气象海洋环境的精细化模拟仿真方法和装置与流程

本发明涉及气象统计分析和计算机，尤其涉及一种气象海洋环境的精细化模拟仿真方法和装置。

背景技术：

1、目前,随着现代海洋科技，特别是信息化技术在现代海洋科技及海洋工程装备中的广泛应用，海上作业行动及装备效能受到气象海洋环境因素的影响和制约问题日益突出。在气象海洋环境仿真模拟领域，如何构建逼近实际的气象海洋仿真环境，直接关系到海上作业的保障性能，是环境仿真人员在建模仿真过程中必须高度关注和重点把握的问题。

2、气象海洋环境复杂多变，对装备效能、海上行动及决策制定有着重大影响，是海洋环境中不可缺少的重要组成部分。气象海洋环境的格点数据构成了气象海洋环境的场模型，且遵循一定的物理分布及变化规律，是对环境的精确模拟。如何模拟复杂气象海洋环境，同时满足环境复杂度符合行动计划难度、构建方法简便灵活、仿真环境动态真实的要求，是当前急需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，提供一种气象海洋环境的精细化模拟仿真方法和装置，进而模拟复杂气象海洋环境，同时满足环境复杂度符合行动计划难度、构建方法简便灵活、仿真环境动态真实的要求。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例第一方面公开了一种气象海洋环境的精细化模拟仿真方法，包括：

3、s1，采集得到气象海洋数据集；所述气象海洋数据集，包括大气海洋观测数据子集、气象监测点观测数据子集和气象海洋数值模式预报数据子集；每个数据子集，包括若干个观测数据；所述观测数据，包括数据属性、数据取值、数据采集信息；所述数据采集信息，包括数据采集时间和数据采集地点；

4、s2，对所述气象海洋数据集进行数据预处理，得到标准气象海洋数据集；

5、s3，利用标准气象海洋数据集，构建得到气象海洋环境模拟仿真模型；

6、s4，采集得到气象海洋仿真范围信息；利用所述气象海洋环境模拟仿真模型，对所述气象海洋仿真范围信息进行处理，得到气象海洋环境仿真结果信息；所述气象海洋环境仿真结果信息，用于表征所述气象海洋环境参数的仿真结果。

7、所述对所述气象海洋数据集进行数据预处理，得到标准气象海洋数据集，包括：

8、s21，对所述气象海洋数据集进行数据清理处理，得到清洗数据集；

9、s22，对所述清洗数据集进行数据规约处理，得到规约数据集；

10、s23，对所述规约数据集进行采集信息统一处理，得到规范数据集；

11、s24，对所述规范数据集进行边界检查和类别一致性检查处理，得到一致性数据集；

12、s25，基于每个数据属性，对一致性数据集中的具有相同数据属性的观测数据进行组合，得到所述数据属性的基础仿真数据子库；

13、s26，对所有数据属性的基础仿真数据子库进行组合，得到标准气象海洋数据集。

14、所述对所述清洗数据集进行数据规约处理，得到规约数据集，包括：

15、s221，确定所述清洗数据集中的大气海洋观测数据子集的数据属性范围；

16、s222，对所述清洗数据集中的大气海洋观测数据子集的每个观测数据，判别所述观测数据的数据属性是否在所述大气海洋观测数据子集的数据属性范围内，得到第一判别结果；将所述第一判别结果为否的观测数据，从所述大气海洋观测数据子集中删除；

17、s223，确定所述清洗数据集中的气象监测点观测数据子集的数据属性范围；

18、s224，对所述清洗数据集中的气象监测点观测数据子集的每个观测数据，判别所述观测数据的数据属性是否在所述气象监测点观测数据子集的数据属性范围内，得到第二判别结果；将所述第二判别结果为否的观测数据，从所述气象监测点观测数据子集中删除；

19、s225，确定所述清洗数据集中的气象海洋数值模式预报数据子集的数据属性范围；

20、s226，对所述清洗数据集中的气象海洋数值模式预报数据子集的每个观测数据，判别所述观测数据的数据属性是否在所述气象海洋数值模式预报数据子集的数据属性范围内，得到第三判别结果；将所述第三判别结果为否的观测数据，从所述气象海洋数值模式预报数据子集中删除；

21、s227，对完成判别的大气海洋观测数据子集、气象监测点观测数据子集和气象海洋数值模式预报数据子集进行组合，得到规约数据集。

22、所述对所述规约数据集进行采集信息统一处理，得到规范数据集，包括：

23、s231，对所述规约数据集的同一数据子集所包含的相同数据属性的观测数据，设置统一数据采集时间和统一数据采集地点；

24、s232，对每个数据子集所包含的相同数据属性的观测数据，根据统一数据采集时间和统一数据采集地点，对所述观测数据进行采集时间和采集地点对齐处理，得到规范观测数据；

25、s233，对每个数据子集的每个数据属性的观测数据执行s232，得到所述数据子集对应的规范数据子集；所述规范数据子集，包括大气海洋观测规范数据子集、气象监测点观测规范数据子集和气象海洋数值模式预报规范数据子集；

26、s234，对所有的规范数据子集进行组合处理，得到规范数据集。

27、所述对所述规范数据集进行边界检查和类别一致性检查处理，得到一致性数据集，包括：

28、s241，对所述规范数据集的每个规范数据子集中的每个数据属性，预设对应的取值范围；所述取值范围的边界值，包括取值范围上界值和取值范围下界值；

29、s242，对所述规范数据集的每个规范数据子集的每个观测数据，根据其数据属性的取值范围，判别所述观测数据取值是否在所述取值范围内；当在所述取值范围内时，不对所述观测数据进行处理；当不在所述取值范围内时，设定所述观测数据取值为与其最接近的所述取值范围的边界值；

30、s243，对每个规范数据子集的所有观测数据完成s242后，得到所述规范数据子集对应的边界规范数据子集；

31、s244，对大气海洋观测规范数据子集对应的边界规范数据子集的每一类数据属性的观测数据，以所述观测数据的数据采集信息为自变量，以所述观测数据的数据取值为因变量，进行自回归-滑动平均建模，分别得到所述类数据属性的回归模型；利用所述回归模型，对所述自变量进行计算处理，得到回归数据取值；判别所述回归数据取值与对应的因变量值之差的绝对值，是否大于设定的第一回归判别阈值；若大于所述第一回归判别阈值，将所述观测数据从所述大气海洋观测规范数据子集对应的边界规范数据子集中删除，若小于所述第一回归判别阈值，不对所述观测数据进行处理；

32、s245，对所述大气海洋观测规范数据子集对应的边界规范数据子集的所有观测数据，执行s244，得到所述大气海洋观测一致性数据子集；

33、s246,对气象监测点观测规范数据子集对应的边界规范数据子集的每一类数据属性的观测数据，以所述观测数据的数据采集信息为自变量，以所述观测数据的数据取值为因变量，进行聚类分析处理，分别得到所述类数据属性的聚类结果信息；所述聚类结果信息，包括所述类数据属性的所有观测数据所属的聚类类别；

34、s247,确定每个聚类类别所包括的观测数据数目；设定数据量阈值；将所述观测数据数目小于数据量阈值的聚类类别所包括的观测数据，从所述边界规范数据子集中删除；

35、s248,对所述气象监测点观测规范数据子集对应的边界规范数据子集的所有观测数据，执行s246和s247，得到所述气象监测点观测一致性数据子集；

36、s249，对所述气象海洋数值模式预报规范数据子集对应的边界规范数据子集的每一类数据属性的观测数据，以所述观测数据的数据采集信息为已知自变量，以所述观测数据的数据取值为已知因变量，利用所述已知自变量和已知因变量构建得到待逼近曲线，利用函数逼近法对所述待逼近曲线进行曲线拟合，得到所述类数据属性的最佳一致逼近多项式f(ix)；利用所述最佳一致逼近多项式f(ix)，对所述已知自变量进行计算处理，得到近似因变量；判别所述近似因变量与对应的已知因变量之差的绝对值，是否大于设定的第二回归判别阈值；若大于所述第二回归判别阈值，将所述观测数据从所述气象海洋数值模式预报规范数据子集对应的边界规范数据子集中删除，若小于所述第二回归判别阈值，不对所述观测数据进行处理；

37、s2410,对所述气象海洋数值模式预报规范数据子集对应的边界规范数据子集的所有观测数据，执行s249，得到所述气象海洋数值模式预报一致性数据子集；

38、s2411，对所述大气海洋观测一致性数据子集、气象监测点观测一致性数据子集、气象海洋数值模式预报一致性数据子集进行组合处理，得到一致性数据集。

39、所述利用标准气象海洋数据集，构建得到气象海洋环境模拟仿真模型，包括：

40、s31，构建得到初始化气象海洋环境模拟仿真模型；所述初始化气象海洋环境模拟仿真模型，包括未知参数和预测方程组；

41、s32，利用所述标准气象海洋数据集，对所述初始化气象海洋环境模拟仿真模型中的未知参数进行求解，得到未知参数求解值；

42、s33，将所述未知参数求解值代入所述预测方程组，得到气象海洋环境模拟仿真模型。

43、所述初始化气象海洋环境模拟仿真模型的预测方程组，其表达式为：

44、

45、

46、

47、

48、

49、

50、

51、

52、其中，[x,y,z]为预测点在大地坐标系下的位置坐标，t为预测时间,u和v为海浪水平方向的x轴和y轴的速度、w为海浪垂直速度；表示微分算子，[i,j,k]为x轴、y轴和z轴上的单位量；f为科氏力参数；φ为海洋的动力学压力，φ＝p/ρo，ρo为海水参考密度；和vθ分别为粘性系数和粒子扩散系数，g为重力常数；ρ为海水的现场密度，p为气象海洋环境的压力；c表示计算粒子浓度；fu、fv、fc为分别x轴、y轴和z轴方向上的外界强迫项，du、dv、dc为x轴、y轴和z轴方向上的耗散项；和分别表示u、v和w的湍流项，km和kc分别为海面垂直涡旋粘度和湍流扩散系数；其中，vθ、c、fu、fv、fc、du、dv、dc、km、kc为未知参数。

53、本发明实施例第二方面公开了一种气象海洋环境的精细化模拟仿真装置，所述装置包括：

54、存储有可执行程序代码的存储器；

55、与所述存储器耦合的处理器；

56、所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行所述的气象海洋环境的精细化模拟仿真方法。

57、本发明实施例第三方面公开了一种计算机可存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被调用时，用于执行所述的气象海洋环境的精细化模拟仿真方法。

58、本发明实施例第四方面公开了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的气象海洋环境的精细化模拟仿真方法。

59、本发明的有益效果为：

60、1、本发明提出了一种气象海洋环境的精细化模拟仿真方法和装置，基于有效的气象海洋探测数据、实时观探测数据和气象海洋数值预报模式产品，利用气象海洋统计学方法和气象海洋数值预报技术，构建气象海洋环境仿真的引擎，形成海洋环境精细化模拟与仿真系统，实现目标区域典型三维流场、边界层结构和温盐分布以及海洋中尺度涡、海洋锋、海洋跃层等海洋过程的模拟仿真，以研究目标区域气候特点及气象海洋要素的时空分布特征及变化规律，并为海上实际作业需求提供气象海洋环境的仿真模拟产品。

61、2、本发明方法在对实际数据预处理过程中，提出了多维度的数据筛选方法，从数据属性、数值分布、数据采样信息等多个维度对数据进行校准，并通过对同一类型的观测数据提取观测模型，利用观测模型对数据进行再次校准，保证了观测数据的可靠性，进而确保了所构建的仿真模型的准确性和高效性。