冰物質平衡浮標界面自動化診斷方法與流程
2023-09-20 22:54:50
本發明涉及冰物質平衡浮標，尤其是涉及冰物質平衡浮標(imb)界面自動化診斷方法。
背景技術：
冰物質平衡浮標(imb)已經開始廣泛布放於南北極地區。浮標數據也已被用於檢測冰厚以及具有季節性冰覆蓋的海洋和湖泊的能量平衡研究當中([1]perovichdk,grenfelltc,richtermengeja,etal.thinandthinner:seaicemassbalancemeasurementsduringsheba[m].2003)。到目前為止，對冰物質平衡浮標數據分析都是大量基於人工處理。學者以前對過去冰物質平衡浮標數據的解釋是通過數據解釋數據本身，而非使用一種系統的方式([2]richtermengeja,perovichdk,elderbc,etal.icemass-balancebuoys:atoolformeasuringandattributingchangesinthethicknessofthearcticsea-icecover[j].annalsofglaciology,2006,44(44):205-210(6))。
以往多數情況下，對於冰物質平衡浮標數據所得到不同介質層界面的判斷均基於物理海洋學家主觀的經驗判斷。在判斷過程中，很有可能由於數據使用者的經驗差異，導致對介質層界面的差異性判斷，從而影響了後續研究的客觀性以及研究結論的可靠性。到目前為止，尚無對於冰物質平衡浮標數據的快速處理程序以及自動化界面診斷方法。
技術實現要素：
本發明的第一目的在於提供一種冰物質平衡浮標實時傳輸數據的處理方法。
本發明的第二目的在於提供一種冰物質平衡浮標的時間序列界面診斷方法。
本發明的第三目的在於提供一種冰物質平衡浮標實時界面診斷方法。
所述冰物質平衡浮標實時傳輸數據的處理方法包括以下步驟：
1)將冰物質平衡浮標實時傳輸數據放入與處理程序相同的文件夾；
2)將程序所對應的需處理數據文件名進行修改，然後運行處理程序；
3)得到冰物質平衡浮標探頭數據以及冰物質平衡浮標探頭加熱數據；
4)根據程序提示輸入冰物質平衡浮標工作初始時間，以及界面初始位置；
5)使用冰物質平衡浮標時間序列算法程序布放，計算海冰時間序列算法界面結果；
6)使用冰物質平衡浮標實時算法程序部分，計算海冰實時算法界面結果。
所述冰物質平衡浮標的時間序列界面診斷方法，包括以下步驟：
1)時間序列算法使用matlab語言腳本建立，總共使用5個程序模塊，所述5個程序模塊包括step0，step1，step2，step3，step4；
2)step0負責讀取預處理完畢數據，建立結果儲存目標文件以及結果儲存文件；
3)step1進行數據質量控制，日期格式修改以及simba浮標初始條件與限定條件的用戶輸入；
4)step2是simba海冰浮標界面時間序列算法中上、下界面位置的計算部分：找出在給定搜索範圍內上、下界面所在探頭位置；
5)step3是進行上、下界面所在位置結果檢驗以及上、下界面起始搜索位置矯正，當結果滿足輸入的上、下界面日變化限定條件時，則輸出保存海冰上、下界面結果；
6)若step2的結果被不滿足step3中限定條件，則step4進行step2所得到的結果不滿足限制條件的情況下，相應的界面起始搜索範圍修正，修正完畢之後重新迭代運行step2，以進行海冰上、下界面搜索。
冰物質平衡浮標實時界面診斷方法，包括以下步驟：
1)實時算法使用matlab語言腳本建立，使用7個程序模塊，記為step0，step1，step2，step3，step4，step5，step6；
2)運行step0～step4，利用冰物質平衡浮標前n+1天的浮標數據利用時間序列的算法，計算出step2中最後一次迭代使用的上界面起始搜索探頭位置topnum，與下界面起始搜索探頭位置topnum，通過時間序列算法得到數據第n天的海冰上界面所在位置的探頭編號sensornum1，與第n天的海冰下界面所在位置的探頭編號sensornum2；
3)運行step5，利用得到topnum1與topnum1，分別將兩者與時間序列算法上界面起始搜索探頭位置topnum，時間序列算法下界面起始搜索探頭位置topnum進行比較；若topnum1大於topnum，則第n+1天的上界面即從探頭topnum1向下進行搜索；若topnum1小於topnum，則將topnum的值替換topnum1，第n+1天的上界面即從新得到的探頭topnum1起向下進行搜索；
若topnum1與topnum的差的絕對值小於等於下界面日變化限制條件，則第n+1天的上界面則從探頭topnum1向下進行搜索；topnum1與topnum的差的絕對值大於下界面日變化限制條件，則將topnum的值替換topnum1，第n+1天的上界面即從新得到的探頭topnum1起向下進行搜索；
對與第n+1天的上界面搜索，自給定的上界面搜索起點topnum1起，開始向下尋找，以找到滿足在時間序列算法中所使用的滿足符合處於積雪或者海冰中的探頭溫差序列片段為判定條件來搜索上界面；對第n+1天的下界面搜索，自給定的上界面搜索起點topnum1起，統計從探頭topnum1到溫度鏈底部探頭溫度數量頻次出現最高的溫度作為海冰的冰點，並將探頭topnum1以下中溫度第一個達到冰點的探頭作為海冰的冰底溫度；
4)運行step6進行第n+1天數據的上、下界面計算，利用已知的第n天的上、下界面所在探頭位置作為參考條件，對於上界面第n+1天數據的上界面計算，以第n天的上、下界面所在探頭位置sensornum1(探頭編號)減去n1個探頭數後得到的探頭編號作為第n+1天數據的上界面搜索起始探頭位置topnum1，自該位置向下對上界面進行搜索，其中n1是用戶初始輸入的，在時間序列算法中所使用的最大日降雪厚度；對於上界面第n+1天數據的下界面計算，以第n天的下界面所在探頭位置sensornum2(探頭編號)減去n2個探頭數後得到的探頭編號作為第n+1天數據的下界面搜索起始探頭位置topnum1，自該位置向下對下界面進行搜索，其中n2是用戶初始輸入的，在時間序列算法中所使用的最大日海冰冰底變化厚度(也是下界面日變化限制條件)。
本發明的冰物質平衡浮標實時算法建立在時間序列算法的基礎上，實時算法使用matlab語言腳本建立，總共使用7個程序模塊，記為step0，step1，step2，step3，step4，step5，step6；使用時間序列算法界面診斷結果的最後一次step4迭代中所使用的上界面搜索起始位置(topnum)以及下界面搜索起始位置(topnum)，作為參考搜索位置，step5根據限制條件進行實時算法的n+1天界面起始搜索位置矯正，step6利用第n天實時算法界面結果，計算第n+1天的海冰上、下界面所在位置。
本發明具有以下優點：
1)首次實現了冰物質平衡浮標實時數據進行快速地自動化處理。
2)首次系統地給出了冰物質平衡浮標的兩種診斷方法。
3)時間序列算法可以用於工作周期已經完結的冰物質平衡浮標的界面診斷。
4)實時算法可以用基於浮標實時數據的海冰冰厚、雪厚的實時監測以及預報。
具體實施方式
一、所述冰物質平衡浮標實時傳輸數據的處理方法，包括以下步驟：
1)將冰物質平衡浮標實時傳輸數據放入與處理程序相同的文件夾；
2)將所需處理的數據文件名進行修改，然後運行處理程序；
3)根據程序提示輸入冰物質平衡浮標工作初始時間；
4)得到冰物質平衡浮標探頭數據以及冰物質平衡浮標探頭加熱數據；
5)使用冰物質平衡浮標時間序列算法程序布放，計算海冰時間序列算法界面結果；
6)使用冰物質平衡浮標實時算法程序部分，計算海冰實時算法界面結果。
二、所述冰物質平衡浮標的時間序列界面診斷方法，包括以下步驟：
1)時間序列算法使用matlab語言腳本建立，總共使用5個程序模塊，所述5個程序模塊包括step0，step1，step2，step3，step4；
2)step0負責讀取預處理完畢數據，建立結果儲存目標文件以及結果儲存文件；
3)step1進行數據質量控制，日期格式修改以及simba浮標初始條件與限定條件的用戶輸入；
4)step2是simba海冰浮標界面時間序列算法中上、下界面位置的計算部分：找出在給定搜索範圍內上、下界面所在探頭位置；
5)step3是進行上、下界面所在位置結果檢驗以及上、下界面起始搜索位置矯正，當結果滿足輸入的上、下界面日變化限定條件時，則輸出保存海冰上、下界面結果；
6)若step2的結果被不滿足step3中限定條件，則step4進行step2所得到的結果不滿足限制條件的情況下，相應的界面起始搜索範圍修正，修正完畢之後重新迭代運行step2，以進行海冰上、下界面搜索。
三、冰物質平衡浮標實時界面診斷方法，包括以下步驟：
1)實時算法使用matlab語言腳本建立，使用7個程序模塊，記為step0，step1，step2，step3，step4，step5，step6；
2)運行step0～step4，利用冰物質平衡浮標前n+1天的浮標數據利用時間序列的算法，計算出step2中最後一次迭代使用的上界面起始搜索探頭位置topnum，與下界面起始搜索探頭位置topnum，通過時間序列算法得到數據第n天的海冰上界面所在位置的探頭編號sensornum1，與第n天的海冰下界面所在位置的探頭編號sensornum2；
3)運行step5進行第n+1天數據的上、下界面計算，利用已知的第n天的上、下界面所在探頭位置作為參考條件，對於上界面第n+1天數據的上界面計算，以第n天的上、下界面所在探頭位置sensornum1(探頭編號)減去n1個探頭數後得到的探頭編號作為第n+1天數據的上界面搜索起始探頭位置topnum1，自該位置向下對上界面進行搜索，其中n1是用戶初始輸入的，在時間序列算法中所使用的最大日降雪厚度；對於上界面第n+1天數據的下界面計算，以第n天的下界面所在探頭位置sensornum2(探頭編號)減去n2個探頭數後得到的探頭編號作為第n+1天數據的下界面搜索起始探頭位置topnum1，自該位置向下對下界面進行搜索，其中n2是用戶初始輸入的，在時間序列算法中所使用的最大日海冰冰底變化厚度(也是下界面日變化限制條件)；
4)運行step6，利用得到topnum1與topnum1，分別將兩者與時間序列算法上界面起始搜索探頭位置topnum，時間序列算法下界面起始搜索探頭位置topnum進行比較；若topnum1大於topnum，則第n+1天的上界面即從探頭topnum1向下進行搜索；若topnum1小於topnum，則將topnum的值替換topnum1，第n+1天的上界面即從新得到的探頭topnum1起向下進行搜索；
若topnum1與topnum的差的絕對值小於等於下界面日變化限制條件，則第n+1天的上界面則從探頭topnum1向下進行搜索；topnum1與topnum的差的絕對值大於下界面日變化限制條件，則將topnum的值替換topnum1，第n+1天的上界面即從新得到的探頭topnum1起向下進行搜索；
對與第n+1天的上界面搜索，自給定的上界面搜索起點topnum1起，開始向下尋找，以找到滿足在時間序列算法中所使用的滿足符合處於積雪或者海冰中的探頭溫差序列片段為判定條件來搜索上界面；對第n+1天的下界面搜索，自給定的上界面搜索起點topnum1起，統計從探頭topnum1到溫度鏈底部探頭溫度數量頻次出現最高的溫度作為海冰的冰點，並將探頭topnum1以下中溫度第一個達到冰點的探頭作為海冰的冰底溫度。
本發明的冰物質平衡浮標實時算法建立在時間序列算法的基礎上，實時算法使用matlab語言腳本建立，總共使用7個程序模塊，記為step0，step1，step2，step3，step4，step5，step6；使用時間序列算法界面診斷結果的最後一次step4迭代中所使用的上界面搜索起始位置(topnum)以及下界面搜索起始位置(topnum)，作為參考搜索位置，step5根據限制條件進行實時算法的n+1天界面起始搜索位置矯正，step6利用第n天實時算法界面結果，計算第n+1天的海冰上、下界面所在位置。