，在强非线性和高维度气象数据处理中得到广泛应用。然而，现有快速更新预报业务流程通常依赖实时观测资料到达后启动后续计算任务，导致前置状态准备、集合计算以及背景场生成过程受到观测时间约束。

3、对于登陆前后或近海区域活动的台风过程，台风移动路径具有一定可预测性，但雷达资料获取时间、资料传输过程以及计算任务执行时间可能存在动态变化。如果在观测资料到达后才开始执行集合状态生成、背景场积分以及相关数据处理任务，则容易造成实时观测到达后计算资源等待，增加首次分析结果生成时间。同时，在连续小时级快速更新过程中，当前时次预报计算任务与下一时次状态准备任务通常存在执行顺序依赖关系，当多个计算阶段采用串行方式运行时，容易造成计算资源利用率降低，并影响业务系统持续运行能力。

4、进一步地，现有技术中已出现利用快速循环同化、雷达资料处理实现快速预报的方法。如中国发明专利cn118191846b公开了一种基于快速循环同化数值模式与雷达耦合的临近预报方法，其通过对雷达资料进行预处理，并利用快速循环同化数值模式生成预报结果。但该方法主要关注多源气象数据融合后的降水预测精度提升。cn121351709a公开了一种基于飞艇雷达与下投式探空数据同化驱动的les超高分辨率热带气旋大气流场数值模拟方法及系统，其通过多源观测数据预处理、观测算子构建、数据同化以及大涡模拟技术生成高分辨率热带气旋流场数据，但该方法重点在于提升热带气旋内部精细结构模拟能力。

5、综上所述，现有快速更新预报数据处理过程中存在实时观测到达后计算准备时间较长、连续循环计算任务之间存在等待以及计算资源利用效率不足的问题，因此，如何设计一种能够根据台风路径提前确定触发时机、并通过合理任务调度机制持续维持循环处理效率的快速更新预报数据处理方法，实现快速更新预报过程中的低延迟、高效率数据处理，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、（一）发明目的

2、针对现有技术的上述缺陷和不足，为解决快速更新预报过程中实时观测数据到达后计算准备时间较长、连续循环计算任务存在等待以及计算资源利用效率不足等问题，本发明旨在提供一种基于台风路径预判和异步循环雷达资料同化的快速更新预报数据处理方法、系统、介质及程序产品，依据台风路径提前预判触发时机以在观测资料到达前完成背景数据准备，并在实时观测数据参与状态更新后，将当前周期预测计算任务与下一周期状态准备任务异步并行执行，实现雷达资料同化利用与循环处理效率的持续维持，降低预报结果生成过程中的时间延迟，提高实时数据处理系统的运行效率。

3、（二）技术方案

4、为实现该发明目的，解决其技术问题，本发明采用如下技术方案：

5、本发明的第1个发明目的在于提供一种基于台风路径预判和异步循环雷达资料同化的快速更新预报数据处理方法，包括如下步骤：

6、ss1. 基于路径预测的启动条件确定：获取目标台风路径预测数据及沿海雷达有效覆盖区域信息，确定目标台风首次进入雷达有效覆盖区域的预测交会时刻t0，若t0与当前时刻之差落入预设提前窗口，生成数据处理任务启动触发指令，否则继续监视；

7、ss2. 集合背景数据准备：响应于启动触发指令，获取用于nwp计算的初始场和边界场状态数据，根据预设扰动规则生成多个集合成员，对每一集合成员进行动力降尺度并时间积分至t0时刻，形成用于后续雷达资料同化的集合背景场和流依赖背景误差协方差；

8、ss3. 雷达观测数据预处理：获取当前分析时次的实时雷达观测数据，执行数据解析、质量控制及空间定位，将处理后的雷达观测数据映射至nwp计算网格，在每个网格单元内选取代表值形成待同化雷达超级观测数据；

9、ss4. 状态同化更新计算：将雷达超级观测数据输入基于集合背景场和流依赖背景误差协方差构建的数据同化计算过程，根据雷达超级观测数据与集合背景场对应模拟观测状态之间的偏差关系对集合背景场中的模式状态变量进行更新，获得雷达资料同化后的分析集合状态数据；

10、ss5. 异步任务构建及并行执行：基于分析集合状态数据构建第一计算任务和第二计算任务，两计算任务并行执行，第一计算任务以分析集合平均场为初始场执行nwp确定性预报计算，得到当前分析时次预报数据；第二计算任务将分析集合中的每一成员时间积分至下一分析时次，生成下一循环所需的集合背景状态数据，包括集合背景场和流依赖背景误差协方差；

11、ss6. 循环更新处理：以下一循环集合背景状态数据为数据同化背景，在下一分析时次接收新的实时雷达观测数据，并重复执行步骤ss3~ss5，形成连续循环数据处理流程，直至满足预设终止条件。

12、优选地，步骤ss1中，所述预设提前窗口的下边界不小于完成步骤ss2中集合背景数据准备所需的预估计算耗时，所述预设提前窗口的上边界基于目标台风路径预测数据的可信路径预报时效上限确定，使得所述启动触发指令在保证集合背景场提前完成积分的同时，避免因提前时间过长导致路径预测误差过大而引入无效计算资源消耗。

13、进一步地，步骤ss1中，根据沿海雷达的地理位置、最大有效探测距离、波束仰角、不同距离处的波束高度、地形遮挡信息以及实时资料可用状态，确定同时满足预设探测距离条件、波束高度条件、地形遮挡条件和资料可用条件的空间位置，生成各沿海雷达对应的动态有效观测覆盖区域，并将多部雷达的动态有效观测覆盖区域进行空间组合，形成综合动态有效观测覆盖区域；根据目标台风路径预测数据中不同预报时刻的台风中心位置及预设台风核心影响范围，与所述综合动态有效观测覆盖区域执行时空交会计算，确定能够满足雷达资料同化要求的候选雷达及对应首次分析时刻t0，使启动条件判定同时考虑空间几何覆盖能力和实时资料有效性。

14、进一步地，步骤ss1中，根据目标台风路径预测数据对应的路径位置误差或路径集合信息，以不同预报时刻的台风中心预测位置为基准，根据路径位置误差的空间分布或者路径集合成员的空间离散分布构建随预报时效变化的台风位置概率分布区域，并计算台风位置概率分布区域在不同预报时刻与沿海雷达有效覆盖区域发生空间交会的概率，作为空间重叠概率；当空间重叠概率达到预设启动概率阈值时，将对应时刻确定为候选预测交会时刻，并结合集合背景准备所需计算时间确定数据处理任务的提前启动时刻，从而在路径预测存在位置不确定性条件下预留集合背景准备时间。

15、优选地，步骤ss2及ss4中，根据各集合成员的积分完成状态、集合离散度、流依赖背景误差协方差的数值稳定性以及集合平均场与基础分析场之间的状态偏差，分别形成对应的背景状态评价量，并对各背景状态评价量进行归一化处理后按照预设权重进行组合，得到集合背景就绪度；当集合背景就绪度达到预设阈值时允许进入雷达资料同化过程，当集合背景就绪度低于所述预设阈值时，根据未满足预设要求的背景状态评价量对集合成员执行附加积分、扰动幅度调整、集合再中心化或协方差膨胀参数调整中的至少一种处理，以降低尚未充分发展或集合离散度异常的背景状态直接进入实时雷达同化过程的概率。

16、进一步地，步骤ss3中，根据距离下一分析时次的剩余处理时间、待处理雷达观测数据量以及目标台风中心位置确定超级观测数据的空间聚合尺度，并以目标台风中心为基准划分预设内核区域和外围区域；当剩余处理时间缩短或原始观测数据量增加时，增大外围区域对应的空间聚合尺度，提高外围区域雷达观测数据的空间压缩程度，同时使预设内核区域对应的空间聚合尺度小于外围区域对应的空间聚合尺度，对目标台风中心附近预设内核区域保持较高的超级观测空间密度，使在控制待同化数据规模和计算耗时的同时，优先保留对台风涡旋结构状态更新具有较高信息贡献的径向速度观测数据。

17、本发明的第2个发明目的在于提供一种快速更新预报数据处理系统，包括多个模块，用于执行本发明上述基于台风路径预判和异步循环雷达资料同化的快速更新预报数据处理方法的步骤。

18、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机指令，用以执行上述基于台风路径预判和异步循环雷达资料同化的快速更新预报数据处理方法。

19、本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，在执行时实现本发明的上述基于台风路径预判和异步循环雷达资料同化的快速更新预报数据处理方法。

20、（三）技术效果

21、同现有技术相比，本发明提供的基于台风路径预判和异步循环雷达资料同化的快速更新预报数据处理方法、系统、介质及程序产品，至少具有以下有益且显著的技术效果：

22、（1）本发明通过在台风路径尚未进入雷达有效覆盖区域前基于预测交会时刻t0预设提前窗口触发集合背景数据准备，使集合背景场及流依赖背景误差协方差的动力降尺度积分过程与雷达实际观测到达时刻错位前置完成，有效规避了传统雷达同化流程中背景场制备耗时与观测数据同化时效之间的资源争抢矛盾，显著压缩了数据处理任务的关键路径耗时。

23、（2）本发明将确定性预报计算任务与下一循环集合背景状态数据生成任务构建为两个相互独立的异步并行计算任务，二者共享同一分析集合状态数据但分别独立调度执行，打破了传统循环同化系统中同化-预报-再同化的串行等待处理模式，提升了连续快速更新循环的计算效率与资源利用率。

24、（3）本发明将路径预判驱动的启动机制、集合背景场制备、雷达超级观测数据预处理、状态同化更新及异步并行任务调度有机耦合为闭环连续循环处理流程，各分析时次均以上一循环生成的集合背景状态数据为基础滚动推进，使系统能够在台风移动过程中持续、稳定地输出具备流依赖误差协方差支撑的高精度分析场与预报场，为台风临近预报及防灾减灾决策提供了兼具时效性与连续性的技术支撑手段。