基于白谱法提取极区温度极端指数的方法、系统和设备与流程

本发明属于大气观测，更具体地，涉及基于白谱法提取极区温度极端指数的方法、系统和设备。

背景技术：

1、世界气象组织(wmo)整合的气象数据集显示，2023年全球年均温度成为有记录以来最高的一年，在全球气候变化背景下，受海冰和积雪面积的减少带来的辐射增温作用影响具有“北极放大”，北极地区的温度异常显著影响着全球的天气和气候。在整体偏暖背景下，全球出现多次异常偏暖和极端高温事件，特别是夏季北半球多地出现持续高温，冬季北美、欧洲和东亚也出现了极端寒潮和暴风雪事件。北极偏暖使得冷空气更容易南下，造成极端降水、寒潮等，极涡活动会造成极地温度的分布的显著变化，对我国降水有明显影响，有学者从高低纬度冷暖气团配置和相互作用的角度开展了旱涝过程的研究，指出中国夏季大尺度旱涝分布不仅与夏季风和极涡相关，还和两者异常配置进而引起的副热带高压和中高纬度阻塞高压异常模态有关。因此对北极大气温度异常信号的提取是天气气候监测预测的重要内容。

2、极端天气气候事件一般和异常扰动信号相关，北极大气温度存在年际、季节等周期变化特征，这些周期演变会带来正常的天气气候事件的发展，并且周期信号特征相对于异常扰动信号特征为强信号，在提取异常扰动信号时，需要剔除周期信号。受地理和气候条件的限制，北极区域气象常规观测稀少，卫星观测具有全区域覆盖的优势，特别是极轨气象卫星对极区的覆盖频次比中低纬度地区更高。

3、鉴于此，克服上述现有技术所存在的技术缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了基于白谱法提取极区温度极端指数的方法、系统和设备，其目的在于利用白谱法剔除温度周期信号，以提取大气温度异常信号，提高极端天气气候监测和预测的准确度。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了基于白谱法提取极区温度极端指数的方法，所述方法包括：

3、选定目标区域，分别获取所述目标区域内预设时间长度的预设气压层数据和卫星反演温度轨道数据，将所述卫星反演温度轨道数据处理成和所述预设气压层数据一致的格式和精度，得到气压层温度数据；

4、利用所述气压层温度数据进行谱分析，绘制所述目标区域的大气温度谱分析时间序列图，在所述时间序列图中剔除温度周期信号后提取得到大气温度极端指数。

5、优选地，所述获取所述目标区域内预设时间长度的预设气压层数据的方法包括：

6、从数据源中获取所述目标区域内预设时间长度的预设气压层数据，数据源选用大气再分析数据集era5，所述预设气压层选用850hpa气压层，获得日平均温度数据。

7、优选地，所述卫星反演温度轨道数据选取风云系列极轨气象卫星大气垂直观测系统反演得到的温度场。

8、优选地，所述卫星反演温度轨道数据的气压层选用和所述数据源中一致的气压层。

9、优选地，所述利用所述气压层温度数据进行谱分析的方法包括：

10、利用白谱法提取非周期扰动信号，计算公式为：

11、

12、

13、其中，g(t)为原始信号，g'd(t)为原始信号g(t)白谱后提取的扰动信号，原始数据为所述气压层温度数据在所述目标区域内的平均值，gd(t)为扰动信号g'd(t)经过三点平滑后最终提取的扰动信号，t为时间变量，π＝3.1415，penv(ξ)为g(t)气压层温度数据的包络线，p0为penv(ξ)的众数；ξ为傅里叶变换的频率，为g(t)的傅里叶变换，m为时间序列数据扰动信号g'd(t)的第m个数值，j为三点滑动平均时求和符号从0到2的3个数值，j＝0,1,2。

14、优选地，所述绘制所述目标区域的大气温度谱分析时间序列图，在所述时间序列图中剔除温度周期信号后提取得到大气温度极端指数的方法包括：

15、依据所述气压层温度数据进行数据分析，使得所述目标区域内大气温度的周期信号被剔除，从而提取得到大气温度极端指数，时序图中的时间长度至少为1年，所述数据分析的方法包括滤波。

16、优选地，所述目标区域选用区域1(180°w-180°e；60°n-80°n)、区域2(90°e-150°e；50°n-80°n)和区域3(120°w-50°w；50°n-80°n)分别进行大气温度极端指数提取，n为北纬，w为西经，e为东经。

17、优选地，所述气压层温度数据的水平空间分辨率为经度0.25°×纬度0.25°，时间分辨率为1小时。

18、按照本发明的第二方面，提供了基于白谱法提取极区温度极端指数的系统，所述系统包括：

19、数据获取模块，用于获取数据源中目标区域内预设时间长度的预设气压层数据以及获取卫星反演温度轨道数据；

20、数据处理模块，用于将所述卫星反演温度轨道数据处理成和所述预设气压层数据一致的格式和精度，得到气压层温度数据；

21、数据提取模块，用于将所述气压层温度数据进行白谱分析，剔除温度周期信号；

22、数据绘制模块，用于绘制所述目标区域的大气温度白谱分析时间序列图，提取得到大气温度极端指数图。

23、作为对上述方案进一步的完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

24、按照本发明的第三方面，提供了的设备，设备包括：

25、一个或多个处理器；

26、存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。

27、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

28、本发明提出的基于白谱法提取极区温度极端指数的方法使得风云系列极轨气象卫星在北极区域获得观测优势，能够监测北极区域真实大气温度信息，依托风云气象卫星高时效的数据处理能够实现对影响全球极端天气气候事件的北极温度开展实时业务服务，具有时间滞后性小，数据质量高的优点。本发明中将应用于空间天气异常电磁信号的白谱法应用于北极大气极端指数提取，该数据分析方法可有效剔除背景周期信号，提取北极大气异常信号，异常信号对极端天气气候事件的发生发展指示性更好，即偏离正常状态的异常特征。

技术特征：

1.基于白谱法提取极区温度极端指数的方法，其特征在于，所述方法包括：

2.如权利要求1所述基于白谱法提取极区温度极端指数的方法，其特征在于，所述获取所述目标区域内预设时间长度的预设气压层数据的方法包括：

3.如权利要求1所述的基于白谱法提取极区温度极端指数的方法，其特征在于，所述卫星反演温度轨道数据选取风云系列极轨气象卫星大气垂直观测系统反演得到的温度场。

4.如权利要求3所述的基于白谱法提取极区温度极端指数的方法，其特征在于，所述卫星反演温度轨道数据的气压层选用和所述数据源中一致的气压层。

5.如权利要求4所述的基于白谱法提取极区温度极端指数的方法，其特征在于，所述利用所述气压层温度数据进行谱分析的方法包括：

6.如权利要求5所述的基于白谱法提取极区温度极端指数的方法，其特征在于，所述绘制所述目标区域的大气温度谱分析时间序列图，在所述时间序列图中剔除温度周期信号后提取得到大气温度极端指数的方法包括：

7.如权利要求1所述的基于白谱法提取极区温度极端指数的方法，其特征在于，所述目标区域选用区域1(180°w-180°e；60°n-80°n)、区域2(90°e-150°e；50°n-80°n)和区域3(120°w-50°w；50°n-80°n)分别进行大气温度极端指数提取，n为北纬，w为西经，e为东经。

8.如权利要求1所述的基于白谱法提取极区温度极端指数的方法，其特征在于，所述气压层温度数据的水平空间分辨率为经度0.25°×纬度0.25°，时间分辨率为1小时。

9.基于白谱法提取极区温度极端指数的系统，其特征在于，所述系统包括：

10.基于白谱法提取极区温度极端指数的设备，其特征在于，设备包括：

技术总结本发明属于大气观测技术领域，公开了基于白谱法提取极区温度极端指数的方法、系统和设备，所述方法包括：选定目标区域，分别获取所述目标区域内预设时间长度的预设气压层数据和卫星反演温度轨道数据，将所述卫星反演温度轨道数据处理成和所述预设气压层数据一致的格式和精度，得到气压层温度数据；利用所述气压层温度数据进行谱分析，绘制所述目标区域的大气温度谱分析时间序列图，在所述时间序列图中剔除温度周期信号后提取得到大气温度极端指数。本发明可以通过利用白谱法剔除温度周期信号，以提取大气温度异常信号，提高极端天气气候监测和预测的准确度。技术研发人员：王劲松,任素玲,毛冬艳,马亚宇,陈洲,毛田,杨冰韵受保护的技术使用者：国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心）技术研发日：技术公布日：2024/8/27