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基于GIS的气象资料分析预报系统设计及其在中尺度模式中的应用

张思进  
【摘要】:在大气科学中,GIS的应用前景非常广泛。本文针对这一问题详细介绍了如何通过“加维匹配”的方法实现GIS基数据与气象基数据的精确链接,并且由此方法开发了直接基于GIS基数据底层操作的大气资料处理分析系统,在导入外部算法之后,可方便快速地对大气资料进行处理分析。通过经验算法,在雷达与卫星监测、中尺度模式模拟等方面做出扩展。同时介绍了针对外部数据格式的接口,从而增加了本系统的兼容性。GIS基数据与气象数据连接的关键在于:基于SHAPE格式GIS基数据的SHX记录的文件头偏移量,对地图矢量层坐标和地图矢量层特征坐标(dBASE)进行匹配,将匹配信息存于数组当中并建立索引,与经过“加维”处理的气象数据坐标索引进行链接。 基于GIS基数据与气象数据的直接链接技术,论文设计并开发了全球大气要素垂直结构可视化模块(V-30)作为大气资料处理分析系统的一部分。同过去软件或产品往往只能单站显示V-30不同的是,全球大气垂直结构可视化模块能够整体反应某一块区域的大气垂直结构,在应用分析上更加直观便捷。本文给出实例,验证了本平台的可操作性。 随后,本文将该系统应用到机载气象雷达的研究中,在实测数据缺失的情况下,模拟了机载雷达相对完整的连续观测过程,并且就机载多普勒/相控阵天气雷达的解速度模糊方案提出了建议。 另外,论文利用GIS平台处理大气资料的便捷性,设计并开发了综合观测资料处理模块与WRF模式的接口,使得针对WRF的气象资料同化更为简易;同时讨论并比较了不同资料同化方案对于最后数值模拟结果的影响。本文研究并提出了一种全新的自动多普勒速度退模糊方案,并且将其应用于雷达资料同化模块的设计当中。 最后利用基于GIS的大气资料综合处理分析系统对2007年7月8日江淮地区的一次暴雨过程进行分析,并进行了数值模拟及雷达资料同化实验。实验结果表明,实际数据的分析,往往更能抓住现象的本质,对天气过程,特别是降水的发生和结束,有着非常好的指示作用。而目前在研究和业务中得到重视的模式输出,虽然有着自己的优势与特点,但考虑到其初始场的不精确性(即便是在高时空密度的资料同化引入后,仍然存在这个问题)、模式方程误差以及一些无法解决的物理参数化过程、特别是模式本身的适用性等问题,导致模式的输出有时显得并不精确。 本文的创新点主要包括: (1)提出一种简易的方法对GIS基数据进行底层操作,从而可以方便地与各种气象数据进行链接;设计了一种全新的MeteoGIS通用格式用于系统外部数据接口; (2)设计并且开发了全球大气要素垂直结构可视化模块;设计了机载气象雷达仿真处理算法,并且将其应用于GIS中,得到完整的可视化仿真结果;同时提出了一种基于不同飞行状态的多普勒速度退模糊方案;另外,提出通过“密度搜索”的方法识别零速度线的思路,并且应用于退速度模糊处理中; (3)基于全球地理信息系统,设计并且集成了自动站,探空站,雷达,卫星的资料同化模块,并且分别对雷达资料3维变分直接同化,雷达资料3维变分间接同化,常规资料3维变分同化对数值模式输出的影响进行了讨论和比较。


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