利索能及
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专利号: 2024109783655
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种协同气象要素影响机制的海气数据耦合方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1、分辨率调整:对低分辨率的HYCOM海洋数据使用双线性插值法进行插值,包括定位目标点位置、计算水平方向的插值及计算垂直方向的插值,用于对齐海洋数据和大气数据的分辨率;

步骤2、近似分析:根据主成分分析法确定影响海洋要素的大气要素及其权重,包括海气数据标准化、计算协方差矩阵、计算特征值和特征向量、选择主成分及计算得分和计算相关系数,确定相关气象要素及其之间的相关系数;

步骤3、耦合值换算:基于步骤2的相关气象要素及其之间的相关系数,得出海洋要素与多个大气要素之间的映射关系,计算出选定范围内相应的耦合值,包括构建映射函数、计算耦合值;

步骤4、海气数据耦合:将处理完的HYCOM海洋数据与ERA5大气数据构建成海气耦合数据;

步骤1具体包括如下步骤:

步骤1.1、定位目标点位置:设要插值的目标点位于原始数据中的位置  ,确定目标点在原始数据中的位置,并且找到其周围的四个最近邻点;

步骤1.2、计算水平方向的插值:首先在水平方向上进行插值,设目标点位于横坐标   的左侧,找到两个最近邻点的横坐标分别为   和  ,其中  ;然后,根据目标点的横坐标与两个最近邻点的相对位置,使用线性插值公式计算出目标点的水平方向上的插值结果:其中,  和   分别是两个最近邻点的值, 是目标点在水平方向上的相对位置,计算方法为   ;

步骤1.3、计算垂直方向的插值:在垂直方向上进行插值,使用与水平方向相同的方法,找到两个最近邻点的纵坐标分别为   和  ,其中  ,然后使用线性插值公式计算出目标点的垂直方向上的插值结果:其中,  和   分别是水平方向插值后得到的两个中间值, 是目标点在垂直方向上的相对位置,计算方法为  ;

步骤2具体包括如下步骤:

步骤2.1、海气数据标准化:假设有   个观测样本,每个样本有   个大气要素变量,表示为一个   的数据矩阵  ,其中每行代表一个样本,每列代表一个变量;对每个变量进行标准化处理,使其均值为0,标准差为1,对于第   个变量  ,标准化公式为:其中, 是变量   的样本均值, 是变量   的样本标准差;

步骤2.2、计算协方差矩阵:计算标准化后的变量之间的协方差矩阵   ,协方差矩阵的元素表示为:其中,  和   分别是样本   中第   个和第   个标准化变量的观测值, 和  分别是第   个和第   个标准化变量的均值;

步骤2.3、计算特征值和特征向量:对协方差矩阵   进行特征值分解,得到特征值  和对应的特征向量   ,特征值分解的公式为:

其中, 是一个对角矩阵,其对角线上的元素是特征值  , 是一个正交矩阵,其列向量是特征向量   ;

步骤2.4、选择主成分及计算得分:根据特征值的大小选择前   个最大的特征值对应的特征向量,构成一个   的矩阵  ,选择的主成分个数是能够解释总方差的高百分的主成分,将标准化后的数据矩阵   与选定的主成分矩阵   相乘,得到   的得分矩阵  ;

步骤2.5、计算相关系数:首先,计算主成分与目标海洋要素之间的协方差,设第  个主成分在样本中的得分向量为  ,其样本均值为  ,则第   个主成分与目标海洋要素之间的协方差表示为:其中,  是经过标准化之后的海洋要素的数据向量,  是样本   在第   个主成分上的得分,  是样本   的目标海洋要素观测值;

 和  分别是第   个主成分和目标海洋要素的样本均值, 是样本数量;

步骤2.6、计算主成分与目标海洋要素之间的相关系数;

步骤2.4中,所述得分矩阵  的元素表示为:

其中,  是样本   在第   个主成分上的得分,  是样本   在第   个标准化变量上的观测值,  是第   个标准化变量与第   个主成分的系数;

步骤2.6具体为:计算主成分与目标海洋要素之间的相关系数,即协方差除以各自的标准差的乘积:其中, 和   分别是第   个主成分和目标海洋要素的样本标准差;

步骤3具体包括如下步骤:

步骤3.1、构建映射函数:根据步骤2得到的  个主成分  和他们与目标海洋要素之间的相关系数  构建目标海洋要素与各主成分的映射函数:

其中, 是函数的系数,  , 是第   个主成分

的标准差, 是误差项;

步骤3.2、计算耦合值:根据构建的映射函数计算出海岸线向内陆延伸范围相应的耦合值。

2.根据权利要求1所述的一种协同气象要素影响机制的海气数据耦合方法,其特征在于,步骤4具体为:将HYCOM海洋数据和ERA5大气数据按高度层进行堆叠,从最底层到最高层分别是海洋最深层到海面,大气最底层到大气最高层,每一层都包含所有大气海洋要素的数据,组成文件。