在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建方法及系统与流程

本发明属于风场模拟领域，具体涉及一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建方法及系统。
背景技术：
：风暴，泛指强烈天气系统过境时出现的天气过程，特指伴有强风或强降水的天气系统；如台风、龙卷风、雷暴、低气压、寒潮等强烈天气系流造成的大风暴雨。风暴中的风速变化剧烈，表现出强烈的三维流场特性，超级单体风暴(thesupercellstorm)的特征为：一个超级单体就是一个风暴；在对风暴的研究中，如果知道一个风暴体内部风速场，也就是每个三维坐标点上的风速矢量，则有以下好处：1.可以对风暴场的内部动力学结构进行分析，如可以计算各个点上的风矢量涡度、散度等，还可以在已知结构的风暴场上进行风切变和湍流探测试验，尤其是算法试验证；2.可以对不同位置的多普勒雷达观测进行模拟，比如通过几何投影算法把风暴速度场投影到多普勒雷达扫描锥面上，得到多普勒雷达速度ppi，进而可以进行雷达处理试验，甚至多部雷达联合风场反演的试验，并基于已知风速场对反演算法进行验证。但由于单体风暴内风速剧烈、结构复杂、持续时间短、测量手段受限等因素，实际风暴体内部的精细风速场很难记录下来，目前常采用数学模型构建的方式，将风速场的数学模型构建出来，然后通过计算机编程计算出具体的风暴风速场成为一种较好的选择，这个过程称为风速场构建。现有的大多数风速场模拟构建方法，多是基于流体建模软件，或者气象模式软件，有些是将流体建模软件和气象模式软件结合起来进行风场模拟。这些模拟构建方法大多属于数值模拟，即将需建立风速场的区域划分成很多网格，通过数学和物理模型模拟算法模拟算出网格点上的风速，此类方法均存在以下缺点：1.只能求得离散网格上的速度，不能求得连续风场，因此对于一些应用需求，如需要很高分辨率的应用和非均匀空间采样的应用不能满足或者需要重新插值。2.由于这些模拟构建过程都是基于流体物理或气象方程的数值求解，所以一般占用的计算机软硬件资源较多，运算速度较慢。因此，如何构建得到高逼真度的连续风场是风场研究观测、领域的研究方向。技术实现要素：有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建方法，该方法能得到连续的高逼真度风速场。为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建方法，包括以下步骤：(1)在直角坐标系下规定单体风暴的尺度范围，并用坐标变换把各点的直角坐标系转换成圆柱坐标系，在所述圆柱坐标系下建立三维风速场函数模型；三维风速场函数包括径向速度分量、方位向速度分量、高度向速度分量；(2)在所述圆柱坐标系中分别分离变量建立高度向速度分量模型、方位向速度分量模型和径向速度分量模型；(3)根据步骤(2)中建立的模型，在所述圆柱坐标系中设计高度向速度分量函数、方位向速度分量函数和径向速度分量函数；(4)在步骤(1)、(2)、(3)中的模型和函数中加入自定义参数得到圆柱坐标系下的模拟风速场，然后利用坐标变换将圆柱坐标系下的风速场，转换成直角坐标系下的风速场。进一步地，所述步骤(1)中的所述三维风速场函数模型为：其中，r、z分别为圆柱坐标系中的径向、方位向、高度向，分别为径向、方位向、高度向的单位向量，是圆柱坐标系中一点的位置坐标，分别表示速度矢量在r、z的速度分量，为圆柱坐标系中一点的速度矢量。进一步地，所述步骤(2)中的所述高度向速度分量模型为：其中，zz(z)高度向风速随高度变化的函数，zr(r)为高度向风速随径向距离变化的函数；所述径向速度分量模型为：其中，rz(z)为径向风速随高度变化的函数，rr(r)为径向风速随径长变化的函数；所述方位向速度分量模型为：其中，φr(r)为方位向风速随径长变化的函数。进一步地，所述高度向速度分量函数包括所述高度向风速随高度变化的函数、所述高度向风速随径向距离变化的函数；方位向速度分量函数包括所述方位向风速随径长变化的函数；径向速度分量函数包括所述径向风速随高度变化的函数、所述径向风速随径向距离变化的函数；其中，所述高度向风速随高度变化的函数zz(z)由以下两个参数方程决定：其中，t为关联高度z值和对应高度上zz(z)值的变化参数，k为求和变量，zk为第k个控制点的高度值，zzk为第k个控制点的zz(z)值，z(t)为高度值参数方程，zz(t)为高度向风速随高度变化的函数值的参数方程；所述高度向风速随径向距离变化的函数为：所述方位向风速随径向距离变化的函数为：所述径向风速随高度变化的函数rz(z)由以下两个参数方程决定：其中，t为关联高度z值和对应高度上rz(z)值的变化参数，k为求和变量，zk为第k个控制点的高度值，rzk为第k个控制点的rz(z)值，即rz(zk)，z(t)为高度值参数方程，rz(t)为径向风速随高度变化的函数值参数方程；所述径向风速随径向距离变化的函数为：本发明的目的之二在于提供一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建系统，该系统能模拟得到高逼真的连续风场，利便于对风速场的研究。为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建系统，包括：总建模模块，用于构建圆柱坐标系，并在所述圆柱坐标系下建立三维风速场函数模型；分离变量模块，与所述总建模模块相连，用于分离变量三维风速场函数；分量设计模块，与所述分离变量模块相连并与所述总建模模块相连，用于设计经分离变量后的三维风速场函数模型中的函数，模拟成型模块，与所述总建模模块相连，用于接收自定义参数，并根据所述三维风速场函数模型得到模拟风速场。进一步地，所述三维风速场函数模型为：其中，r、z分别为圆柱坐标系中的径向、方位向、高度向，分别为径向、方位向、高度向的单位向量，是圆柱坐标系某点的位置坐标，分别表示速度矢量在r、z的速度分量，为圆柱坐标系某点的速度矢量。进一步地，三维风速场函数包括径向速度分量、方位向速度分量、高度向速度分量；经分离变量后，所述高度向速度分量模型为：其中，zz(z)高度向风速随高度变化的函数，zr(r)为高度向风速随径向距离变化的函数；所述径向速度分量模型为：其中，rz(z)为径向风速随高度变化的函数，rr(r)为径向风速随径长变化的函数；所述方位向速度分量模型为：其中，φr(r)为方位向风速随径长变化的函数。进一步地，所述高度向速度分量函数包括所述高度向风速随高度变化的函数、所述高度向风速随径向距离变化的函数；方位向速度分量函数包括所述方位向风速随径长变化的函数；径向速度分量函数包括所述径向风速随高度变化的函数、所述径向风速随径向距离变化的函数。进一步地，所述高度向风速随高度变化的函数zz(z)由以下两个参数方程决定：其中，t为关联高度z值和对应高度上zz(z)值的变化参数，k为求和变量，zk为第k个控制点的高度值，zzk为第k个控制点的zz(z)值，z(t)为高度值参数方程，zz(t)为高度向风速随高度变化的函数值的参数方程；所述高度向风速随径向距离变化的函数为：所述方位向风速随径向距离变化的函数为：所述径向风速随高度变化的函数rz(z)由以下两个参数方程决定：其中，t为关联高度z值和对应高度上rz(z)值的变化参数，k为求和变量，zk为第k个控制点的高度值，rzk为第k个控制点的rz(z)值，z(t)为高度值参数方程，rz(t)为径向风速随高度变化的函数值参数方程；所述径向风速随径向距离变化的函数为：有益效果本发明提供一种圆柱坐标系下的高逼真风暴解析风速场构建方法，该方法基于风暴的三维速度分布结构特点，在圆柱坐标系下建立三维速度场函数，从而构建出一定空间范围内的连续解析风场，满足高分辨率、非均匀空间采样等风场研究应用中连续风场的需求；与此同时，本发明还提供了一种圆柱坐标系下的高逼真风暴解析风速场构建系统。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为单体风暴结构图；图2为本发明一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建方法的一实施例流程示意图；图3为风场模拟区域示意图；图4为本发明一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建方法的径向风速随高度变化的函数一实施例拟合曲线图；图5为本发明一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建方法中的高度向风速随高度变化的函数一实施例拟合曲线图；图6为本发明一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建方法中的高度向风速随径向距离变化的函数与径向风速随径向距离变化的函数一实施例拟合曲线图；图7为本发明一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建方法中的方位向风速随径向距离变化的函数拟合曲线图；图8为本发明一实施例中得到的单体风暴模拟风速场侧视图；图9为本发明一实施例中得到的单体风暴模拟风速风场俯视图；图10为一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建系统的结构示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述
发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。实施例1参考图1为单体风暴结构图，本实施例中的一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建方法旨在基于该单体风暴的三维速度分布结构特点，在圆柱坐标系下建立三维速度场函数，从而构建出一定空间范围内的连续解析风场。图2为本实施例中一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建方法的流程示意图。具体地，一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建方法，包括以下步骤：s1：在直角坐标系下规定单体风暴的尺度范围，并用坐标变换把各点的直角坐标系转换成圆柱坐标系，在圆柱坐标系下建立三维风速场函数模型；然后执行步骤s2；本实施例中，在直角坐标系下规定单体风暴的尺度范围，然后利用以下坐标转换公式将直角坐标系转换成圆柱坐标系：z＝z；本实施例中的将圆柱坐标系的三个轴分为径向r、方位向局度向z，即三维风速场中一个点的速度包括径向速度分量、方位向速度分量、高度向速度分量，则将三维风速场函数模型建模为：其中，r、z分别为圆柱坐标系中的径向、方位向、高度向，分别为径向、方位向、高度向的单位向量，是圆柱坐标系中一点的位置坐标，分别表示速度矢量在r、z的速度分量，为圆柱坐标系中一点的速度矢量。在一具体实施例中，先构建一个模拟风速场的区域，如图3所示的长60km×60km×30km的区域，在该区域中实现风场的模拟。s2：在圆柱坐标系中分别分离变量建立高度向速度分量模型、方位向速度分量模型和径向速度分量模型；然后执行步骤s3；在步骤s1中的三维风速场函数模型建模下，将径向速度分量、方位向速度分量、高度向速度分量分离变量，建立分量模型，在本实施例中，参考图1的单体风暴结构图，r方向的速度分量和z方向的速度分量对r和z都有较强的依赖性而且对二者的依赖较为独立，所以可以将这两个速度分量建模成r的函数和z的函数相乘；设定高度向速度分量模型为：其中，zz(z)为高度向风速随高度变化的函数，zr(r)为高度向风速随径向距离变化的函数；径向速度分量模型为：其中，rz(z)为径向风速随高度变化的函数，rr(r)为径向风速随径长变化的函数；方向的速度分量即涡旋分量具有圆周对称性，即同一径向上各个方位角的风速大小可以认为相等，因此可以认为与方位角无关，而涡旋分量随高度的变化不大，本实施例中设定与高度z无关，综上所述把建模成只与径向r有关的函数，即方位向速度分量模型为：其中，φr(r)为方位向风速随径长变化的函数。s3：在圆柱坐标系中设计高度向速度分量函数、方位向速度分量函数和径向速度分量函数；然后执行步骤s4；根据步骤s2中分离变量出来的三个维度的速度分量，可知与高度z有关的速度分量函数有两个，分别为r向分量中的rz(z)，另一个是z向分量中的zz(z)，rz(z)表示r向风速分量随高度z的变化，本实施例中规定朝内的风速为负，朝外的风速为正，参考图1，随着高度的增加，r向分量经过了方向从负到正，变化从缓到急的过程；为了模拟这种变化的连续性和平滑性，将rz(z)设计为分段样条函数曲线，样条线为分段多项式(piecewisepolynomials)，本实施例中的样条线的每个分段多项式选用2次的贝塞尔曲线，则径向风速随高度变化的函数rz(z)由以下两个参数方程决定：其中，t为关联高度z值和对应高度上rz(z)值的变化参数，k为求和变量，zk为第k个控制点的高度值，rzk为第k个控制点的rz(z)值，即rz(zk)，z(t)为高度值参数方程，rz(t)为径向风速随高度变化的函数值参数方程；本实施例中，使用2次贝塞尔曲线限定相邻的两个分段多项式，在交接点位置的一阶导数相等(斜率相等)和二阶导数相等(斜率的变化率相等)，就是让所有分段曲线能够平滑顺畅地连接起来，达到模拟流体场(如本发明中的风场)的渐变效果。优选地，引入参数t，把rz(z)分别表示成z与t的参数方程z(t)、rz与t的参数方程rz(t)，两个参数方程使用分段2阶贝塞尔函数构建的样条曲线，zk为z(t)的控制点，rzk为rz(t)的控制点，两个参数方程决定了rz和z的关系，即rz(z)，在实际应用中，通过高度值z求解参数t，最终通过参数方程得到任一高度值的rz(z)。在一具体实施例中，设定风暴高度范围为5-30公里，分为4段，其中每段为贝塞尔(bezier)函数，根据两个参数方程，设定rz(z)中的控制点高度值和对应高度的rz(z)值即rzk为下表：表格1rz(z)的控制点的高度值和对应高度的rz(z)值得到如图4所示的rz(z)的拟合曲线，图4中的小圆圈即为各段贝塞尔函数的控制点，每3个控制点用来设计一段贝塞尔函数曲线，前一段的最后一个控制点作为后一段的第一个控制点，这样，用表1中的控制点和公式(4)正好可以把整个高度范围设计成4段贝塞尔函数，首尾相接组成平滑的样条函数曲线，即图3中所示的函数曲线。同样的，本实施例中的，zz(z)表示z向风速分量随高度z的变化，从图2可以看出，随着高度z的增加，z向分量经过了由小到大，再由大变小的过程，在最高处由于砧面的反射变成了负的，即方向变成了朝下的。基于以上特征，把zz(z)设计成分段样条函数，高度向风速随高度变化的函数zz(z)由以下两个参数方程决定：其中，t为关联高度z值和对应高度上zz(z)值的变化参数，k为求和变量，zk为第k个控制点的高度值，zzk为第k个控制点的zz(z)值，即zz(zk)，z(t)为高度值参数方程，zz(t)为高度向风速随高度变化的函数值的参数方程；同样的，zz(z)中也引入了参数方程z(t)和zz(t)，zk和zzk分别为zz(z)的控制点的高度值和zz(z)值；同样的，本实施例中按照之前的假定雷暴高度范围为5-30公里，zz(z)分成3段，每段也为贝塞尔(bezier)函数，根据两个参数方程设定的zz(z)中控制点高度与对应高度的zz(z)值即zzk(单位：m/s)如下表2所示：表格2zz(z)的控制点的高度值和对应高度的zz(z)值高度zk(单位：公里)58.751521.2527.53030即zzk(单位：m/s)101001001000-40-40得到如图5所示的zz(z)拟合曲线图，图中的小圆圈即为各段贝塞尔函数的控制点，每3个控制点用来设计一段贝塞尔函数曲线，前一段的最后一个控制点作为后一段的第一个控制点，这样，用表2中的控制点zz(z)的函数式正好可以把整个高度范围设计成3段贝塞尔函数，首尾相接组成平滑的样条函数曲线。进一步地，在经过步骤s2的分离变量以后，与径向r有关的速度分量函数，一个是r向分量中的rr(r)，另一个是z向分量中的zr(r)，rr(r)表示r向风速分量随径向r的变化，参考图1，随着径向距离r的增大，r向风速先变平缓变大后平缓变小，将rr(r)设计为径向距离r与一个衰减指数函数的乘积：zr(r)表示z向风速分量随径向距离r的变化，参考图1，随着径向距离r的增大，z向风速逐渐变小，将zr(r)设计成一个的衰减指数函数：在一具体实施例中，同样设定雷暴高度范围为5-30公里，将高度z有关的速度分量函数的单位设计成为风速单位(m/s)，因此为了分量函数乘积后单位仍为风速单位(m/s)，可以将rr(r)和zr(r)设计为没有单位量纲的归一化趋势函数，得到的rr(r)和zr(r)的拟合曲线如图6所示。再进一步地，方位向的速度分量只与径向有关，即φr(r)，它表示方向分量即漩涡分量随径向r的变化，一般来说，漩涡分量在风暴中部较为明显，在风暴中心处为0，从风暴中心开始随着径向距离的增大经历了逐渐变大又逐渐变小的过程，将φr(r)设计为径向距离r与衰减指数函数的乘积的形式：同样设定雷暴高度范围为5-30公里，得到如图7所示的φr(r)拟合曲线图。s4：加入自定义参数模拟得到圆柱坐标系下的模拟风速场，利用坐标变换将圆柱坐标系下的风速场转换成直角坐标系下的风速场。在本实施例中，根据步骤s1至s3，能得到最终的三维风速场模型：然后将该模型联通步骤s3中的各具体函数代表式通过计算机软件，如matlab、python、visualc++等等，设定具体参数，比如贝塞尔函数控制点p″k、p′k等，即可产生任意坐标上的风速。在本实施例中使用步骤s1-s3中表1与表2的数据，按照进行单体风暴风场构建，然后将得到的圆柱坐标系下的模拟风速场通过以下公式转换成直角坐标系下的风速场：本实施例中为了展示单体风暴场的构建效果，把图3所示的风暴场构建范围在x、y、z三个方向都均匀切割为11层，形成空间网格点，v(x，y，z)在网格点上的取值即为网格点上的单体风暴的风速场如图8和图9所示。实施例2参考图10，在网格点上的取值即为网格点上的单体风暴的风速场为本实施例中一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建系统的结构示意图，具体地，一种在圆柱坐标系下的高逼真单体风暴解析风速场构建系统，包括：总建模模块100，用于构建圆柱坐标系，并在圆柱坐标系下建立三维风速场函数模型；本实施例中的将圆柱坐标系的三个轴分为径向r、方位向局度向z，即三维风速场中一个点的速度包括径向速度分量、方位向速度分量、高度向速度分量，则将三维风速场函数模型建模为：其中，r、z分别为圆柱坐标系中的径向、方位向、高度向，分别为径向、方位向、高度向的单位向量，是圆柱坐标系中一点的位置坐标，分别表示速度矢量在r、z的速度分量，为圆柱坐标系中一点的速度矢量。分离变量模块200，与总建模模块100相连，用于分离变量三维风速场函数；在经过总建模模块100的三维风速场函数模型建模下，将径向速度分量、方位向速度分量、高度向速度分量经过分离变量模块200进行分离变量，建立分量模型；具体地，分离变量模块200包括单元202，v(r)单元204、v(z)单元206，本实施例中，单元202用于建立方位向速度分量模型，为：其中，φr(r)为方位向风速随径长变化的函数。v(r)单元204用于建立径向速度分量模型，为：其中，rz(z)为径向风速随高度变化的函数，rr(r)为径向风速随径长变化的函数；v(z)单元206用于建立分离变量后的高度向速度分量模型，为：其中，zz(z)高度向风速随高度变化的函数，zr(r)为高度向风速随径向距离变化的函数。分量设计模块300，与分离变量模块200相连并与总建模模块100相连，用于设计经分离变量后的三维风速场函数模型中的函数；本实施例中，分量设计模块300，与分离变量模块200相连，用于根据分离变量模块200建立的各分量模型设计具体的函数，具体地，分量设计模块300包括函数单元302、r函数单元304、z函数单元306；其中，函数单元302与单元202相连，用于根据单元202建立方位向速度分量模型设计方位向速度分量函数，方位向速度分量函数包括方位向风速随径长变化的函数方位向风速随径向距离变化的函数为：r函数单元304与v(r)单元204相连，用于根据v(r)单元204建立径向速度分量模型设计径向速度分量函数，径向速度分量函数包括径向风速随高度变化的函数rz(z)、径向风速随径向距离变化的函数rr(r)；径向风速随高度变化的函数为rz(z)由以下两个参数方程决定：其中，t为关联高度z值和对应高度上rz(z)值的变化参数，k为求和变量，zk为第k个控制点的高度值，rzk为第k个控制点的rz(z)值，即rz(zk)，z(t)为高度值参数方程，rz(t)为径向风速随高度变化的函数值参数方程；径向风速随径向距离变化的函数为：z函数单元306与v(z)单元206相连，用于根据v(z)单元206建立的高度向速度分量模型设计高度向速度分量函数，高度向速度分量函数包括高度向风速随高度变化的函数zz(z)、高度向风速随径向距离变化的函数zr(r)；高度向风速随高度变化的函数为zz(z)由以下两个参数方程决定：其中，t为关联高度z值和对应高度上zz(z)值的变化参数，k为求和变量，zk为第k个控制点的高度值，zzk为第k个控制点的zz(z)值，即zz(zk)，z(t)为高度值参数方程，zz(t)为高度向风速随高度变化的函数值的参数方程；高度向风速随径向距离变化的函数为：优选地，本实施例中分离变量模块200建立的函数模型均反馈会总建模模块100，得到具体的分离变量后的三维风速场函数模型建模：再进一步地，分量设计模块300建立的各函数也带入三维风速场函数模型建模。模拟成型模块400，与总建模模块100相连，用于接收自定义参数，并根据三维风速场函数模型得到模拟风速场。本实施例中的模拟成型模块400包括计算机软件，如matlab、python、visualc++等等，用于将三维风速场函数模型通过软件，并设定具体参数，如控制点坐标等，最后可产生任意坐标上的风速。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。当前第1页12