【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及资料同化领域，尤其涉及一种面向对象框架结构的气象资料同化分析系统。
技术介绍
1、气象资料同化分析系统是一种用于整合和分析气象观测数据和数值模式预报数据的系统。它的主要目的是通过将观测数据与数值模式预报数据相结合，通过一系列的数学和统计方法，来精准地刻画大气状况或为数值预报模式提供精准的初始场以提高气象预报的准确性。气象资料同化分析系统使用观测数据(如气象站观测数据、雷达数据、卫星数据等)和数值模式预报数据作为输入，通过数据同化技术来创建一个最优的初始场。这个初始场包含了气象现象的实际状态，并且能够更好地反映当前的天气状况。通过分析同化后的数据，气象资料同化分析系统可以提供准确的天气状况分析，或为预报系统提供精准的初始场使得预报更加准确，包括短期天气预报和长期气候预测。它可以帮助气象预报员更好地了解天气变化的趋势和特点，提供更准确的预报信息，并且能够帮助减少对人工经验的依赖，提高预报的准确性和可靠性。气象资料同化分析系统在气象预报、气候研究、气象灾害预警等领域具有重要的应用价值，可以帮助提高社会对灾害性天气变化的应对能力，并且对于农业、交通、能源等行业的决策和规划也有重要的指导作用。
2、气象资料同化分析系统是非常复杂的软件系统，需要处理大量的实时观测数据，包括雷达，卫星等等，同时同化方法面对具体的同化问题又有众多的选择。传统的气象资料同化系统都是基于面向过程的，在增加观测，改进同化方法和维护业务运行中，这些系统非常难以灵活地应对。气象资料同化的软件改造成为国际上各个业务中心的迫切需要解决的问题。>
3、面向对象编程(object-oriented programming，oop)是一种以对象为核心概念的软件设计方法和编程范式。这种方法模仿现实世界中的对象，将数据(属性)和操作这些数据的方法(行为)封装在对象中。通过对象间的交互作用，完成整个系统的功能。
4、在面向对象编程中，对象代表了具有特定状态和行为的实体。状态由属性来表示，而行为则通过方法来实现。对象是通过类来定义的，类是对象的蓝图，它规定了对象的属性和方法。面向对象编程语言提供了封装、继承和多态等机制来支持oop。
5、封装是指将对象的实现细节隐藏起来，仅对外公开有限的接口，从而保护对象的内部状态不受外部干扰。
6、继承允许一个类(子类)继承另一个类(父类或超类)的属性和方法，这不仅支持了代码的重用，还使得代码的扩展变得更加容易。
7、多态则意味着对象可以根据不同的上下文环境展现出不同的行为，这增加了代码的灵活性。
8、面向对象的设计思想带来了诸多好处，包括提高了代码的重用性、可维护性、可扩展性和可理解性。它使得复杂的系统可以被分解为一系列更小、更易于管理的对象，从而让程序设计和实现变得更加模块化和灵活。
9、面向对象的方法论已经被广泛应用于软件开发的各个领域，包括桌面应用、web应用、移动应用等，是现代软件工程的基石之一。
10、基于面向对象框架的资料同化分析系统是一种应用面向对象编程思想设计和实现的气象资料同化分析系统。它将气象观测数据和数值模式预报数据作为对象的属性，将数据同化和分析的方法封装为对象的方法，通过对象之间的交互来完成气象资料同化分析的任务。在基于面向对象框架的资料同化分析系统中，观测变量、模式变量、控制变量、观测算子、模式算子、以及输入输出模块与极小化算法被封装为对象，这些对象包括气温、湿度、风速、降水量等。同时，系统在对象的基础上交互组合定义一些方法来进行数据同化和分析，例如卡尔曼滤波、变分同化等方法。基于面向对象框架的资料同化分析系统通过对象之间的交互来完成数据同化和分析的过程。基于面向对象框架的资料同化分析系统具有面向对象编程的优点，包括代码的可重用性、可维护性和可扩展性。它能够将数据和方法封装为对象，提高系统的模块化和灵活性。同时，面向对象的设计思想也能够更好地反映气象资料同化分析的实际需求，提高系统的效率和准确性。
11、这种方法可能存在一些潜在的设计缺陷：面向过程的设计通常以线性步骤组织代码，难以应对复杂性增加的情况。这样的代码结构可能导致难以维护和修改，特别是在项目变得更加庞大和复杂时面向过程的设计在处理变化和新功能时可能缺乏灵活性。当需要添加新功能或调整现有功能时，这种设计方法可能需要重构大量的代码，面向过程的代码常常是以特定任务和步骤为中心，导致难以重用。这可能导致代码重复，并且在不同部分之间难以共享和重用代码段，面向过程的设计常常导致代码之间的耦合度高，即不同部分之间的依赖性强。这可能增加代码的脆弱性，一处变化可能影响整个系统的功能。因此，迫切需要一种基于面向对象框架的资料同化分析系统。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是要提供一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，用以解决现有同化分析系统存在的问题。通过本技术方案提出的多模块设计的同化分析框架，可以实现同化应用中各模块的快速构造，以及多种同化方案的快速构造。此外，本技术方案还拆分各模块，并提出了统一接口的多态性设计，降低了模块间的耦合度，提高了系统的可扩展性。
2、为达到上述目的，本专利技术是按照以下技术方案实施的：
3、本专利技术，包括多个通用模块，所述通用模块通过面向对象框架进行构建。
4、具体包括以下步骤：
5、获取同化参数，所述同化参数采用geometry网格框架模块定义几何或者物理空间，通过几何网格与并行算法并使用mpdd并行通讯模块并行分发汇集以及边界交换计算，所述同化参数包括所需求解分析的控制变量，输入的观测变量，背景误差协方差矩阵，观测误差协方差矩阵，模式空间到观测空间的空间插值算子，模式空间到观测空间的变换算子，控制变量空间内的变换算子，
6、将所述多变量价格函数以及价格函数梯度传递给通用极小化求解器，通过迭代求解，即可获得同化分析场结果后通过模式耦合器输出到数值预报模式初始场文件；
7、价格函数以及价格函数梯度构造为如下形式：
8、
9、当使用四维变分资料同化时，价格函数以及价格函数梯度可构造为如下形式：
10、
11、
12、当使用三维集合变分同化方案时，价格函数以及价格函数梯度可构造为如下形式：
13、
14、极小化算法利用上式中价格函数梯度使得分析场向观测结果收敛，同时，多变量价格函数使与观测位置之外的其他点以协方差矩阵的模态向外扩散影响其他的模式格点。
15、进一步地，所述空间信息封装为几何算法库，并行计算操作封装为并行算法库，当需要使用模式积分变换来推演自变量所在的时间到观测数据坐在的时间，模式积分算子表示为其向前非线性积分算子表示为切线性算子为mx，伴随算子为mtx，因此0时刻的模式变量x0可以通过模式变换算子变换为1时刻：
16、
17、进而可以变换到n时刻：
18、
19、从而与n时刻的观测进极本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，其特征在于，包括多个通用模块，所述通用模块通过面向对象框架进行构建。
2.根据权利要求1所述一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，其特征在于，所述通用模块通过面向对象框架进行构建具体包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，其特征在于，所述空间信息封装为几何算法库，并行计算操作封装为并行算法库，当需要使用模式积分变换来推演自变量所在的时间到观测数据坐在的时间，模式积分算子表示为M，其向前非线性积分算子表示为M(X),切线性算子为MX，伴随算子为MTX，因此0时刻的模式变量X0可以通过模式变换算子变换为1时刻：
4.根据权利要求1所述一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，其特征在于，所述价格函数部分能切换选用3DVar、4DVar，或3DEnVar方案。
5.根据权利要求1所述一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，其特征在于，所述求解器能采用FRCG求解器、LBFGS求解器。
6.根据权利要求1所述一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，
7.根据权利要求1所述一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，其特征在于，所述模式积分算子等，可选择使用静力平衡模式、非静力平衡模式。
8.根据权利要求1所述一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，其特征在于，所述观测输入模块将数据按照经度、纬度、高度、时间、数值的维度配置输入到观测数据的容器之中。
9.根据权利要求1所述一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，其特征在于，所述观测算子模块将系统中的变量数据变换到观测空间上，以确保观测数据的空间一致性。
10.根据权利要求1所述一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，其特征在于，所述模式耦合器将模式输入变量转换为Geometry生成的网格标准变量，以确保分析数据的空间一致性。
...【技术特征摘要】
1.一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，其特征在于，包括多个通用模块，所述通用模块通过面向对象框架进行构建。
2.根据权利要求1所述一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，其特征在于，所述通用模块通过面向对象框架进行构建具体包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，其特征在于，所述空间信息封装为几何算法库，并行计算操作封装为并行算法库，当需要使用模式积分变换来推演自变量所在的时间到观测数据坐在的时间，模式积分算子表示为m，其向前非线性积分算子表示为m(x),切线性算子为mx，伴随算子为mtx，因此0时刻的模式变量x0可以通过模式变换算子变换为1时刻：
4.根据权利要求1所述一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，其特征在于，所述价格函数部分能切换选用3dvar、4dvar，或3denvar方案。
5.根据权利要求1所述一种基于面向对象框架的资料同化分析系统，其特征在于，所述求解器能采用fr...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢元富，秦子龙，吴亚丽，陈继龙，郑风，庞炯明，黄永健，舒婷，
申请(专利权)人：粤港澳大湾区气象监测预警预报中心深圳气象创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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