一种订正一类错误西风带槽线的方法

1.本发明属于气象技术领域，尤其涉及一种订正一类错误西风带槽线的方法。


背景技术：

2.大气与水均为流体，其运动十分相似，具有波动性。在高空天气图中，大气运动的波峰称为脊，波谷称为槽。如图1所示，因大气西风带中的波动近于一系列正弦波，且相邻多个波动的槽、脊连接起来常表现为线状，所以槽又称作槽线。图1中波动线是位势高度场的等值线，也是风矢量的迹线，图1中，实心黑线为位势高度场等值线，虚线为脊线，黑线为槽线，箭头为高空气流方向，如图2所示，北半球大气呈反时针方向的旋转运动称为气旋，其曲率为正值；反之，顺时针方向旋转时的曲率为负，称为反气旋。
3.由天气学原理可知，槽线处位势高度场等值线气旋性曲率最大，且是邻域中最低位势高度点的连线，槽线处于一团高空冷空气的运动前缘，并反映该冷空气强度等多种天气学特征。在槽线附近通常天气变化明显，如我国大部地区所处的北半球西风带中，槽线前方为暖湿的偏南气流，有上升运动，水汽丰沛往往形成云系并造成显著降水，槽线后方为干冷的偏北风，有下沉运动，天气常常晴朗少云。西风带中槽线过境时，天气由阴雨转为晴朗，所以槽线具有非常重要的天气指示意义，对预报至关重要。
4.槽线的形式复杂，形态多变。它不仅与位势高度场、风场紧密相关，而且在不同的大气环流形势下，与其他各类天气系统存在复杂的对立统一辩证关系，所以在高空天气业务分析工作中，槽线分析最为困难，体现了预报人员的理论素养、预报经验和对环流形势的认识理解。槽线分析是每次预报过程中最为关键的高空业务分析项目，直接关系预报的成败。槽线基本特性：
5.1)在位势高度场上，槽线是从低值中心向西、向南方向延伸出来的狭长区域，槽线点是等值线上的相对最南端。
6.2)槽线处气流与位势高度场等值线一致均具有正曲率，为气旋性流场。
7.3)槽线附近的天气变化明显。
8.4)与其他各类天气系统存在复杂的对立统一辩证关系。
9.5)一条槽线对应一团冷空气。
10.在西风带中由低值中心向南延伸的是西风槽，表示冷空气由西向东运行(如图3所示，图3中d为低压中心，阴影区a为冷空气团)。作为冷空气活动的前缘，槽线均向其运行的前方凸起，表现为正曲率。
11.由于槽线分析的高度复杂性，使用计算机进行自动业务分析仍存在较大困难，所以当前各国气象业务预报中依然使用人工操作。近年来槽线自动分析工作取得了重大进展，有力地促进了天气分析预报的自动化进程，有望在不远的将来解除预报员手工劳动的负担，但因该项工作的历史很短，成果有限，依然存在诸多不足。其中对槽线形态的表述在一定情况下仍存在错误，未能正确体现槽线的物理本质，因此影响预报效果。所以需要研究开发自动化的订正方法，从而进一步完善天气系统自动分析技术，推进天气预报业务逐步
实现全自动化，彻底将预报人员从常规事务性的手工劳动中解放出来。


技术实现要素：

12.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种订正一类错误西风带槽线的方法，解决了在高空天气图中处理不合理的槽线形态，正确表述槽前槽后不同类别的天气情况的问题，为实现精细准确的自动化分析预报、为解放预报员打下坚实基础。
13.为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
14.本方案提供了一种订正一类错误西风带槽线的方法，包括以下步骤：
15.s1、分别获取风场格点数据、位势高度场格点数据以及槽线数据，遍历各槽线数据，计算得到槽线上各点曲率，并利用所述各点曲率确定问题槽线；
16.s2、查找问题槽线曲率极小点c，设问题槽线中曲率极小点c的数据点为截断点，并利用截断点将问题槽线分为南北两段；
17.s3、遍历问题槽线所在区域位势高度场等值线，查找并分析闭合位势高度等值线，并读取问题槽线起点st所在的闭合位势高度等值线上的最南端点s；
18.s4、根据风矢量数据，选定最南端点s紧邻的格点，利用选定的格点对自定义函数进行最南端点同纬度空间插值，并根据自定义函数的插值分布找到自定义函数趋于δ1的位置，将最南端点s西移至该位置，得到北段订正后槽线的起点s1，其中，δ1表示自定义函数r的取值，且δ1＝-0.8；
19.s5、利用选定的格点对自定义函数进行截断点c同纬度空间插值，并根据自定义函数的插值分布找到自定义函数趋于δ1的位置，将截断点c向西移动至该位置得到北段订正后槽线的终止点cn；
20.s6、确定北段订正后槽线的起点s1和北段订正后槽线的终止点cn的连线中点mn0，将该连线中心点mn0向东移动得到北段槽线前凸的顶点mn，并查找北段槽线前凸顶点mn同纬度与问题槽线的交点p，将该交点p与北段槽线前凸的顶点mn进行对比，若交点p在北段槽线前凸的顶点mn东侧，则将交点p 取代北段槽线前凸的顶点mn，否则，保持北段槽线前凸的顶点mn不变；
21.s7、将北段订正后槽线的起点s1、北段订正后槽线的终止点cn以及北段槽线前凸的顶点mn作为插值控制点，进行插值处理形成曲线，得到北段正确槽线；
22.s8、将北段订正后槽线的终止点cn向下移δ2纬度得到南段订正后槽线的起点cs，将南段订正后槽线的起点cs与问题槽线末尾点e的连线中点ms0向东移动，得到南段订正后槽线前凸的顶点ms，并查找南段订正后槽线前凸的顶点ms与问题槽线的交点p，将该交点p与南段槽线前凸的顶点ms进行对比，若该交点p在南段槽线前凸的顶点ms东侧，则将该交点p取代南段槽线前凸的顶点ms，否则，保持南段槽线前凸的顶点ms不变，其中，δ2表示纬度的位移度数，且δ2＝0.7；
23.s9、利用选定的格点对自定义函数进行问题槽线末尾点e同纬度空间插值，根据自定义函数的插值分布找到自定义函数趋于δ3的位置，将问题槽线末尾点e西移至该位置，得到南段订正后槽线终止点es，其中，δ3表示自定义函数r 的取值，且δ3＝-0.1；
24.s10、将南段订正后槽线终止点e、南段槽线前凸的顶点ms和南段订正后槽线的起点cs作为插值控制点，进行插值处理形成曲线，得到南段正确槽线。
25.进一步地，所述步骤s1包括以下步骤：
26.s101、分别获取风场格点数据、位势高度场格点数据以及槽线数据；
27.s102、遍历各槽线数据，计算槽线上各点曲率k：
28.s103、判断槽线上各点曲率k是否全部为正，若是，则槽线正常，检查下一条槽线，并返回步骤s102，否则，槽线上某点曲率k为负，将该槽线定义为问题槽线，并进入步骤s2。
29.再进一步地，所述步骤s3包括以下步骤：
30.s301、遍历问题槽线所在区域位势高度场等值线，得到全部位势高度场闭合等值线；
31.s302、判断问题槽线起点st是否在位势高度场闭合等值线区域内，若是，则取闭合位势高度等值线上的最南端点作为s，并进入步骤s4，否则，位势高度场闭合等值线不闭合，并将问题槽线起点st作为最南端点s，并进入步骤s4。
32.再进一步地，所述步骤s4包括以下步骤：
33.s401、根据风矢量数据，对每一个格点自定义函数r；
34.s402、判断所述最南端点s是否在格点上，若是，则取最南端点s的紧邻的西北、西南、东北和东南四个格点，并进入步骤s403，否则，取所述最南端点s 紧邻的东、南、西和北四个格点，并进入步骤s403；
35.s403、根据紧邻的四个格点，对自定义函数r进行最南端点s同纬度上的空间插值，并根据自定义函数r的插值分布找到自定义函数r趋于δ1的位置，并将所述最南端点s西移至该位置，得到北段订正后槽线的起点，并进入步骤s5。
36.再进一步地，所述步骤s401中自定义函数的表达式如下：
[0037][0038]
其中，r表示自定义函数，u和v分别为每个格点x方向和y方向上的风速值。
[0039]
本发明的有益效果是：
[0040]
(1)槽线计算机自动分析工作虽取得了重大进展，但其中对槽线形态的表述在一定情况下仍存在错误，未能正确体现槽线的物理本质，因此影响预报效果，需要研究开发自动化的订正方法，从而进一步完善天气系统自动分析技术。本发明通过确定问题槽线以及截断点，利用截断点断成南北段槽线，分别对南北段槽线进行订正，得到光滑的曲线。本发明解决了在高空天气图中处理不合理的槽线形态，正确表述槽前槽后不同类别的天气情况的问题，为实现精细准确的自动化分析预报、为解放预报员打下坚实基础。
[0041]
(2)本发明将原本问题槽线分为南北两段，符合了事实的两团冷空气的物理现象，在曲率极小点断开是符合物理原理效果要求的，为下面修改南北槽线做出准备。
附图说明
[0042]
图1为背景技术中高空西风带波动与槽脊线示意图。
[0043]
图2为背景技术中气旋性、反气旋性曲率示意图。
[0044]
图3为本实例中槽线正确表述形状示意图。
[0045]
图4为本实施例中槽线错误表述形状示意图。
[0046]
图5为本实施例中订正后正确槽线示意图。
[0047]
图6为本实施例中问题槽线北段订正要点示意图。
[0048]
图7为本实施例中问题槽线南段订正示意图。
[0049]
图8为本发明的方法流程图。
[0050]
图9为本实施例中uv为在xy方向上的分量示意图。
[0051]
图10为本实施例中计算曲率示意图。
[0052]
图11为本实施例中截断点c的示意图。
[0053]
图12为本实施例中非闭合等值线l1和闭合等值线l0示意图。
[0054]
图13为本实施例中问题槽线起点在嵌套闭合等值线内示意图。
[0055]
图14为本实施例中问题槽线起点在非闭合等值线示意图。
[0056]
图15为本实施例中v分量在西风带取值示意图。
[0057]
图16为本实施例中反距离权重法示意图。
[0058]
图17为本实施例中紧邻格点与s位置示意图。
[0059]
图18为本实施例中紧邻格点b与s位置重合示意图。
[0060]
图19为本实施例中s点位于线段bd上示意图。
[0061]
图20为本实施例中截断点c订正示意图。
[0062]
图21为本实施例中中点的修订示意图。
[0063]
图22为本实施例中mn与原问题槽线同纬度交点p比较示意图。
[0064]
图23为本实施例中问题槽线末尾点e修订示意图。
[0065]
图24为本实施例中2020年9月9日上午8时500hpa订正前的槽线示意图（图中地图为我国局部区域地图）。
[0066]
图25为本实施例中2020年9月9日上午8时500hpa订正后的槽线示意图（图中地图为我国局部区域地图）。
具体实施方式
[0067]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0068]
实施例1
[0069]
在本发明进行说明前，需说明数据格式的问题：micaps(meteorologicalinformation comprehensive analysis and process system)是我国气象信息综合分析处理系统，与卫星通讯、气象数据库相配套，是全国多行业通用的天气预报人机交互工作平台。micaps支持多种数据格式，其中第14类数据为经过人工修改后最终的业务产品的数据，本发明利用该类数据作为订正后的资料格式；第4类数据为格点数据，用于各种格点资料；第11类数据为格点风矢量数据，本发明所需的风矢量资料以该类数据格式存贮。
[0070]
槽线作为高空冷空气的重要表征，不难理解：冷空气作为密度较高的密实物质，在自然状态下会从其中心向密度较低的暖空气扩散，且边缘区域与周围相对较暖空气接触而有所变性，势力减弱；因此中心区冷空气更强，而冷空气的前缘，即槽线，会向密度低的暖空气方向突起，同水滴、胶在平面上向外扩散的边缘形态一致。所以在中高纬度西风带的广大
区域内，槽线表现为向运行前方，即东侧突出，具有前凸形态即正曲率的弧形，如图3所示。每条槽线均应向运行方向突起，表现为前凸曲线。然而经验不足者有时会将槽线表述为一种错误的向后突起形状如图4所示，图4中，方框内槽线并未前凸为错误区域， d为低压中心，阴影区为冷空气团，以下各图同理。这种情况在计算机自动分析过程中同样存在。显然这违背了上述特性和基本原理，会对某地究竟处于槽前的恶劣天气区域，还是槽后的晴好天气范围产生误判，从而造成预报失误。所以为了保证预报准确，须对该类错误槽线进行订正。如图5所示，图5为订正后正确槽线，图5中，d为低压中心，阴影区l为冷空气团。
[0071]
针对上述情况，可通过以下原理对此错误进行分析。
[0072]
已知槽线运行速度c由rossby槽线方程确定：
[0073][0074]
其中：为基本气流的速度，即槽线所在位置的西风风速，其越大则槽线运动速度越快。β＝2ωcosψ/r，是地转偏向力(科氏力)随纬度的变化项，式中ω为地球自转角速度，ψ为纬度，rr为地球半径。纬度ψ越高则槽线的移动速度越快，l为槽线所在波动的波长，波长越长则槽线的运行速度越慢。所以可知，槽线的形状不仅与前述的理论分析有关，还与其运行速度，即方程(1)的3项影响因子有关。槽线所在纬度不同、其波动的波长和风速不同，在特定的参数配置情况下，会出现图2这种情况。
[0075]
对该种情况进行分析即可发现，其原因在于：受上述3个因子的共同影响，有些冷空气在某一纬度因西风较弱而运行较慢，该冷空气在其他纬度处于急流之中运动较快，即同一团冷空气的南北两段移动速度不同，最终分离为两团冷空气，导致了部分区域槽线反向弯曲。所以关键在于：这并非是一团而是两团冷空气，所以不能表述为一条槽线。既然每一团冷空气均向其运行前方突起，所以向后方凹入的区域不是显著的冷空气区域，而是两团冷空气的中间区域。从北向南输入数据的顺序来看，向前方突起区域的对应槽线曲率为正值，则两团冷空气分离点的问题槽线的曲率应为负值。这种错误槽线形状的表述与理论冲突，违反天气分析业务规范，会造成对涉及区域的天气系统分析造成较大误差，从而影响预报结果。为了遵守业务规范，正确体现天气学原理，保证预报质量，须进行槽线订正。
[0076]
如果从其物理本质出发区分出不同的冷空气，即可分析出符合科学原理、符合业务规范各自分离的2条槽线，从而解决这一问题。
[0077]
如图6所示，图6中，黑线为原问题槽线，灰线为订正后的槽线，总体上将槽线两端向西后移，中间向东前移，形成前凸，图中，s1为西移订正后的点，为修订槽线起点，c为截断点，cn为c西移订正后的点，mn0为s1和cn的中点，mn同纬度与问题槽线的交点pn，mn为mn0东移订正后的位置，北段槽线修改效果如图6所示，图6中，cs为cn南移订正后的南段槽线的起点，ms0 为cs和es的中点，ms为ms0东移订正后的点，ms同纬度与问题槽线的交点 ps，e为问题槽线末尾点，es为e西移订正后的南段槽线终点。南段槽线修改同理，如图7所示，图7为问题槽线南段订正示意图，图7中cs为cn南移后的点，ms0为cs和es的中点，ms为东移后的ms0，ms同纬度与问题槽线的交点p， e为问题槽线末尾点，es为e西移后的点。
[0078]
本发明的总体思路如下：
[0079]
1、寻找问题槽线中曲率极小值点c，即为两团冷空气分界点。由此处将原表述错误的问题槽线分为南北两段。
[0080]
2、由问题槽线的起始点st的坐标位置、读取对应区域等值线数据，找到st 所在闭合等值线上的最南端点s。若无闭合等值线，则直接将st定为北段槽线的起始点s。取c为北段槽线的终止点。将北段槽线起始点s和终止点c分别向西移动一段距离到新的位置，得到s1与cn，并将该段槽线中点mn0东移至mn，并将mn同纬度与问题槽线的交点p相比较，若p点在mn东侧则取代mn点，否则不变。形成两端向后、中间向前的形状使本段槽线形成前凸形态。
[0081]
3、将北段槽线的起始点s1向南向移至cs，将其定为南段槽线起点。将南段槽线中点mn0东移至ms，并将ms同纬度与问题槽线的交点p相比较，若p点在 ms东侧则取代ms点，否则不变，将问题槽线终点e点向西移动一段距离到es，使本段槽线形成前凸形态。
[0082]
4、分别将s1，mn，cn和cs，ms，es作为插值控制点，利用三阶贝塞尔函数进行插值得到光滑连续的曲线，形成两段槽线，完成对槽线的订正。
[0083]
具体地，如图8所示，本发明提供了一种订正一类错误西风带槽线的方法，其实现方法如下：
[0084]
s1、分别获取风场格点数据、位势高度场格点数据以及槽线数据，遍历各槽线数据，计算得到槽线上各点曲率，并利用所述各点曲率确定问题槽线，其实现方法如下：
[0085]
s101、分别获取风场格点数据、位势高度场格点数据以及槽线数据；
[0086]
s102、遍历各槽线数据，计算槽线上各点曲率k：
[0087]
s103、判断槽线上各点曲率k是否全部为正，若是，则槽线正常，检查下一条槽线，并返回步骤s102，否则，槽线上某点曲率k为负，将该槽线定义为问题槽线，并进入步骤s2；
[0088]
s2、查找问题槽线曲率极小点c，设问题槽线中曲率极小点c的数据点为截断点，并利用截断点将问题槽线分为南北两段；
[0089]
s3、遍历问题槽线所在区域位势高度场等值线，查找并分析闭合位势高度等值线，并读取问题槽线起点st所在的闭合位势高度等值线上的最南端点s，其实现方法如下：
[0090]
s301、遍历问题槽线所在区域位势高度场等值线，得到全部位势高度场闭合等值线；
[0091]
s302、判断问题槽线起点st是否在位势高度场闭合等值线区域内，若是，则取闭合位势高度等值线上的最南端点作为s，并进入步骤s4，否则，位势高度场闭合等值线不闭合，并将问题槽线起点st作为最南端点s，并进入步骤s4；
[0092]
s4、根据风矢量数据，选定最南端点s紧邻的格点，利用选定的格点对自定义函数进行最南端点同纬度空间插值，并根据自定义函数的插值分布找到自定义函数趋于δ1的位置，将最南端点s西移至该位置，得到北段订正后槽线的起点s1，其中，δ1表示自定义函数r的取值，且δ1＝-0.8，其实现方法如下：
[0093]
s401、根据风矢量数据，对每一个格点自定义函数r；
[0094][0095]
其中，r表示自定义函数，u和v分别为每个格点x方向和y方向上的风速值；
[0096]
s402、判断所述最南端点s是否在格点上，若是，则取最南端点s的紧邻的西北、西南、东北和东南四个格点，并进入步骤s403，否则，取所述最南端点s 紧邻的东、南、西和北四个格点，并进入步骤s403；
[0097]
s403、根据紧邻的四个格点，对自定义函数r进行最南端点s同纬度上的空间插值，并根据自定义函数r的插值分布找到自定义函数r趋于δ1的位置，并将所述最南端点s西移至该位置，得到北段订正后槽线的起点，并进入步骤s5；
[0098]
s5、利用选定的格点对自定义函数进行截断点c同纬度空间插值，并根据自定义函数的插值分布找到自定义函数趋于δ1的位置，将截断点c向西移动至该位置得到北段订正后槽线的终止点cn；
[0099]
s6、确定北段订正后槽线的起点s1和北段订正后槽线的终止点cn的连线中点mn0，将该连线中心点mn0向东移动得到北段槽线前凸的顶点mn，并查找北段槽线前凸顶点mn同纬度与问题槽线的交点p，将该交点p与北段槽线前凸的顶点mn进行对比，若交点p在北段槽线前凸的顶点mn东侧，则将交点p 取代北段槽线前凸的顶点mn，否则，保持北段槽线前凸的顶点mn不变；
[0100]
s7、将北段订正后槽线的起点s1、北段订正后槽线的终止点cn以及北段槽线前凸的顶点mn作为插值控制点，进行插值处理形成曲线，得到北段正确槽线；
[0101]
s8、将北段订正后槽线的终止点cn向下移δ2纬度得到南段订正后槽线的起点cs，将南段订正后槽线的起点cs与问题槽线末尾点e的连线中点ms0向东移动，得到南段订正后槽线前凸的顶点ms，并查找南段订正后槽线前凸的顶点ms与问题槽线的交点p，将该交点p与南段槽线前凸的顶点ms进行对比，若该交点p在南段槽线前凸的顶点ms东侧，则将该交点p取代南段槽线前凸的顶点ms，否则，保持南段槽线前凸的顶点ms不变，其中，δ2表示纬度的位移度数，且δ2＝0.7；
[0102]
s9、利用选定的格点对自定义函数进行问题槽线末尾点e同纬度空间插值，根据自定义函数的插值分布找到自定义函数趋于δ3的位置，将问题槽线末尾点 e西移至该位置，得到南段订正后槽线终止点es，其中，δ3表示自定义函数r 的取值，且δ3＝-0.1；
[0103]
s10、将南段订正后槽线终止点e、南段槽线前凸的顶点ms和南段订正后槽线的起点cs作为插值控制点，进行插值处理形成曲线，得到南段正确槽线。
[0104]
本实施例中，读取格点数据，为了找到不合理槽线，即确定问题槽线，需要读取位势高度格点数据、风场格点数据和槽线数据。如图9所示，等压面上的风为二维矢量，存放的格点数据在x和y方向上表现为东西方向的u风和南北方向的v风(标量)，由位势高度场数据生成位势高度等值线。
[0105]
本实施例中，遍历槽线上的点，确定截断点c。遍历槽线上各点数据，计算槽线的曲率值，若某点曲率为负，说明槽线表述有误，为问题槽线须订正。因为问题槽线为凹曲线，由上述特性分析可知，违背物理学中的扩散效应。槽线是冷空气运行前方的边缘，同理也应该向前突出。而截断点就是槽线中曲率极小值点。利用二次曲线上p0,p1,p2，共3个点确定p1点处曲线的曲率，如图10 所示。每3个点计算一次曲率，除了槽线起点和终点，其余点均可得到曲率值，在其中找到最大值。先表示成参数方程组(2)。
[0106][0107]
6个未知数，三个点里有6个已知分量，列6个方程，解出a1,a2,a3,b1,b2,b3。
[0108]
按照上述方式计算问题槽线上每个点的曲率，找到曲率极小值点，取为问题槽线
截断点c，如图11所示，图11中各点右侧数据为曲率值，c点为负曲率极值。
[0109]
本实施例中，区分闭合与非闭合等值线，等值线分为两类：闭合等值线与非闭合等值线。因此定位问题槽线区域首先要确定是否有闭合等值线，而闭合等值线的特征是：首尾可相连。遍历全部等值线，获得全部闭合等值线，并根据填色算法判断问题槽线起点是否在闭合等值线区域内，进而确定所需的问题槽线闭合等值线。
[0110]
本实施例中，如图12所示，图12中st为问题槽线起点，等值线l0若闭合，则其上的任意一点p(x,y)既是起点，也是终点。随机选取等值线中的一个点，则它和此条等值线中顺序排列的最后一个点重合，若取p1(x1,y1)为等值线l0第一点，该等值线的点数为n，则最后一点为pn(xn,yn)。在此闭合等值线上必然满足以下关系：(x1,y1)＝(xn,yn)，由此可确定等值线是否闭合。若不满足上述条件，则为非闭合等值线如图12中的l1。遍历全部等值线，区分闭合与非闭合等值线。
[0111]
本实施例中，确定问题槽线起点是否在闭合等值线内。若问题槽线起点在某闭合等值线l0的区域范围内，且是唯一闭合等值线，则l0是问题槽线起点所在的闭合等值线。用填色算法来判断问题槽线起点是否在l0闭合等值线内。填色算法是计算机图形图像学中非常基础、十分成熟的算法，不再说明。
[0112]
本实施例中，问题槽线多重13所示，这种情况下，l0，l1，l2，l34条均满足问题槽线起点是否在闭合等值线内的条件，由于问题槽线的起点处在低压中心，则只需要读取最低位势高度的闭合等值线l0，为对应的低涡中心区域，即槽线的起点区域。再选择问题槽线闭合等值线中算法上最南端点s，订正s点得到插值控制点s1作为订正槽线的起点。如图14所示，若问题槽线起点不在闭合等值线内，st为问题槽线起点，则取问题槽线起点为作为s进行修订。
[0113]
本实施例中，根据风矢量数据利用反距离权重法插值西移得到插值控制点。当问题槽线起点在闭合等值线内时，由槽线特性，其起点应位于所在区域位势高度场最小等值线最南端位置附近。槽线也是风场上气旋性切变最大点的连线，其两侧风向和风速均有较明显变化，二维风矢量由东西风u和南北风v两个分量决定，因此在槽线附近，单纯使用u或v均难以完整表述风矢量的变化。所以定义r：
[0114][0115]
即为v分量除以u分量，是一个标量。在西风带中u》0，r既能简单表示uv的数值比值大小，又能够通过v的符号反映南北方向的运动。由于在修订点同纬度上进行西移，由自定义物理量r来控制西移范围(如图15所示)。在西风带，u 恒大于0，若使修订点西移，则需在西风带区域内r为负值处，当v为负值时，处于槽线西侧；当v为正值时，处于东侧。思路如下：
[0116]
1、需要修订点西移，得到订正后槽线的起点。
[0117]
2、将槽线起始和终止点在西移过程中，移动到何位置合适，需由格点r的空间插值确定。
[0118]
3、通过对比实验，找到合适的r值，对应向西移动位置。
[0119]
利用反距离权重法，对修订点同纬度(即东西)方向上进行空间插值，得到修订点同纬度方向上各处相应的r值。
[0120]
针对相邻4个格点内任一点p(x,y)，反距离权重插值法公式如下：
[0121][0122]
其中，λi为预测过程中使用的各格点的权重，n为格点个数4，p
t
为距离衰减参数，经过对比实验，在p
t
＝4时，效果最好，di为每个格点到插值点的距离：
[0123][0124]
(x,y)为插值点坐标，(xi,yi)为格点坐标。为保证处理后总体数学稳定，λi须满足公式以下条件：
[0125][0126]
根据修订点紧邻的4个格点数据来确定修订点同纬度方向上的空间插值。
[0127]
(1)确定修订点p所对应数据所在的行、列。
[0128]
对某修订点p(x，y)，根据micaps第11类数据格点数据存放规则，可计算得到其周围的4个格点位置，读出数据文件中存放的经纬度格距，起始终止经纬度等参数。从第11类数据中读出经距为lond(lon-distance)，纬距为 latd(lat-distance)，起始经度为lons，起始纬度为lats，将读取的数据按从小到大的顺序进行处理。对点p(x，y)所在的行和列分别为row和col，将上述读取的数据代入公式(8)(9)计算p点所在的行、列，并取整数略去小数：
[0129][0130][0131]
在大多数情况下，计算出的行、列均为非整数，则说明该点并非正好位于某行或某列之上，而是处于4个数据点构成的网格之内，于是取上述(8)(9) 中值的整数部分，去除小数部分。修订点p点可能与格点重合，稍后对情况进行讨论。
[0132]
(2)由确定的初始行列，确定p点所处网格，即相邻里个格点的经纬度。
[0133]
由上述分析可知，p点在col、col 1，row、row 1之间，由此确定该点周围的4个格点位置。
[0134]
已知修订点p(x，y)，需找到p点处在二维经纬网格何处，以p点的西南方向紧邻格点c为标准点，代入p点经纬度计算col，row。并取整数略去小数，则得到所对应起始行列，得到c格点的经纬度，进而确定a,b,d的格点经纬度。
[0135]
得到row和col的值后，用于计算紧邻p点的四个格点的经纬度。可以得到：
[0136]
a点位置的计算公式为：
[0137]
lon1＝lons lond
×
col
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0138]
lat1＝lats latd
×
(row-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0139]
b点位置的计算公式为：
[0140]
lon2＝lons lond
×
(col 1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0141]
lat1＝lats latd
×
(row 1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0142]
c点位置的计算公式为：
[0143]
lon1＝lons lond
×
col
ꢀꢀ
(14)
[0144]
lat2＝lats latd
×
row
ꢀꢀ
(15)
[0145]
d点位置的计算公式为：
[0146]
lon1＝lons lond
×
(col 1)
ꢀꢀ
(16)
[0147]
lat2＝lats latd
×
row
ꢀꢀ
(17)
[0148]
从上述公式中，得到4个格点的经纬度。如图16所示，如图16得到4个格点的位置a(lon1,lat1),b(lon2,lat1),c(lon1,lat2),d(lon2,lat2)。
[0149]
相关参数代入公式(7)得到：
[0150][0151][0152]
在公式(19)中，为在(xi，yi)处的预测r值。根据紧邻修订点的4 个格点数据的物理量r，经过对比试验，s1的西移位置δ1需满足r尽量贴近于＝-0.8来确定西移的位置和距离，既可以使修订后的点尽可能垂直于西风带，又可以使修订后的点西移距离较为合适，美观的同时兼顾合理。
[0153]
本实施例中，讨论修订点s与紧邻格点重合的情况，如图17所示，s为需要修订的点，a，b，c，d为s的紧邻格点。若s与a，b，c，d任意一点重合，则某一格点与s的距离为0，因其不能作分母而无法应用反距离权重法的运算规则；或者处于直线bd,ac上，位于插值区域边缘，插值效果差。当s与bd重合时：为了解决这种情况，如图18所示。以s重合b为例，取s紧邻西北、西南、东北、东南的4个格点a’、b’、c’、d’，进行根据风矢量数据利用反距离权重法插值西移得到插值控制点的相同原理的计算，得到s1。若s重合于d，与此同理。
[0154]
本实施例中，如图19所示，图19中s点与bd中点重合，当s处在bd上时，可通过bd的中点来判断归属于重合b或者是重合d的情况进行处理，若s位于中点及中点至b处，则采取s重合b的规则来处理，反之，则采取s重合d的规则来处理。
[0155]
当s与ac重合或s在ac经度线上时，此情况不会发生，因为已经从获得格点数据的算法中避免。
[0156]
本实施例中，订正截断点c即北段槽线终止点。在截断点c所处的西风带上，由c点向西则r值为负，向东为正值。为了使截断点西移，与得到s1同理，得到 cn，如图20所示，图中，将问题槽线的中断点c西移到cn后完成北段槽线订正，再将cn南移一定距离到cs后确定为南段槽线的起点。cn向南移δ2＝0.7个纬度得到cs较为合理。不仅将两条槽线和冷空气区分的同时，对于几千公里的大尺度槽线天气系统而言，几十公里的修正也确保了误差完全可控。
[0157]
本实施例中，南北槽线中点的修订，南北槽线中点的修订由于订正槽线的两端已经西移，将中点东移可实现槽线的前凸。如图21所示，图中，中点东移。以北段槽线举例，l为s1,cn插值控制点之间的距离，d为mn0到mn的距离。l/d 反映了槽线曲率的变化，经过实际效果对比，决定取l/d＝6时最为合理。使得mn 明显东移，得到北段槽线前凸的顶点mn，保持美观的同时使得槽线向前行进方向的凸起程度较为合理。所以将上述的mn点与原问题槽线
的同纬度交点作比较。如图22所示，与mn点同纬度的原问题槽线的交点为p，相邻的两点为p1,p2。我们的目的是要计算p点的坐标，y坐标已知是mn点的y(同纬度)，关键在于如何求得交点坐标x。
[0158]
本实施例中，利用相似三角形法则可知，相似三角形任意对应线段的比等于相似比。
[0159][0160]
在式(20)中均是可求的变量，再利用比例运算即可求出x，得到p点坐标。将p点坐标与mn坐标对比，若p点x值更大，则取p代替成为mn，反之不变。由此保证订正后槽线的前凸性。后面的ms点也是采取同样的检测手段。
[0161]
本实施例中，对于南段槽线的中间点ms，移动方法与上述一致。
[0162]
本实施例目的是使得尽可能向东凸起，若得到的mn点还没有原槽线的点处在的位置偏东，则效果欠佳，则使用p点取代mn点，南段槽线ms同理。
[0163]
本实施例中，问题槽线终止点e即南段槽线终止点的修订，与上述修订c与 s，得到cn与s1同理。如图23所示，在末尾点e所处的西风带上，区域相比c与 s较小，经过实际实验对比，确定δ3＝0.1时，取r值尽可能正接近-0.1是较为合理的选择，得到es。
[0164]
本实施例中，利用三阶贝塞尔曲线插值形成光滑连续的订正槽线。
[0165]
本实施例中，利用s1，mn，cn；cs，ms，es作为插值控制点，分别进行南北两段订正槽线插值，形成光滑连续的曲线，最终成为所需的订正槽线。
[0166]
本实施例中，本发明的基本思路是将连接各点的直线替换成平滑的曲线，各段曲线在顶点处是平滑的过度。
[0167]
本实施例中，可采用三阶贝塞尔插值形成曲线，如式(21)，也可采取其他插值方式，当实际输入点较少时，若采用其他插值方式如三次样条插值，其精度和平滑度均逊于三阶贝塞尔曲线插值，效果欠佳。
[0168][0169]
三阶贝塞尔曲线可以用一个三次函数描述，拥有两个插值控制点。在满足精度和美观度上用来做两点之间的曲线连接效果较好。
[0170]
本实施例中，采用2020年9月9日上午8时500hpa的一处问题槽线进行订正，由图24和图25比较可知，中间黑色粗实线为订正后的槽线，波浪状线为等值线，d区域为低压中心。通过实例表明，利用风场，位势场对槽线进行订正，达到了订正的目的。
[0171]
下面对micaps数据格式进行说明。
[0172]
diamond 4数据说明(字符串)年月日时次时效层次(均为整数)经度格距纬度格距起始经度终止经度起始纬度终止纬度(均为浮点数)纬向格点数经向格点数(均为整数)等值线间隔等值线起始值终止值平滑系数加粗线值(均为浮点数)。注：此类数据用于画格点数据的等值线。网格可以为经纬度网格，也可以为直角坐标网格。
[0173]
当使用直角坐标网格数据时：
[0174]
1)将等值线终止值改为-1(直角坐标在兰勃托投影下)或-2(直角坐标在麦开托投
影下)或-3(直角坐标在北半球投影下)。
[0175]
2)把网格经度间隔和纬度间隔改为格点数据第一行最后一个点的经纬度。
[0176]
3)把起始经度和起始纬度改为格点数据第一行第一个点的经纬度。
[0177]
4)把终止经度和终止纬度改为格点数据最后一行最后一个点的经纬度。
[0178]
第4类数据文件可以直接用于填格点值。文件头中可以指定填图方式。指定方法为：1)把加粗线值改为-1，表示画等值线同时填图，2)改为-2表示只填图，不画等值线。数据：数据按先纬向后经向放(直角坐标网格时为先x方向后y方向)，均为浮点数。
[0179]
diamond 11数据说明(字符串)年月日时次时效层次(均为整数)经度格距纬度格距起始经度终止经度起始纬度终止纬度(均为浮点数)纬向格点数经向格点数(均为整数)。
[0180]
注：此类数据主要用于画风场的流线。网格可以为经纬度网格，也可以为直角坐标网格。当使用直角坐标网格时，文件头做如下改动：
[0181]
1)把网格经度间隔和纬度间隔改为格点数据第一行最后一个点的经纬度。
[0182]
2)把起始经度和起始纬度改为格点数据第一行第一个点的经纬度。
[0183]
3)把终止经度和终止纬度改为格点数据最后一行最后一个点的经纬度。
[0184]
4)在第一行最后一点的经度上加一个数，指示在哪个底图投影下的直角坐标：lambert投影加1000、mecator投影加2000、北半球投影加3000。数据：先放u分量，数据按先纬向后经向放(若为直角坐标网格数据，则先x 方向，后y方向)，均为浮点数。所有格点的u分量放完后再放v分量，也是按先纬向后经向放。
[0185]
diamond 14数据说明(字符串)年月日时次时效(均为整数)，注：此类数据在保存图象编辑结果时自动产生，可用于生成最终预报产品。
[0186]
数据：
[0187]
lines:线条数
[0188]
线宽点数x y z......
[0189]
标号个数x y z......(若无标号，则为nolabel 0)
[0190]
…………
[0191]
lines_symbol：条数
[0192]
编码
[0193]
线宽点数
[0194]
x y z......nolabel 0
[0195]
…………
[0196]
symbols:个数
[0197]
编码x y z风向角度或字符串
[0198]
......
[0199]
closed_contours:个数
[0200]
线宽点数x y z......
[0201]
标号个数x y z......(若无标号，则为nolabel 0)
[0202]
…………
[0203]
station_situation
[0204]
站号属性
[0205]
......
[0206]
weather_region:天气区的个数
[0207]
天气区的天气代码外围线点数
[0208]
x y z
………
[0209]
…………………………………
[0210]
fillarea:填充区域个数
[0211]
编码线点数x y z
……
[0212]
填充类型(线色)a r g b(前景色)a r g b(背景色)a r g b 渐变色角度图案代码是否画边框
[0213]
…………………
[0214]
notes_symbol:标注个数
[0215]
编码x y z字符个数字符角度字体名长度字体名称字体大小字型(字色)a r g b
[0216]
…………………
[0217]
withprop_linesymbols:带属性线条数
[0218]
编码线宽(线色)a r g b线型是否需加阴影显示
[0219]
线点数x y z
……
[0220]
标号个数x y z......(若无标号，则为nolabel 0)
[0221]
…………………
[0222]
其中：lines_symbol表示槽线、冷锋等天气系统线条，其编码为：0，1—槽线、2，6—冷锋、3，7—暖锋、4—静止锋、5—锢囚锋、8—过去12h冷锋、 9—过去12h暖锋、38—霜冻线、39—高温线。