基于海洋数值模式和观测资料同化制作MDT方法及系统与流程

基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法及系统
技术领域
1.本发明涉及海洋物理与海上风能资源利用技术领域，具体涉及基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法及系统。


背景技术：

2.海面动力地形是平均海面相对于大地水准面的起伏，是非潮汛因素引起的平均海面的变化。海面地形及其形成机制在大地测量和海洋学研究中具有重要意义，确定海面动力地形的方法主要分为水文法、漂流浮标轨迹以及大地测量法(重力-卫星测高法)三种。
3.在海洋卫星观测与海洋数值模式领域中，缺乏对于地球椭圆球体大地基准面的精准观测，因而以大地为基准面，进行测量和计算得到的海洋动力地形则会由此产生较大的观测误差，尤其是需要长期数据为先决条件的平均动力地形(mean dynamic topography,mdt)，很难具备可行直接观测数据。当前，对于大地基准面和海洋动力地形的直接观测，依靠卫星遥感探测较难准确探测出海洋动力地形受海洋上层物理结构影响产生的变化，以及在近海岸地区受陆地地形影响导致误差较大；而单点的现场测量方式，对于局地的海洋动力地形有较为准确的观测，但缺乏对于全球海洋统一的观测系统以及相应的数据质量标准，很难大范围应用于全球海洋动力地形的研究之中。
4.为此在国内外海洋物理与数值模拟领域中，基本均采用海洋数值模式模拟的海表面高度长期平均值作为mdt的实际替代产品，以此实现基于mdt的其它海洋观测数据与物理分析的应用与研究。然而，在海洋数值模式中，受制于模式自身的物理框架、格点分辨率、参数选取、驱动数据等多种因素的影响，不可避免的会在模拟海平面高度的长期平均值中产生一定程度的偏差，造成与真实的mdt存在差异，从而影响生成出的mdt数据的可靠性及后续应用价值。此外，由海洋数值模式计算生成的mdt，与海洋模式本身对海洋环流以及海洋上层物理结构的刻画和再现能力有着本质的关联，已经有不少研究表明，尤其是在海洋水文特性变化较为剧烈的海域，不同来源的mdt刻画的信息有着明显差别，并可能会导致后续同化其它海洋观测资料产生负效果。


技术实现要素：

5.因此，本发明提供了基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法及系统，基于海洋平均动力地形与大地基准面的物理特性，利用海洋数值模式和观测资料同化方法，通过在海洋数值模式中长期同化海洋温度和盐度廓线现场观测资料，实现了海洋全场物理结构优化调整，能够生成稳定、可靠的mdt数据产品，以解决上述背景中提出的技术问题。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.第一方面，本发明实施例提供基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法，包括：
8.获取海洋现场观测资料，对其进行质量控制和格式转化，得到符合海洋数值模式格式要求的观测资料；
9.基于海洋数值模式的多个预定时刻，对观测资料进行同化，并将同化结果返回海洋数值模式，海洋数值模式持续运行直至达到预设运行时长，得到对应的长期运行数据，从中提取海表面高度变量并计算其平均值，制作生成mdt数据产品。
10.优选地，海洋现场观测资料，包括：海洋温度现场观测资料和海洋盐度廓线现场观测资料。
11.优选地，对其进行质量控制的过程，包括：根据海洋现场观测资料的物理意义设置相应资料阈值，对海洋现场观测资料进行过滤，以及根据海洋现场观测资料相应的经纬度坐标与坐标差异阈值进行差别判断，剔除不满足差别判断的海洋现场观测资料。
12.优选地，对观测资料进行同化的方法，包括：集合卡尔曼滤波同化方法、集合最优插值同化方法、三维变分同化方法和四维变分同化方法。
13.优选地，预设运行时长包括：10年及以上的时间。
14.优选地，长期运行数据为海洋数值模式加入同化结果后持续运行的模拟数据。
15.优选地，海洋数值模式，包括：licom模式、hycom模式和roms模式。
16.第二方面，本发明实施例提供一种基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt系统，包括：
17.数据获取和处理模块，用于获取海洋现场观测资料，对其进行质量控制和格式转化，得到符合海洋数值模式格式要求的观测资料；
18.mdt制作模块，用于基于海洋数值模式的多个预定时刻，对观测资料进行同化，并将同化结果返回海洋数值模式，海洋数值模式持续运行直至达到预设运行时长，得到对应的长期运行数据，从中提取海表面高度变量并计算其平均值，制作生成mdt数据产品。
19.第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行本发明实施例第一方面的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法。
20.第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行本发明实施例第一方面的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法。
21.本发明技术方案，具有如下优点：
22.本发明提供的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法及系统，方法包括：获取海洋现场观测资料对其进行质量控制和格式转化，得到符合海洋数值模式格式要求的观测资料；基于海洋数值模式的多个预定时刻，对观测资料进行同化，并将同化结果返回海洋数值模式，海洋数值模式持续运行直至达到预设运行时长，得到对应的长期运行数据，从中提取海表面高度变量并计算其平均值，制作生成mdt数据产品。本发明提供的制作mdt方法及系统，仅通过海洋数值模式配套资料同化方法，在超级计算机上经过一定时间的运行，对海洋数值模式模拟得到的运行数据进行处理即可以得到相对稳定、准确的mdt数据产品。相比获取难度大且误差较大的卫星反演数据，本发明能够实现高效的替代用，不仅有利于mdt数据支撑开展后续海洋物理与数值模式等研究，还有利于移植至任一海洋数值模式及其资料同化系统。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1本发明实施例中提供的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法的流程示意图；
25.图2本发明实施例中提供的全球argo海洋温度和盐度廓线现场观测的布放点示意图；
26.图3本发明实施例中提供的不同来源的mdt数据产品的全球分布示意图；
27.图4本发明实施例中提供的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt系统的模块组成图；
28.图5本发明实施例中提供的计算机设备一个具体示例的组成图。
具体实施方式
29.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
30.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
31.实施例1
32.本发明实施例提供基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法，如图1所示，该方法包括：
33.步骤s1：获取海洋现场观测资料，对其进行质量控制和格式转化，得到符合海洋数值模式格式要求的观测资料。
34.在本实施例中，海洋现场观测资料，包括：海洋温度现场观测资料和海洋盐度廓线现场观测资料。需要说明的是，海面动力地形是平均海面相对于大地水准面的起伏，其主要与海表面高度有关，故本发明实施例中海洋现场观测资料选择垂直的廓线观测，包括海洋温度现场观测资料和海洋盐度廓线现场观测资料，用于刻画海表面高度的变化。
35.在本实施例中，海洋温度现场观测资料和海洋盐度廓线现场观测资料均通过argo(array for real-time geostrophic oceanography)数据获取，仅作为举例，不以此为限。具体地，图2为全球argo海洋温度和盐度廓线现场观测的布放点示意图，由图可知，所有点位为具有海洋温度和盐度廓线观测的位置，表明该argo数据尽管为离散分布，但目前已基本覆盖全球海洋。
36.在本实施例中，对海洋现场观测资料进行质量控制的过程，包括：根据海洋现场观测资料的物理意义设置相应资料阈值，对海洋现场观测资料进行过滤，以及根据海洋现场
观测资料相应的经纬度坐标与坐标差异阈值进行差别判断，剔除不满足差别判断的海洋现场观测资料。一具体实施例中，根据海洋温度现场观测资料和海洋盐度廓线现场观测资料的物理意义，设置海洋温度的资料阈值为低于-2度和高于40度的温度，海洋盐度的资料阈值为低于2psu和高于38.5psu的盐度，依据上述资料阈值对海洋现场观测资料进行过滤处理；以及设置海洋温度坐标差异阈值为小于0.1度和海洋盐度坐标差异阈值为小于0.1psu，即观测资料的坐标差异阈值小于0.1度和0.1psu的数据，认为是重复观测资料，即该海洋现场观测资料不满足差别判断，予以剔除，上述描述涉及的数值均作举例说明，不以此为限制，依据实际应用需求适应性调整。
37.此外，对海洋现场观测资料进行格式转化，其具体的格式要求需要根据不同的数值确定，在本实施例中，海洋数值模式，包括：licom模式、hycom模式和roms模式，仅作为举例说明，依据实际应用需求适应性修改。需要说明的是，海洋数值模式为针对海洋的建成的模型，目的是提供能够模拟大尺度风生环流和热盐环流等，本发明实施例中采用的海洋数值模式均为领域内常用的数值模式，其中，licom模式为中国科学院大气物理研究所研发的海洋数值模式，hycom模式为美国海军研发的海洋数值模式，roms模式为noaa研发的海洋数值模式。一具体实施例中，海洋数值模式选择licom模式，其海洋现场观测资料的格式要求为二进制文件格式，故对海洋现场观测资料进行转换后即可得到符合licom模式要求的观测资料，仅作为举例说明，不以此为限制。
38.步骤s2：基于海洋数值模式的多个预定时刻，对观测资料进行同化，并将同化结果返回海洋数值模式，海洋数值模式持续运行直至达到预设运行时长，得到对应的长期运行数据，从中提取海表面高度变量并计算其平均值，制作生成mdt数据产品。
39.在本实施例中，对观测资料进行同化的方法，包括：集合卡尔曼滤波同化方法、集合最优插值同化方法、三维变分同化方法和四维变分同化方法，仅作为举例说明，依据实际应用需求确定。
40.在本实施例中，预设运行时长包括：10年及以上的时间。具体地，海洋数值模式持续运行直至达到10年及以上的时间，可得到对应的长期运行数据，在本实施例中，长期运行数据为海洋数值模式加入同化结果后持续运行的模拟数据，对该模拟数据进行海表面高度变量提取并计算其平均值的处理，用于制作生成mdt数据产品。
41.一具体实施例中，海洋数值模式选择licom模式，通过长时间同化argo海洋温度和盐度廓线现场观测资料后得到的模拟结果，用于制作生成稳定、可靠的mdt数据产品。
42.具体地，对观测资料进行同化的方法选择集合最优插值同化方法，其基本理论方程为：
43.λa＝λb+α(c
×
b)p
t
(αp(c
×
b)p
t
+r)-1
(λ
o-pλb)
44.其中，λ代表模式状态量，模式状态量包括海洋温度和盐度变量，上标a、b和o分别代表分析(模式调整后)、原始(模式调整前)和观测，b代表模式全场误差矩阵(基于海洋数值模式获得)，c代表无量纲函数，用于对模式全场误差矩阵b进行区域简化，p代表观测算子，用于对观测数据按模式要求格式进行调整，t代表矩阵转置符号，r代表观测协方差矩阵，α代表相对系数，用来调整模式原本误差和观测误差之间的相对大小，本发明实施例中α取值为0.5，仅作为举例说明，依据实际应用需求适应性调整。
45.根据上述集合最优插值同化的基本理论方程，由于海洋上的海洋温度和盐度廓线
现场观测资料密集分布于全球各大洋，并且观测深度最高可至3000米，充分表征了相关测点附近海域的海洋中、上层物理特征，所以在海洋数值模式积分运行的过程中，定期同化加入海洋温度和盐度廓线现场观测资料，能够有效实现对于海洋物理结构的更为客观、真实的模拟与刻画，经过对于海洋较长时间的模拟(大于10年)后，将全部模拟结果中的海表面高度数据进行提取，并计算出其长期平均值，即可得到较为真实、可靠的mdt数据产品。
46.mdt数据产品具体制作过程，包括：
47.1、下载argo海洋温度、盐度廓线现场观测资料进行存储；
48.2、对argo海洋温度、盐度廓线现场观测资料进行质量控制、剔除误差较大、明显不符合实际的数据，并制作为符合licom模式读取的二进制文件格式；
49.3、在海洋数值模式licom模式运行的任意时刻，即同化的预定时刻需要说明的是，该时刻在此不做具体限制，可根据不同研究和应用场景需要进行设定；通过集合最优插值同化方法对argo海洋温度、盐度廓线现场观测资料进行同化，用于实现海洋物理结构的整体调整；
50.4、将同化后得到较好调整的数据返输回海洋数值模式licom模式，licom模式继续运行，直至下一个设定进行同化的时刻；
51.5、当海洋数值模式licom模式与同化argo海洋温度、盐度廓线现场观测资料的持续稳定运行，获取10年以上的运行数据并从中提取海表面高度变量，计算海表面高度变量的多年平均值，用于制作生成mdt数据产品。
52.通过上述mdt制作过程，制作生成的mdt如图3所示。需要说明的是，图3中不同的灰度值代表热带太平洋不同的海表高度(单位：m)；图3中上面图为卫星观测资料制作生成的mdt；图3中间图为licom模式长时间自由积分生成的mdt；图3中下面图为本发明实施例制作生成的mdt。由图可知，与卫星观测资料制作生成的mdt，即图3中上面图越像或越接近，即生成的mdt越真实、可靠。尽管图3的三幅图均体现了较为一致mdt分布特征，但本发明实施例制作生成的mdt，能够与卫星观测资料制作生成的mdt分布一致，对以西北太平洋为例的大值区(图3中的实线框区域)，有着较好的再现能力，对于大西洋中部地区(图3中的虚线框区域)，相对于licom模式长时间自由积分生成的mdt，也与卫星观测资料制作生成的mdt分布较为一致。
53.综上，本发明实施例提供的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法，基于目前海洋卫星观测与海洋数值模式领域中，对于海表面与大气基准面精准数据在海洋观测应用和数值模式模拟中实际需求，结合大地基准面和海表面动力地形的物理含义，设计在海洋数值模式中同化加入目前研究及业务领域中常用的海洋温度、盐度廓线现场观测资料的方法，通过长时间的迭代模拟，避得到优化后的海洋整层物理结构的数值模拟长期平均结果，从而免了针对全球大地基准面，因缺乏长期、全面的精准观测所带来的数据误差，实现了通过海洋数值模拟手段，以大地基准面为参考计算生成平均动力地形mdt的可行方法。
54.实施例2
55.本发明实施例提供一种基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt系统，如图4所示，包括：
56.数据获取和处理模块，用于获取海洋现场观测资料，对其进行质量控制和格式转化，得到符合海洋数值模式格式要求的观测资料；此模块执行实施例1中的步骤s1所描述的
方法，在此不再赘述。
57.mdt制作模块，用于基于海洋数值模式的多个预定时刻，对观测资料进行同化，并将同化结果返回海洋数值模式，海洋数值模式持续运行直至达到预设运行时长，得到对应的长期运行数据，从中提取海表面高度变量并计算其平均值，制作生成mdt数据产品；此模块执行实施例1中的步骤s2所描述的方法，在此不再赘述。
58.本发明实施例提供的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt系统，基于海洋平均动力地形与大地基准面的物理特性，利用海洋数值模式和观测资料同化方法，通过在海洋数值模式中长期同化海洋温度和盐度廓线现场观测资料，实现了海洋全场物理结构优化调整，能够生成稳定、可靠的mdt数据产品。
59.实施例3
60.本发明实施例提供一种计算机设备，如图5所示，包括：至少一个处理器501，至少一个通信接口503，存储器504和至少一个通信总线502。其中，通信总线502用于实现这些组件之间的连接通信，通信接口503可以包括显示屏和键盘，可选通信接口503还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器504可以是高速易挥发性随机存取存储器，也可以是非不稳定的存储器，还可以是至少一个位于远离前述处理器501的存储装置。其中处理器501可以执行实施例1的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法。存储器504中存储一组程序代码，且处理器501调用存储器504中存储的程序代码，以用于执行实施例1的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法。
61.其中，通信总线502可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect，简称pci)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，简称eisa)总线等。通信总线502可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图5中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
62.其中，存储器504可以包括易失性存储器(volatile memory)，例如随机存取存储器(random access memory，简称ram)；存储器也可以包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如快闪存储器(flash memory)，硬盘(hard disk drive，简称hdd)或固态硬盘(solid-state drive，简称ssd)；存储器504还可以包括上述种类的存储器的组合。
63.其中，处理器501可以是中央处理器(central processing unit，简称cpu)，网络处理器(network processor，简称np)或者cpu和np的组合。
64.其中，处理器501还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(application-specific integrated circuit，简称asic)，可编程逻辑器件(programmable logic device，简称pld)或其组合。上述pld可以是复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device，简称cpld)、现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，简称fpga)、通用阵列逻辑(generic array logic，简称gal)或其任意组合。
65.可选地，存储器504还用于存储程序指令。处理器501可以调用程序指令，实现如本发明执行实施例1中的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法。
66.本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行实施例1的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read only memory，
简称rom)、随机存储记忆体(random access memory，简称ram)、快闪存储器(flash memory)、硬盘(hard disk drive，简称hdd)或固态硬盘(solid state drive，简称ssd)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
67.显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法，其特征在于，包括：获取海洋现场观测资料，对其进行质量控制和格式转化，得到符合海洋数值模式格式要求的观测资料；基于海洋数值模式的多个预定时刻，对所述观测资料进行同化，并将同化结果返回海洋数值模式，海洋数值模式持续运行直至达到预设运行时长，得到对应的长期运行数据，从中提取海表面高度变量并计算其平均值，制作生成mdt数据产品。2.根据权利要求1所述的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法，其特征在于，所述海洋现场观测资料，包括：海洋温度现场观测资料和海洋盐度廓线现场观测资料。3.根据权利要求2所述的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法，其特征在于，所述对其进行质量控制的过程，包括：根据海洋现场观测资料的物理意义设置相应资料阈值，对所述海洋现场观测资料进行过滤，以及根据海洋现场观测资料相应的经纬度坐标与坐标差异阈值进行差别判断，剔除不满足差别判断的海洋现场观测资料。4.根据权利要求1所述的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法，其特征在于，对所述观测资料进行同化的方法，包括：集合卡尔曼滤波同化方法、集合最优插值同化方法、三维变分同化方法和四维变分同化方法。5.根据权利要求1所述的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法，其特征在于，所述预设运行时长包括：10年及以上的时间。6.根据权利要求1所述的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法，其特征在于，所述长期运行数据为海洋数值模式加入同化结果后持续运行的模拟数据。7.根据权利要求1所述的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法，其特征在于，所述海洋数值模式，包括：licom模式、hycom模式和roms模式。8.一种基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt系统，其特征在于，包括：数据获取和处理模块，用于获取海洋现场观测资料，对其进行质量控制和格式转化，得到符合海洋数值模式格式要求的观测资料；mdt制作模块，用于基于海洋数值模式的多个预定时刻，对所述观测资料进行同化，并将同化结果返回海洋数值模式，海洋数值模式持续运行直至达到预设运行时长，得到对应的长期运行数据，从中提取海表面高度变量并计算其平均值，制作生成mdt数据产品。9.一种计算机设备，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行权利要求1-7中任一所述的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-7中任一所述的基于海洋数值模式和观测资料同化制作mdt方法。

技术总结
本发明公开了基于海洋数值模式和观测资料同化制作MDT方法及系统，方法包括：获取海洋现场观测资料，对其进行质量控制和格式转化，得到符合海洋数值模式格式要求的观测资料；基于海洋数值模式的多个预定时刻，对观测资料进行同化，并将同化结果返回海洋数值模式，海洋数值模式持续运行直至达到预设运行时长，得到对应的长期运行数据，从中提取海表面高度变量并计算其平均值，制作生成MDT数据产品。本发明提供的MDT方法及系统，基于海洋平均动力地形与大地基准面的物理特性，通过在海洋数值模式中长期同化海洋温度和盐度廓线现场观测资料，实现了海洋全场物理结构优化调整，能够生成稳定、可靠的MDT数据产品。可靠的MDT数据产品。可靠的MDT数据产品。


技术研发人员：杜梦蛟 文仁强 梁犁丽 易侃 张子良 张皓 王浩 陈圣哲 殷兆凯 杨恒 李梦杰 刘琨
受保护的技术使用者：中国长江三峡集团有限公司
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/8/4