本技術(shù)涉及數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于氣象模擬的風(fēng)浪流預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在海洋工程、航運(yùn)和海上作業(yè)等領(lǐng)域，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)浪流條件對(duì)保障作業(yè)安全和提高經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。傳統(tǒng)的風(fēng)浪流預(yù)測(cè)方法主要依賴于單一模型或簡(jiǎn)單耦合模型，如單獨(dú)的大氣模式、風(fēng)浪模式或海流模式。這些方法通常采用靜態(tài)參數(shù)設(shè)置和固定的網(wǎng)格分辨率，在處理復(fù)雜海洋環(huán)境時(shí)存在局限性。同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)中的數(shù)據(jù)同化方法往往局限于單一變量或單一尺度的同化，難以充分利用多源、多尺度的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2、然而，這些傳統(tǒng)方法在處理多尺度海洋過(guò)程和快速變化的天氣系統(tǒng)時(shí)面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，單一模型難以準(zhǔn)確描述大氣-海洋-波浪之間的復(fù)雜相互作用，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果存在系統(tǒng)性偏差。其次，固定網(wǎng)格分辨率無(wú)法同時(shí)兼顧大尺度環(huán)流和局地精細(xì)結(jié)構(gòu)的模擬，影響預(yù)測(cè)的空間精度。此外，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)融合技術(shù)難以有效整合不同來(lái)源、不同尺度的觀測(cè)和模擬數(shù)據(jù)，制約了預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。最后，傳統(tǒng)方法在處理極端天氣事件和快速變化的海況時(shí)，響應(yīng)速度慢，難以提供及時(shí)的預(yù)警信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)提供了一種基于氣象模擬的風(fēng)浪流預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)，用于提高基于氣象模擬的風(fēng)浪流預(yù)測(cè)的時(shí)效性及準(zhǔn)確率。

2、第一方面，本技術(shù)提供了一種基于氣象模擬的風(fēng)浪流預(yù)測(cè)方法，所述基于氣象模擬的風(fēng)浪流預(yù)測(cè)方法包括：對(duì)獲取的原始?xì)庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)設(shè)的模擬區(qū)域的初始條件數(shù)據(jù)和邊界條件數(shù)據(jù)；

3、對(duì)所述初始條件數(shù)據(jù)和所述邊界條件數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣模式模擬，得到海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和大氣參數(shù)數(shù)據(jù)；

4、對(duì)所述海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和所述大氣參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理和插值，得到風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)；

5、對(duì)所述風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)浪模型耦合與模擬，得到風(fēng)浪預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)；

6、對(duì)所述風(fēng)浪預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)和所述風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行海流模型耦合與模擬，得到海洋環(huán)境預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)；

7、對(duì)所述海洋環(huán)境預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)、所述風(fēng)浪預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)和所述風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合及數(shù)據(jù)同化處理，得到風(fēng)浪流預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

8、結(jié)合第一方面，在本技術(shù)第一方面的第一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述對(duì)獲取的原始?xì)庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)設(shè)的模擬區(qū)域的初始條件數(shù)據(jù)和邊界條件數(shù)據(jù)，包括：

9、對(duì)所述原始?xì)庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，得到清洗氣象數(shù)據(jù)；

10、對(duì)所述清洗氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，得到網(wǎng)格化氣象數(shù)據(jù)；

11、對(duì)所述網(wǎng)格化氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間插值，得到時(shí)間均勻分布的氣象數(shù)據(jù)；

12、對(duì)所述時(shí)間均勻分布的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖投影轉(zhuǎn)換，得到投影氣象數(shù)據(jù)；

13、通過(guò)自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化算法對(duì)所述投影氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，得到多分辨率網(wǎng)格氣象數(shù)據(jù)；

14、對(duì)所述多分辨率網(wǎng)格氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行地形修正，得到修正氣象數(shù)據(jù)；

15、對(duì)所述修正氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界層參數(shù)化處理，得到邊界層參數(shù)化氣象數(shù)據(jù)；

16、對(duì)所述邊界層參數(shù)化氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，得到所述預(yù)設(shè)的模擬區(qū)域的初始條件數(shù)據(jù)和邊界條件數(shù)據(jù)。

17、結(jié)合第一方面，在本技術(shù)第一方面的第二種實(shí)現(xiàn)方式中，所述對(duì)所述初始條件數(shù)據(jù)和所述邊界條件數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣模式模擬，得到海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和大氣參數(shù)數(shù)據(jù)，包括：

18、對(duì)所述初始條件數(shù)據(jù)和所述邊界條件數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬參數(shù)設(shè)置，得到模擬配置數(shù)據(jù)；

19、對(duì)所述模擬配置數(shù)據(jù)進(jìn)行物理過(guò)程參數(shù)化處理，得到物理過(guò)程參數(shù)化數(shù)據(jù)；

20、對(duì)所述物理過(guò)程參數(shù)化數(shù)據(jù)進(jìn)行嵌套網(wǎng)格劃分，得到多尺度網(wǎng)格數(shù)據(jù)；

21、對(duì)所述多尺度網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算，得到原始模擬結(jié)果數(shù)據(jù)；

22、通過(guò)四維變分同化算法對(duì)所述原始模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，得到同化模擬結(jié)果數(shù)據(jù)；

23、對(duì)所述同化模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行海氣界面通量計(jì)算，得到海氣交互數(shù)據(jù)；

24、對(duì)所述海氣交互數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界層參數(shù)診斷，得到邊界層特征數(shù)據(jù)；

25、對(duì)所述邊界層特征數(shù)據(jù)進(jìn)行海面風(fēng)場(chǎng)提取，得到所述海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)；

26、對(duì)所述邊界層特征數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣要素計(jì)算，得到所述大氣參數(shù)數(shù)據(jù)。

27、結(jié)合第一方面，在本技術(shù)第一方面的第三種實(shí)現(xiàn)方式中，所述對(duì)所述海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和所述大氣參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理和插值，得到風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)，包括：

28、對(duì)所述海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值檢測(cè)，得到異常值標(biāo)記數(shù)據(jù)；

29、對(duì)所述異常值標(biāo)記數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值修正，得到修正風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)；

30、對(duì)所述修正風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間尺度調(diào)整，得到高時(shí)間分辨率風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)；

31、通過(guò)arakawa網(wǎng)格轉(zhuǎn)換算法對(duì)所述高時(shí)間分辨率風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格轉(zhuǎn)換，得到轉(zhuǎn)換網(wǎng)格風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)；

32、對(duì)所述轉(zhuǎn)換網(wǎng)格風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行海氣邊界層參數(shù)計(jì)算，得到邊界層特征參數(shù)數(shù)據(jù)；

33、對(duì)所述邊界層特征參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)應(yīng)力計(jì)算，得到海面風(fēng)應(yīng)力數(shù)據(jù)；

34、對(duì)所述海面風(fēng)應(yīng)力數(shù)據(jù)和所述大氣參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合處理，得到耦合大氣驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)；

35、對(duì)所述耦合大氣驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，得到風(fēng)浪模型輸入格式數(shù)據(jù)；

36、對(duì)所述風(fēng)浪模型輸入格式數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制檢查，得到所述風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)。

37、結(jié)合第一方面，在本技術(shù)第一方面的第四種實(shí)現(xiàn)方式中，所述對(duì)所述風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)浪模型耦合與模擬，得到風(fēng)浪預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，包括：

38、對(duì)所述風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)初始化，得到風(fēng)浪模型初始參數(shù)；

39、對(duì)所述風(fēng)浪模型初始參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到多尺度計(jì)算網(wǎng)格數(shù)據(jù)；

40、對(duì)所述多尺度計(jì)算網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行海底地形插值，得到地形修正網(wǎng)格數(shù)據(jù)；

41、對(duì)所述地形修正網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界條件設(shè)置，得到邊界約束條件數(shù)據(jù)；

42、通過(guò)譜平衡方程對(duì)所述邊界約束條件數(shù)據(jù)進(jìn)行波能演化計(jì)算，得到波譜演化數(shù)據(jù)；

43、對(duì)所述波譜演化數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性相互作用計(jì)算，得到波-波相互作用數(shù)據(jù)；

44、對(duì)所述波-波相互作用數(shù)據(jù)進(jìn)行波-流相互作用計(jì)算，得到波流耦合數(shù)據(jù)；

45、通過(guò)自適應(yīng)時(shí)間步長(zhǎng)算法對(duì)所述波流耦合數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值積分，得到風(fēng)浪場(chǎng)演化數(shù)據(jù)；

46、對(duì)所述風(fēng)浪場(chǎng)演化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到風(fēng)浪統(tǒng)計(jì)特征數(shù)據(jù)；

47、對(duì)所述風(fēng)浪統(tǒng)計(jì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，得到所述風(fēng)浪預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)。

48、結(jié)合第一方面，在本技術(shù)第一方面的第五種實(shí)現(xiàn)方式中，所述對(duì)所述風(fēng)浪預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)和所述風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行海流模型耦合與模擬，得到海洋環(huán)境預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，包括：

49、對(duì)所述風(fēng)浪預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)和所述風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到海流模型輸入數(shù)據(jù)；

50、對(duì)所述海流模型輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格適配處理，得到海流計(jì)算網(wǎng)格數(shù)據(jù)；

51、對(duì)所述海流計(jì)算網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行初始場(chǎng)構(gòu)建，得到海流初始狀態(tài)數(shù)據(jù)；

52、對(duì)所述海流初始狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界條件設(shè)置，得到海流邊界約束數(shù)據(jù)；

53、通過(guò)動(dòng)量方程對(duì)所述海流邊界約束數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)計(jì)算，得到流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)；

54、對(duì)所述流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行熱鹽擴(kuò)散計(jì)算，得到溫鹽場(chǎng)演化數(shù)據(jù)；

55、對(duì)所述溫鹽場(chǎng)演化數(shù)據(jù)進(jìn)行密度場(chǎng)計(jì)算，得到海水密度分布數(shù)據(jù)；

56、通過(guò)斜壓梯度力算法對(duì)所述海水密度分布數(shù)據(jù)進(jìn)行斜壓流計(jì)算，得到斜壓流場(chǎng)數(shù)據(jù)；

57、對(duì)所述斜壓流場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐力計(jì)算，得到潮流場(chǎng)數(shù)據(jù)；

58、對(duì)所述潮流場(chǎng)數(shù)據(jù)和所述斜壓流場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，得到所述海洋環(huán)境預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)。

59、結(jié)合第一方面，在本技術(shù)第一方面的第六種實(shí)現(xiàn)方式中，所述對(duì)所述海洋環(huán)境預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)、所述風(fēng)浪預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)和所述風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合及數(shù)據(jù)同化處理，得到風(fēng)浪流預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，包括：

60、對(duì)所述海洋環(huán)境預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空一致性檢查，得到校正海洋環(huán)境數(shù)據(jù)；

61、對(duì)所述風(fēng)浪預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析，得到風(fēng)浪統(tǒng)計(jì)特征數(shù)據(jù)；

62、對(duì)所述風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列分解，得到多尺度驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)；

63、通過(guò)小波變換算法對(duì)所述校正海洋環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度分解，得到海洋環(huán)境多尺度特征數(shù)據(jù)；

64、對(duì)所述海洋環(huán)境多尺度特征數(shù)據(jù)和所述風(fēng)浪統(tǒng)計(jì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行特征融合，得到風(fēng)浪流特征融合數(shù)據(jù)；

65、對(duì)所述風(fēng)浪流特征融合數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)同化，得到同化預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)；

66、對(duì)所述同化預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，得到預(yù)測(cè)誤差分布數(shù)據(jù)；

67、通過(guò)貝葉斯推斷對(duì)所述預(yù)測(cè)誤差分布數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定性量化，得到概率分布預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)；

68、對(duì)所述概率分布預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行極端事件識(shí)別，得到極端事件預(yù)警數(shù)據(jù)；

69、對(duì)所述極端事件預(yù)警數(shù)據(jù)和所述概率分布預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，得到所述風(fēng)浪流預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

70、第二方面，本技術(shù)提供了一種基于氣象模擬的風(fēng)浪流預(yù)測(cè)系統(tǒng)，所述基于氣象模擬的風(fēng)浪流預(yù)測(cè)系統(tǒng)包括：

71、處理模塊，用于對(duì)獲取的原始?xì)庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到預(yù)設(shè)的模擬區(qū)域的初始條件數(shù)據(jù)和邊界條件數(shù)據(jù)；

72、模擬模塊，用于對(duì)所述初始條件數(shù)據(jù)和所述邊界條件數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣模式模擬，得到海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和大氣參數(shù)數(shù)據(jù)；

73、插值模塊，用于對(duì)所述海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和所述大氣參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理和插值，得到風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)；

74、第一耦合模塊，用于對(duì)所述風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)浪模型耦合與模擬，得到風(fēng)浪預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)；

75、第二耦合模塊，用于對(duì)所述風(fēng)浪預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)和所述風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行海流模型耦合與模擬，得到海洋環(huán)境預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)；

76、同化模塊，用于對(duì)所述海洋環(huán)境預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)、所述風(fēng)浪預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)和所述風(fēng)浪模型驅(qū)動(dòng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合及數(shù)據(jù)同化處理，得到風(fēng)浪流預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

77、本技術(shù)提供的技術(shù)方案中，通過(guò)多模型耦合、多尺度數(shù)據(jù)處理和先進(jìn)的數(shù)據(jù)同化技術(shù)，顯著提升了風(fēng)浪流預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性、時(shí)效性和可靠性。首先，該方法采用wrf前處理系統(tǒng)對(duì)原始?xì)庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行全面預(yù)處理，包括定義模擬區(qū)域、計(jì)算格點(diǎn)參數(shù)和插值陸面數(shù)據(jù)等，為后續(xù)模擬提供高質(zhì)量的初始條件和邊界條件，有效提高了大氣模式模擬的準(zhǔn)確性。其次，通過(guò)wrf變分同化系統(tǒng)將不同來(lái)源的氣象觀測(cè)要素與數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品相結(jié)合，使用增量同化技術(shù)和共軛梯度法進(jìn)行極小化運(yùn)算，生成更準(zhǔn)確的大氣要素?cái)?shù)據(jù)資料，顯著改善了海面風(fēng)場(chǎng)預(yù)測(cè)的精度。在風(fēng)浪模型耦合與模擬階段，采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方法，提高了近岸復(fù)雜地形區(qū)域的計(jì)算效率和精度，同時(shí)考慮了潮汐對(duì)波浪的調(diào)制作用，增強(qiáng)了模型對(duì)局地效應(yīng)的描述能力。海流模型耦合與模擬過(guò)程中，引入了波浪應(yīng)力、stokes漂移等因素，更全面地考慮了波浪與流場(chǎng)的相互作用，提高了海流預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，顯著提高了預(yù)測(cè)的空間分辨率和時(shí)間精度，能夠更好地捕捉局地尺度的海洋動(dòng)力過(guò)程，同時(shí)提升了對(duì)快速變化天氣系統(tǒng)的響應(yīng)能力。