[发明专利]一种基于时空经验正交函数的海洋环境要素统计预测方法

说明书

本发明提供一种基于时空经验正交函数的海洋环境要素统计预测方法，基于待分析预测海域的再分析数据，构建待分析空间的历年逐日海洋动力环境要素时空样本矩阵；利用小波包分解方法，将时空样本矩阵进行多时间尺度分析，得到不同时间尺度的时空样本矩阵；对不同时间尺度的时空样本矩阵进行时空经验函数分解，分别构建对应不同时间尺度的正交时空基底；采用正交时空基底构建面向海洋动力环境要素的时空统计预测模型；利用不同时间尺度的中长期时空分析预测结果进行重构，得到待分析空间的海洋动力环境要素中长期时空分析预测结果。本发明研制一种基于时空经验正交函数的海洋动力环境要素的中长期统计预测模型，提高海洋动力环境要素分析预报能力。

技术领域

本发明涉及海洋动力环境要素预测技术，特别设计一种基于时空经验正交函数(Spatiotemporal Empirical Orthogonal Function,STEOF)分解的海洋动力环境要素中长期统计预测方法。本发明方法主要应用于舰船、水下/水面无人潜器、海上工程等平台在出航时期的海洋动力环境要素分析预报工作，对海面高度、海温、盐度和密度等要素进行时长为三个月的中长期分析预报。

背景技术

海洋预报不仅是一项保障国家海防安全，维护公共社会秩序稳定，为政府提供关于保护、开发及利用海洋环境方面决策的参考信息，提高与海洋相关部门的海洋作业工作效率以及人身和财产安全保障的业务，同时对于国家的海防发展、经济建设、社会稳定、公众健康、海洋环境保护以及海洋资源的开发和利用也具有重要作用。

海洋预报主要包含数值预报和统计预报两种模式。尽管数值预报是现阶段海洋环境预报的主要手段，但存在诸如运算量大、初始条件不精确及受时效性限制等缺点。因此，迫切需要一种相比于数值预报计算量更少、不受到时效性限制的预报方法来实现海洋动力环境要素的快速准确预报。

统计预报方法作为海洋预报中的重要手段之一，当样本数据足够大的时候，其能够不考虑研究对象的物理规律而建立数据驱动的预报模型。因此，统计预报方法不存在类似数值预报方法的物理极限限制等问题。目前，全球各大机构在数值预报方面的研究已经趋于成熟，但是对于延伸期以及中长期的预报无法利用传统的数值预报方法来完成，而需要考虑采用统计预报方法来实现。因此，对于海洋统计分析预报方法的研究是十分必要的，对我国海洋环境的精准预报和海洋信息的及时掌握也有着极为重要的作用。

发明内容

本发明的目的是为了针对舰船、水下/水面无人潜器、海上工程等多平台的海洋环境保障需求，提出了一种小型、快速且有效的海洋动力环境要素中长期分析预报方法。该方法可以有效弥补传统的数值预报方法由于气象驱动时效限制而导致的海洋动力环境要素预报时效较短的缺陷，且预报过程不需要高性能计算平台，对计算资源的占用较少。利用本发明的海洋动力环境要素分析预报方法，可以实现对海洋动力环境要素做出时效性为三个月的统计分析预报，为解决海洋数值预报产品失效后的大范围、长周期海洋动力环境要素预报预测这一技术难题提供技术支撑，并具有较强的科学意义和应用价值。。

本发明的目的是这样实现的：

本发明公开了一种基于小波包分解和时空经验正交函数的海洋环境动力要素中长期统计预测方法：

(1)基于待分析预测海域的再分析数据，构建待分析空间的历年逐日海洋动力环境要素时空样本矩阵；

(2)利用小波包分解方法，将时空样本矩阵进行多时间尺度分析，得到不同时间尺度的时空样本矩阵；

(3)对不同时间尺度的时空样本矩阵进行时空经验函数分解，分别构建对应不同时间尺度的正交时空基底；

(4)采用正交时空基底构建面向海洋动力环境要素的时空统计预测模型；针对不同时间尺度的海洋动力环境要素，采用对应时间尺度的海洋动力环境要素统计预测模型进行中长期时空分析预测；

(5)利用不同时间尺度的中长期时空分析预测结果进行重构，得到待分析空间的海洋动力环境要素中长期时空分析预测结果。