[发明专利]一种基于信任传播的气象地面要素插值方法

权利要求书

1.一种基于信任传播的气象地面要素插值方法，其特征在于，具体方法步骤如下：

S1、设置概率密度核函数，计算站点密度；

设R为带宽常量，则

以R为带宽，所出现的站点数计算公式：

对式(2)取带宽R＝0.6469，得到雨量观测站沿纬向的密度分布；

对式(2)取带宽R＝0.8150，得到雨量观测站沿经向的密度分布；

取经向带宽Y＝0.8150，纬向带宽X＝0.6469，带入式(3)，得到雨量观测站二维密度分布，所出现的站点数计算公式：

S2、增加虚拟站点：

按照经向带宽Y＝0.8150，纬向带宽X＝0.6469，建立格点场，使用均匀分布随机数产生算法产生插值点；

S3、使用k-NN Barnes二分因子图算法建立因子图；

气象要素分为实测站U、完全站V、格点场P三种类型，三者之间关系用图论中的二分图加以定义：站点-站点二分图：G_UV＝(U，V，E)；站点-格点场二分图：G_VP＝(V，P，E)；

具体包括以下步骤：

S3.1、建立站点-站点因子图：

依据不同要素类别的站点字典、均匀站字典，建立要素站点字典U_i(i＝..7)与均匀站字典V之间的kNN Barnes因子图，R为站点★与k(k＝40)个临近站点的最远距离；r为站点★与某一站点之间的距离，R、r均使用度量函数公式(4)求解：

大地坐标系中任意两点m，n∈M，m＝(x₁，y₁)，n＝(x₂，y₂)的距离可用度量r(m，n)表示为：

x_i，y_i分别代表点的经纬度位置；

带入式(5)，计算每个临近站相对点★的权值w；

S3.2、建立站点一格点场因子图：

将每个站点★取为格点场中的格点，以格点为中心建立k(k＝40)个临近均匀站点V之间的kNN Barnes因子图；

S4、kNN梯度检验：

以S3.1站点-站点因子图为依据，进行站点要素梯度检验，剔除地面自动站数据的错误要素；

S5、引入数值高程数据，使用信任传播算法，在步骤S3.1站点-站点因子图的基础上对站点V进行气象要素插值计算，得到邻近站点海拔高度与高度变化，使用信任传播算法，可得到更加细致的插值；

设点c是代表站点或格点，则插值公式可以表述为：

其中：

y_c是插值后的值，w，x是邻近站点权和观测值；

f(Δx，w，Δh)是邻近站点海拔高度变化的影响，针对不同气象要素有：

气压变化：

气温变化：

湿度变化：

风速除外的其他要素变化：

f(val，w，h)＝val*w*p(h) (10)

S6、运用公式(6-11)，在步骤S3.2站点一格点场因子图的基础上，利用步骤S4计算出的站点V气象要素值，对格点场中各格点进行气象要素插值计算；

S7、计算风速变化量；

对于待分析站点A来说，其临近站B_i(i＝1，2，...m)和A站之间的气压梯度力合力是A点空气水平运动的驱动力，该合力导致A点上风速随时间发生变化；其中站点A的临近站B_i(i＝1，2，...m)根据步骤S3.1站点-站点因子图确定；

S7.1、计算地球自转角速度ω：

ω＝7.292×10^-5s^-1 (12)

S7.2、将ω带入公式(13)，计算地转参数f：

f＝2ω·sinθ_A (13)

其中，θ_A为A站的纬度；

S7.3、计算A，B_i站之间的距离ΔL_i：

其中，θ_A，θ_i，分别为A，B_i站的纬度和经度(单位：度)；R₀为地球半径R₀＝6378.137km；

S7.4、将ΔL_i带入公式(15)，计算X轴正方向与A，B_i站点之间连线的逆时针方向夹角δ_i：

其中，θ_A，θ_i，分别为A，B_i站的纬度和经度；R₀为地球半径R₀＝6378.137km；MOD[]为取两数相除之余数的计算，目的是保证夹角δ_i的取值范围：δ_i∈[0，2π]；

S7.5、将ΔL_i、δ_i带入公式(16)，计算A站与B_i(i＝1，2，...m)站之间在X和Y方向的气压梯度值，和

其中，pA，pi分别为A站和B_i站的本站气压值；

S7.6、根据公式(17)，计算A站的空气密度值pA：

其中，eA，pA，tA分别为A点上的水汽压、气温和本站气压值；

S7.7、将f、ρ、和带入公式(18)，A站与临近站B_i(i＝1，2，...m)之间的气压梯度合力导致A点风速发生变化的数值；