一种用于计算海面风速和极值时刻的方法及装置

1.本发明涉及海面风速计算技术领域，具体为一种用于计算海面风速和极值时刻的方法及装置。


背景技术：

2.在开阔的海域，求某一待计算点w在ti时刻的实际海平面风速，现有方法为采用插值拟合方法计算，这些采用ti时刻前后时间点[...,t
i-1
,t
i+1
,...]风速值插值拟合估算ti时刻风速的方法，是仅考虑数据大小的插值拟合，并没有考虑天气系统的移动和强度变化。当ti时刻前后时间点间隔达到一定时，实际ti时刻的风速仅与其前后t
i-1
，t
i+1
相关，此时再采用现有的方法得到的ti时刻风速实际是t
i-1
与t
i+1
时刻的线性插值结果，结果可见本发明图3中的红色直线。
[0003]
又由于风速随时间变化具有连续性，对[t
i-1
，t
i+1
]内离散的时间点可以将这一性质用以下数学函数描述：
[0004]
f:t
→
v,|t|＝m,|v|＝n
ꢀꢀꢀ
(1)
[0005]
其中，m为时间点数量，n为风速值数量。风速f(t)在[t
i-1
，t
i+1
]内为大小有界变化，因此在[t
i-1
，t
i+1
]中f(t)≠常数，但一定存在风速相等的不同时间点，即m》n。综上风速f(t)满足以下函数：
[0006]
f:t
→
v,|t|＝m,|v|＝n,m》n
ꢀꢀꢀ
(2)
[0007]
在函数(2)条件成立的情况下，[t
i-1
，t
i+1
]中存在至少个个使得：
[0008][0009]
又有m，n均为正整数，因此m≥n+1,即在以上条件的基础上，当[t
i-1
，t
i+1
]时间间隔达到一定时，现有的常用计算ti时刻的风速的方法无法计算出风速大小的波动。
[0010]
如假设现有数值模式时间步长为δt，模式时间复杂度可以表达为t(n)，为求风速极值采取减小时间步长δt的方法，则时间复杂度递推方程可以表示为：
[0011]
t(n+1)＝t(n)+n
[0012]
可以推导出此时数值模式的时间复杂由o(n)增大为o(2n)，据此通过减小时间步长δt，使得[t
i-1
，t
i+1
]内有多个计算值时，再利用非线性插值获得[t
i-1
，t
i+1
]内的非线性变化进而得到任意时刻风速大小和极值时刻的方法，对运算时间长度有要求的数值模式也是不可行的。
[0013]
基于以上实际，在保证精度可信的前提下，利用现有条件通过新的方法计算海平面风速，并求出风速极值出现时刻显得十分必要。


技术实现要素：

[0014]
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于计算海面风速和风速极值时刻的方法，解决了上述的问题，本发明可以计算出由于天气系统的移动和强度变化造成的风速波动和波动中的风速最大/最小值及时间点，方便航海人员使用，可靠性高。
[0015]
本发明提供如下技术方案：一种用于计算海面风速和极值时刻的方法及装置，包括以下步骤：
[0016]
(1)获取公开发布的海平面气压场图；
[0017]
(2)根据气压场识别影响计算点的天气系统强度变化序列stri、移动方向dir、移动速度序列spei，并设定计算步长δt；
[0018]
(3)将需要获得风速值的计算点经纬度坐标(lat0,lon0)和步骤(2)获得的参数将代入公式1；
[0019]
(4)根据完整风速计算公式计算出这一系列ti时刻的计算点的风速vi；
[0020]
(5)以这系列数值点{ti}和{vi}为自变量和因变量，插值拟合出风速变化曲线v＝γ(t)；
[0021]
(6)求解{t
max
|v＝γ(t)，t∈[t
i-1
，t
i+1
]}、{t
min
|v＝γ(t)，t∈[t
i-1
，t
i+1
]}，确定[t
i-1
，t
i+1
]时间段内风速最大、最小时间点；
[0022]
(7)将步骤(6)求出的t
max
、t
min
、待计算点w经纬度坐标(lat0,lon0)和步骤(2)获得的参数再次代入公式1，算出最大风速值v
max
、最小风速值v
min
。
[0023]
优选的：包括公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)、公式(5)、公式(6)；上述公式如下所示：
[0024][0025][0026][0027][0028][0029][0030]
式中lat上游通过公式(3)、公式(5)、公式(6)式求解，lat下游公式(4)、公式(5)、公式(6)求解，当为高压影响待计算点w时取+号，为低压影响待计算点w时取-号，r为待计算点w距高/低压中心的曲率半径，ρ为空气密度，ω为地球自传角速度，为待计算点w的纬
度，为气压梯度矢量，δ为待计算点w附近两条等压线之间的距离。
[0031]
优选的：所述步骤(1)中，海平面气压场图的信息包括高/低压中心历史和未来位置、移动方向、移动速度以及移动路径。
[0032]
优选的：所述步骤(2)中，运用步骤(1)识别出的高/低压天气系统中心历史和未来位置、移动方向、移动速度以及移动路径，在移动路径上计算出影响待计算点w的高/低压中心在未来时间ti(i∈(0,24])的位置(lon(ti),lat(ti))。
[0033]
优选的：所述步骤(3)中，公式(3)和公式(4)计算在时刻ti分别处于待计算点w上下游的两条等压线之间间隔的宽度距离δ；
[0034]
其中在24小时内任意时刻t的上、下游等压线方程与相对位置方程分别满足，公式(3)和公式(4)；
[0035]
其中公式(3)、公式(4)分别为t时刻待计算点w上、下游的等压线方程，通过求解(3)式、(4)式可以得到(lon上游，lat上游)、(lon下游，lat下游)，由上述坐标值可方便计算或在海图上量出t时刻待计算点w上、下游的的两条等压线之间间隔的宽度距离δ。
[0036]
优选的：所述步骤(5)中以ti对应的时间为自变量，对应风速数值v(ti)为因变量进行非参数回归。
[0037]
优选的：所述步骤(6)中，利用步骤(4)所得结果曲线得风速最大可能值v(max1)和最大风速时刻tmax，将tmax代回步骤(2)和步骤(3)，计算出影响预测点的高/低压中心在时间tmax的位置(lon(tmax),lat(tmax)。
[0038]
优选的：所述步骤(7)中利用计算公式(2)计算出风速最大可能值v(max2)，取最大值风速值为max(v(max1)，v(max2))，最大风速出现的时间为tmax。
[0039]
优选的：所述步骤(3)中，参数k为经验统计值，参数k为黄海海域时取k∈[0.55，0.65]，参数k为东海海域时取k∈[0.75,0.8]，高/低压系统的等压线在经纬度坐标系(lon，lat)中可以用公式(5)表示为：
[0040][0041]
其中，(lona，lata)为高/低压系统中心a的坐标，ai(lon，lat)为等压线上的点与高/低压中心点的距离，ai的值随等压线和经纬度变化而变化，具体值可以在气压场图上实现自动获取。
[0042]
优选的：还包括单片机、定位单元、按键盘和液晶屏，所述定位单元、按键盘和液晶屏均与控制器连接，控制器还与存储单元连接，所述单片机为stc16f32k128，定位单元为北斗gps单元，键盘为4*4按键键盘。
[0043]
与现有技术相比，本发明提供了一种用于计算海面风速和极值时刻的方法及装置，具备以下有益效果：
[0044]
该用于计算海面风速和极值时刻的方法及装置，利用公开发布的海平面气压场传真图计算施工区域的风速，在通信条件差的环境下可对风速变化进行计算，确保海上航行的安全性，方便航海人员使用，可靠性高。
附图说明
[0045]
图1为asas的传真图。
[0046]
图2为fsas24h的传真图。
[0047]
图3为风速变化拟合曲线和实际风速变化拟合曲线对比图。。
具体实施方式
[0048]
请参阅图1-3，一种用于计算海面风速和极值时刻的方法及装置，一种用于计算海面风速和极值时刻的方法及装置，包括以下步骤：
[0049]
(1)获取公开发布的海平面气压场图；
[0050]
(2)根据气压场识别影响计算点的天气系统强度变化序列stri、移动方向dir、移动速度序列spe
i，
并设定计算步长δt；
[0051]
(3)将需要获得风速值的计算点经纬度坐标(lat0,lon0)和步骤(2)获得的参数将代入公式1；
[0052]
(4)根据完整风速计算公式计算出这一系列ti时刻的计算点的风速vi；
[0053]
(5)以这系列数值点{ti}和{vi}为自变量和因变量，插值拟合出风速变化曲线v＝γ(t)；
[0054]
(8)求解{t
max
|v＝γ(t)，t∈[t
i-1
，t
i+1
]}、{t
min
|v＝γ(t)，t∈[t
i-1
，t
i+1
]}，确定[t
i-1
，t
i+1
]时间段内风速最大、最小时间点；
[0055]
(9)将步骤(6)求出的t
max
、t
min
、待计算点w经纬度坐标(lat0,lon0)和步骤(2)获得的参数再次代入公式1，算出最大风速值v
max
、最小风速值v
min
。
[0056]
进一步的：包括公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)、公
[0057]
式(5)、公式(6)；上述公式如下所示：
[0058][0059][0060][0061][0062][0063][0064]
式中lat上游通过公式(3)、公式(5)、公式(6)式求解，lat下游公式(4)、公式(5)、
公式(6)求解，当为高压影响待计算点w时取+号，为低压影响待计算点w时取-号，r为待计算点w距高/低压中心的曲率半径，ρ为空气密度，ω为地球自传角速度，为待计算点w的纬度，为气压梯度矢量，δ为待计算点w附近两条等压线之间的距离。
[0065]
进一步的：步骤(1)中，海平面气压场图的信息包括高/低压中心历史和未来位置、移动方向、移动速度以及移动路径。
[0066]
进一步的：步骤(2)中，运用步骤(1)识别出的高/低压天气系统中心历史和未来位置、移动方向、移动速度以及移动路径，在移动路径上计算出影响待计算点w的高/低压中心在未来时间ti(i∈(0,24])的位置(lon(ti),lat(ti))。
[0067]
进一步的：步骤(3)中，公式(3)和公式(4)计算在时刻ti分别处于待计算点w上下游的两条等压线之间间隔的宽度距离δ；
[0068]
其中在24小时内任意时刻t的上、下游等压线方程与相对位置方程分别满足，公式(3)和公式(4)；
[0069]
其中公式(3)、公式(4)分别为t时刻待计算点w上、下游的等压线方程，通过求解(3)式、(4)式可以得到(lon上游，lat上游)、(lon下游，lat下游)，由上述坐标值可方便计算或在海图上量出t时刻待计算点w上、下游的的两条等压线之间间隔的宽度距离δ。
[0070]
进一步的：步骤(5)中以ti对应的时间为自变量，对应风速数值v(ti)为因变量进行非参数回归。
[0071]
进一步的：步骤(6)中，利用步骤(4)所得结果曲线得风速最大可能值v(max1)和最大风速时刻tmax，将tmax代回步骤(2)和步骤(3)，计算出影响预测点的高/低压中心在时间tmax的位置(lon(tmax),lat(tmax))。
[0072]
进一步的：步骤(7)中利用计算公式(2)计算出风速最大可能值v(max2)，取最大值风速值为max(v(max1)，v(max2))，最大风速出现的时间为tmax。
[0073]
进一步的：步骤(3)中，参数k为经验统计值，参数k为黄海海域时取k∈[0.55，0.65]，参数k为东海海域时取k∈[0.75，0.8]，高/低压系统的等压线在经纬度坐标系(lon，lat)中可以用公式(5)表示为：
[0074][0075]
其中，(lona，lata)为高/低压系统中心a的坐标，ai(lon，lat)为等压线上的点与高/低压中心点的距离，ai的值随等压线和经纬度变化而变化，具体值可以在气压场图上实现自动获取。
[0076]
进一步的：还包括单片机、定位单元、按键盘和液晶屏，定位单元、按键盘和液晶屏均与控制器连接，控制器还与存储单元连接，单片机为stc16f32k128，定位单元为北斗gps单元，键盘为4*4按键键盘。
[0077]
实施例：本发明的一种用于计算海面风速和风速极值时刻的方法，包括以下步骤：
[0078]
按照完整风速计算公式以及选取的两张传真图，通过这两张图计算北京时间2020年5月26日0800时到2020年5月27日0800时之间每隔30分钟(一共48个时间点)的待计算点w的风速，待计算点w位置为北纬26度，东经123度。
[0079]
(1)传真图1为实测气压绘制的5月26日0800时的海平面气压场，此时影响待计算
点w的低压中心位于其西侧距离240海里处，通过做穿过待计算点w的和此时低压中心b1的直线计算出气压梯度为-1.6百帕/维度，风速计算中选取地球自转角速度ω为0.0000729s-1，大气密度为1.293kg/m3，为26
°
，k为0.75,计算出此时风速为8.6m/s。
[0080]
(2)传真图2为预报的5月27日0800时的海平面气压场，在传真图2计算出5月27日0800时待计算点w距离此时的低压中心位置c的距离为450海里，此时待计算点w的气压梯度为-1.8百帕/维度，其它参数同上一步，计算出的风速为2.5m/s。
[0081]
(3)在fasa24h图上标出asas图上的高/低压中心位置b1，连接b1点和fasa24h图上此时的高/低压中心c，从而确定高/低压中心的移动路线。
[0082]
(4)识别影响系统高/低压中心移动方向和速度，在fsas24h图的线段b1c上标出待计算的24小时内不同时刻的中心位置bx。
[0083]
(5)根据公式(3)和公式(4)计算出对应时刻ti待计算点w上下游相邻的两条等压线之间间隔的距离
△
ni，其中i∈[2，3，
…
，47]。
[0084]
例如在图fsas24h根据匀速外推可计算出5月26日2000时(t25)待计算点w距离此时的低压中心位置b25的距离为180海里，此时待计算点w计算出的风速为9.5m/s。
[0085]
(6)按照上一步运用传真图计算出2020年5月26日08时以后的24小时内，每隔30分钟待计算点w的风速值，这些风速值与对应的时间一起构成了48组数据(wi，ti),i∈[1，48]。为了计算的方便，时间表示方法采用将26日08时记为800，其后时间则为800+相距时间。具体计算数值如下表：
[0086]
[0087]
[0088][0089]
上表中i∈[1，2，
…
，48]
[0090]
(7)建立如下非参数回归模型：
[0091]
wi＝g(ti)+εi＝1，2，......，n
[0092]
t＝t时对应的w值按下式进行估计，
[0093][0094]
其中h为控制领域大小的窗宽，k(
·
)为核函数。h在最小mise(mean integrated squared error)原则下理论最佳窗宽用嵌入法计算时用进行估计，q＝t[0.75]-t[0.25]为四分位距。当计算中采用均匀分布时，σ的估计为1，此时理论最佳宽度为
[0095]
(8)在已经计算的48组数据中，时间最大值为3200，最小值为800，因此在[800，3200]之间均匀取100个时间点sj，j∈[1，100]，此时n＝48，h＝0.38。又因为风速在一定时间内为随机量，某一时刻的风速仅与之前和之后一定时刻相关，于是核函数k(
·
)使用高斯核，具体如下式：
[0096][0097]
并认为sj落在[t
i-3h，ti+3h]之外时，k(
·
)为零。具体计算就是对比之前已经计算出风速值的时间点ti，从中sj中选出所有满足sj∈[t
i-3h，ti+3h]的值，用这些值分别计算核函数k(s
j-ti)。
[0098]
(9)对每个sj使用牛顿切线法求解使下式最小的aj,bj[0099][0100]
由得到的一组[aj，bj]和sj，即可得到非参数核回归曲线(如图3黑色曲线)，由图3可知北京时间2020年5月26日0800时到2020年5月27日0800时待计算点w实测风速最大值9.6m/s非常接近本方法计算值10m/s。
[0101]
(10)对比同一时间段待计算点w海洋浮标风速数据(如图3蓝色曲线)，确定最大风速极值时刻2020年5月27日19时45分前后，与计算结果2020年5月27日19时50分前后非常接近。
[0102]
综上所述，该用于计算海面风速和极值时刻的方法及装置，利用公开发布的海平面气压场传真图计算施工区域的风速，在通信条件差的环境下可对风速变化进行计算，确保海上航行的安全性，方便航海人员使用，可靠性高。

技术特征：
1.一种用于计算海面风速和极值时刻的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)获取公开发布的海平面气压场图；(2)根据气压场识别影响计算点的天气系统强度变化序列str
i
、移动方向dir、移动速度序列spe
i，
并设定计算步长δt；(3)将需要获得风速值的计算点经纬度坐标(lat0,lon0)和步骤(2)获得的参数将代入公式1；(4)根据完整风速计算公式计算出这一系列t
i
时刻的计算点的风速v
i
；(5)以这系列数值点{t
i
}和{v
i
}为自变量和因变量，插值拟合出风速变化曲线v＝γ(t)；(6)求解{t
max
|v＝γ(t)，t∈[t
i-1
，t
i+1
]}、{t
min
|v＝γ(t)，t∈[t
i-1
，t
i+1
]}，确定[t
i-1
，t
i+1
]时间段内风速最大、最小时间点；(7)将步骤(6)求出的t
max
、t
min
、待计算点w经纬度坐标(lat0,lon0)和步骤(2)获得的参数再次代入公式1，算出最大风速值v
max
、最小风速值v
min
。2.根据权利要求1所述的一种用于计算海面风速和极值时刻的方法，其特征在于：包括公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)、公式(5)、公式(6)；上述公式如下所示：公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)、公式(5)、公式(6)；上述公式如下所示：公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)、公式(5)、公式(6)；上述公式如下所示：公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)、公式(5)、公式(6)；上述公式如下所示：公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)、公式(5)、公式(6)；上述公式如下所示：公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)、公式(5)、公式(6)；上述公式如下所示：式中lat上游通过公式(3)、公式(5)、公式(6)式求解，lat下游公式(4)、公式(5)、公式(6)求解，当为高压影响待计算点w时取+号，为低压影响待计算点w时取-号，r为待计算点w距高/低压中心的曲率半径，ρ为空气密度，ω为地球自传角速度，为待计算点w的纬度，δ为气压梯度矢量，∧为待计算点w附近两条等压线之间的距离。3.根据权利要求2所述的一种用于计算海面风速和极值时刻的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，海平面气压场图的信息包括高/低压中心历史和未来位置、移动方向、移动速度以及移动路径。
4.根据权利要求3所述的一种用于计算海面风速和极值时刻的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，运用步骤(1)识别出的高/低压天气系统中心历史和未来位置、移动方向、移动速度以及移动路径，在移动路径上计算出影响待计算点w的高/低压中心在未来时间ti(i∈(0,24])的位置(lon(ti),lat(ti))。5.根据权利要求4所述的一种用于计算海面风速和极值时刻的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，公式(3)和公式(4)计算在时刻ti分别处于待计算点w上下游的两条等压线之间间隔的宽度距离∧；其中在24小时内任意时刻t的上、下游等压线方程与相对位置方程分别满足，公式(3)和公式(4)；其中公式(3)、公式(4)分别为t时刻待计算点w上、下游的等压线方程，通过求解(3)式、(4)式可以得到(lon上游，lat上游)、(lon下游，lat下游)，由上述坐标值可方便计算或在海图上量出t时刻待计算点w上、下游的的两条等压线之间间隔的宽度距离∧。6.根据权利要求5所述的一种用于计算海面风速和极值时刻的方法，其特征在于：所述步骤(5)中以ti对应的时间为自变量，对应风速数值v(ti)为因变量进行非参数回归。7.根据权利要求6所述的一种用于计算海面风速和极值时刻的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，利用步骤(4)所得结果曲线得风速最大可能值v(max1)和最大风速时刻tmax，将tmax代回步骤(2)和步骤(3)，计算出影响预测点的高/低压中心在时间tmax的位置(lon(tmax),lat(tmax))。8.根据权利要求7所述的一种用于计算海面风速和极值时刻的方法，其特征在于：所述步骤(7)中利用计算公式(2)计算出风速最大可能值v(max2)，取最大值风速值为max(v(max1)，v(max2))，最大风速出现的时间为tmax。9.根据权利要求8所述的一种用于计算海面风速和极值时刻的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，参数k为经验统计值，参数k为黄海海域时取k∈[0.55，0.65]，参数k为东海海域时取k∈[0.75，0.8]，高/低压系统的等压线在经纬度坐标系(lon，lat)中可以用公式(5)表示为：其中，(lona，lata)为高/低压系统中心a的坐标，ai(lon，lat)为等压线上的点与高/低压中心点的距离，ai的值随等压线和经纬度变化而变化，具体值可以在气压场图上实现自动获取。10.根据权利要求9所述的一种用于计算海面风速和极值时刻的方法，其特征在于：还包括单片机、定位单元、按键盘和液晶屏，所述定位单元、按键盘和液晶屏均与控制器连接，控制器还与存储单元连接。

技术总结
本发明涉及海面风速计算技术领域，且公开了一种用于计算海面风速和极值时刻的方法及装置，(1)获取公开发布的海平面气压场图；(2)根据气压场识别影响计算点的天气系统强度变化序列Str


技术研发人员：郑周 李启明 孙智杰 陈一磊
受保护的技术使用者：盐城工学院
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/25