本发明属于气象智能网格预报领域，特别涉及一种气象智能网格预报多要素协同方法。
背景技术：
1、传统气象预报是定性的城镇天气预报，预报要素通常只包括天气现象、高低温和风速风向预报，近年发展的智能网格预报是定量的格点化预报，所谓网格预报是指将预报区域划分为5公里×5公里、甚至1公里×1公里的网格，对每个网格开展天气预报，预报要素也扩展到了常规要素(气温、降水、降水相态、风、云量、相对湿度等)、环境气象(雾、霾、沙尘暴、能见度)、灾害性天气(短时强降水、雷暴、雷暴大风、冰雹)和海上要素(海上大风、海上能见度、海上天气现象)等四大类共18个气象要素，预报时效通常为240小时，时间分辨率3小时。
2、气象智能网格预报多要素协同是指不同气象要素预报时保持基本物理机理一致性，避免出现相互矛盾等问题，在网格预报编辑时，当某个要素发生改变时，其他要素也需要按照一定规则改变，例如降水相态的某个格点为降雪，则气温对应的格点值应该≤0℃。
3、气象预报是一项复杂而重要的任务，对于社会经济发展和人民生活质量具有重大影响。随着科技的进步，传统的气象预报方法已经无法满足日益增长的精细化、高分辨率预报需求。网格预报技术的出现为解决这一问题提供了新的思路，但现有的气象智能网格预报技术仍存在一些显著缺点：单一要素预报：大多数现有技术仅关注单一气象要素的预报，如温度、降水或风速等，忽视了气象要素之间的相互影响和关联性。这导致预报结果缺乏整体性和协调性。
4、数据利用不充分：现有方法往往只使用有限的数据源，未能充分利用多源、异构的气象数据，如卫星遥感、雷达观测、地面站点等数据，导致预报精度受限。模型适应性差：传统预报模型对于不同地理环境和气候条件的适应性较差，难以准确捕捉局地天气特征和变化规律。时空分辨率不足：现有技术在提供高时空分辨率预报方面存在困难，难以满足精细化预报的需求，特别是在复杂地形和快速变化的天气系统中表现不佳。预报不确定性评估不足：大多数方法缺乏对预报结果不确定性的有效评估和量化，影响了预报结果的可信度和实际应用价值。计算效率低下：一些高精度预报方法计算复杂度高，难以实现实时预报和快速更新，限制了其在业务化应用中的推广。多尺度预报能力不足：现有技术难以实现从全球到区域、再到局地的多尺度无缝隙预报，影响了预报结果的连贯性和一致性。人机协作不足：大多数自动化预报系统缺乏有效的人机交互机制，难以充分利用预报员的经验和知识来改进预报结果。
5、这些缺点严重制约了气象智能网格预报技术的发展和应用，亟需一种能够实现多要素协同、高精度、高效率的新型预报方法来克服这些限制，提升气象预报的整体水平。
技术实现思路
1、本发明提出一种气象智能网格预报多要素协同方法解决了现有技术中气象智能网格预报为预报员增加了庞大的工作量，每次预报需要编辑订正2000万个格点。不仅网格预报编辑工作量大大增加，而且预报落区位置难以准确把控，使得不同预报要素间难以保持一致性，大大降低预报效率的技术问题。
2、本发明的技术方案是这样实现的：一种气象智能网格预报多要素协同方法，所述方法包括如下步骤：
3、读取由数值模式预报产品、客观预报产品或气象台指导预报形成的智能网格预报初始背景参考场，并在初始背景参考场中建立预报要素；
4、根据预报要素中的参数信息进行要素融合，通过网格值和相态两个量来表征将参数信息中若干参数在要素网格中进行融合；
5、对融合后的要素进行参数修正，对其中的标准融合参数信息进行单一修正，且限制对非标准融合参数信息进行修正，避免后续交叉循环修正；
6、设计多要素协同规则，根据多要素协同规则在同一区域中进行一致化处理，将不同要素间符合物理机理规则进行统一；
7、将进行统一后的网格中预报产品进行备存保留，并将预报产品同步输出。
8、本方案在初始阶段就融合了多种预报产品，包括数值模式预报、客观预报和气象台指导预报。这种多源数据融合approach显著优于传统方法，能够充分利用不同来源的预报信息，提高初始背景场的准确性和代表性。现有技术往往只依赖单一数据源，难以全面反映复杂的大气状态。本方案通过网格值和相态两个量来表征参数信息的融合，这是一种新颖的融合方式。相比现有技术中简单的数值叠加或平均，这种方法能更好地保留各参数的物理特性，提高融合结果的合理性和准确性。对标准融合参数和非标准融合参数采用不同的修正策略。对标准融合参数进行单一修正，而限制对非标准融合参数的修正，这种差异化处理有效避免了交叉循环修正带来的问题。现有技术往往对所有参数采用统一的修正方法，容易导致修正过度或不足。强调了多要素协同规则的设计和应用，这是对现有技术的重大改进。通过在同一区域内对不同要素进行一致化处理，确保预报结果符合物理机理规则，提高了预报的整体一致性和可信度。现有技术往往忽视了要素间的相互关系，导致预报结果在物理上不协调。在同一区域内进行一致化处理，这种方法考虑了局地特征，能更好地反映区域性天气特点。相比之下，现有技术往往采用全局统一的处理方法，难以捕捉局地天气特征。将不同要素间符合物理机理的规则进行统一，这种基于物理机理的约束能显著提高预报结果的合理性和可靠性。现有技术往往缺乏这种物理约束，容易产生不符合实际的预报结果。将统一后的网格预报产品进行备存保留并同步输出，这种做法有利于预报产品的管理、追溯和后续分析。现有技术往往忽视了预报产品的系统化管理，难以进行有效的质量控制和持续改进。通过多个步骤的有机结合，实现了从数据输入、要素融合、参数修正到多要素协同的全流程优化。这种整体协同显著优于现有技术中各环节相对独立的处理方式，能够产生更加一致、合理的预报结果。设计具有较强的适应性和灵活性，可以根据不同区域、不同天气系统的特点调整协同规则和参数修正策略。这种灵活性使得该方法能够适应多样化的预报需求，而现有技术往往缺乏这种适应能力。
9、作为一优选的实施方式，所述预报要素包括24小时最高气温、24小时最低气温、12小时最大风、12小时天气、3小时气温、3小时降水、3小时降水相态、3小时风、3小时云量、3小时相对湿度、3小时雾、3小时霾、3小时沙尘、3小时能见度、3小时短时强降水、3小时雷暴、3小时雷雨大风、3小时冰雹、1小时降水量和1小时气温数据。
10、作为一优选的实施方式，所述要素融合将将3小时降水量、云量、雾、霾、沙尘暴、能见度、短时强降水、雷暴、雷暴大风和冰雹多要素融合为12小时降水及相态，其中12小时降水网格只有降水量信息，并将3小时降水量数据进行积累；12小时相态编码包括雨、雪和雨夹雪，并同时扩展到天气现象、环境气象和灾害性天气信息；其中天气现象包括晴、多云、阴天气，环境气象包括雾、霾、沙尘暴气象，所述灾害性天气信息包括短时强降水、雷暴、雷暴大风、冰雹天气信息。
11、作为一优选的实施方式，在12小时相态编码中，有降水的相态表征灾害性天气，无降水的相态表征天气现象和环境气象，并按照优先级进行权重赋值，优先级权重由高到低分别为：冰雹、雪、阵雪、冻雨、雷阵雨、雨夹雪、阵雨、强沙尘暴、沙尘暴、特强浓雾、强浓雾、浓雾、大雾、轻雾、极重霾、重度霾、中度霾、霾、浮尘、扬沙、阴、多云和晴。
12、作为一优选的实施方式，在进行参数修正时，标准融合参数信息选择对12小时降水及相态、24小时最高气温、24小时最低气温和12小时最大风进行订正或选择订正3小时降水量、3小时气温、3小时相对湿度、3小时风、3小时云量，并在进行降水及相态订正提供无雨、雨、雪和特殊天气订正。
13、作为一优选的实施方式，所述多要素协同规则中设定有12小时降水订正3小时降水规则、日最高气温和最低气温订正3小时气温规则、日最大风订正3小时风规则、3小时气温订正日最高气温和最低气温规则、3小时气温订正1小时气温规则、3小时风订正日最大风规则、3小时降水订正12小时降水、3小时降水订正1小时降水规则、3小时降水和气温订正降水相态规则、降水及相态订正云量规则、降水及相态订正气温规则、降水及相态订正天气现象规则、3小时降水订正3小时相对湿度规则、降水及相态订正霾规则、降水及相态订正雾规则、降水及相态订正能见度规则、降水及相态订正沙尘规则、降水及相态订正冰雹规则、降水及相态订正雷暴规则、降水及相态、风订正雷雨大风规则、降水订正短强规则和降水及相态订正雨雪相态规则。
14、作为一优选的实施方式，所述12小时降水订正3小时降水规则中包括降水量协同规则和降水相态协同规则规则，其中降水量协同规则为根据订正前的12小时内四个3小时降水原值比例，分别计算订正后四个3小时降水量，计算公式如下
15、
16、其中，r3i为订正的第i个3小时降水量，i＝1、2、3、4，r12为订正后的12小时降水量，r3′i为订正前的第i个3小时降水量，r3′1为订正前的第1个3小时降水量，r3′2为订正前的第2个3小时降水量，r3′3为订正前的第3个3小时降水量，r3′4为订正前的第4个3小时降水量。
17、作为一优选的实施方式，其中降水相态协同规则规则包括雪的相态、伴有冰雹的相态、伴有雷暴的相态和特殊天气的相态，其中雪的相态为12小时降水为雨夹雪，3小时温度<＝0时段为雨夹雪，若3小时温度都大于0，取最小值时段为雨夹雪，其它时段为雨；12小时为雪、阵雪，四个3小时降水的相态都为雪；其中伴有冰雹的相态为12小时降水伴有冰雹，对应3小时雨量相态为冰雹；若12小时降水有特殊天气，则四个3小时降水都是特殊天气。
18、采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：气象智能网格预报多要素协同方法具有以下显著的有益效果：提高预报效率：通过多要素融合和协同规则的设计，预报员只需要重点订正少数几个关键要素(如12小时降水及相态、24小时最高/最低气温、12小时最大风)，就能自动生成其他相关要素的预报。这大大减少了预报工作量，提高了预报效率。确保预报一致性：通过设计详细的多要素协同规则，确保了不同要素之间的物理一致性。例如，降水量与相对湿度、气温与降水相态等之间的关系都被考虑在内，避免了预报结果中出现物理矛盾的情况。提高预报精度：通过多源数据融合和多要素协同，充分利用了各种可用信息，有助于提高整体预报精度。特别是在处理复杂天气系统时，这种方法能更好地捕捉各要素之间的相互影响。增强预报的时空连续性：通过对不同时间尺度(如1小时、3小时、12小时、24小时)预报的协调处理，确保了预报结果在时间上的连续性。同时，通过网格化处理，也保证了空间上的连续性。适应性强：该方法能够处理多种天气现象和灾害性天气，包括降水、温度、风、能见度、雾、霾、沙尘、雷暴等，适用范围广，能满足不同地区、不同季节的预报需求。减少人为误差：通过自动化的协同规则，减少了人工干预过程中可能引入的误差，特别是在处理复杂的多要素关系时更为明显。支持精细化预报：通过网格化处理和多要素协同，能够提供更加精细化的预报产品，满足现代社会对高分辨率、多要素天气预报的需求。便于质量控制：由于采用了统一的协同规则，预报结果更加规范化，便于进行质量控制和评估。有利于预报产品的管理和应用：最终保存的网格预报产品便于存储、管理和后续应用，为天气预报服务的进一步拓展提供了基础。促进预报技术的标准化和模块化：这种方法将复杂的预报过程分解为多个步骤和规则，有利于预报技术的标准化和模块化发展，便于未来的升级和优化。
1.一种气象智能网格预报多要素协同方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的一种气象智能网格预报多要素协同方法，其特征在于：所述预报要素包括24小时最高气温、24小时最低气温、12小时最大风、12小时天气、3小时气温、3小时降水、3小时降水相态、3小时风、3小时云量、3小时相对湿度、3小时雾、3小时霾、3小时沙尘、3小时能见度、3小时短时强降水、3小时雷暴、3小时雷雨大风、3小时冰雹、1小时降水量和1小时气温数据。
3.如权利要求1所述的一种气象智能网格预报多要素协同方法，其特征在于：所述要素融合将将3小时降水量、云量、雾、霾、沙尘暴、能见度、短时强降水、雷暴、雷暴大风和冰雹多要素融合为12小时降水及相态，其中12小时降水网格只有降水量信息，并将3小时降水量数据进行积累；12小时相态编码包括雨、雪和雨夹雪，并同时扩展到天气现象、环境气象和灾害性天气信息；其中天气现象包括晴、多云、阴天气，环境气象包括雾、霾、沙尘暴气象，所述灾害性天气信息包括短时强降水、雷暴、雷暴大风、冰雹天气信息。
4.如权利要求3所述的一种气象智能网格预报多要素协同方法，其特征在于：在12小时相态编码中，有降水的相态表征灾害性天气，无降水的相态表征天气现象和环境气象，并按照优先级进行权重赋值，优先级权重由高到低分别为：冰雹、雪、阵雪、冻雨、雷阵雨、雨夹雪、阵雨、强沙尘暴、沙尘暴、特强浓雾、强浓雾、浓雾、大雾、轻雾、极重霾、重度霾、中度霾、霾、浮尘、扬沙、阴、多云和晴。
5.如权利要求1所述的一种气象智能网格预报多要素协同方法，其特征在于：在进行参数修正时，标准融合参数信息选择对12小时降水及相态、24小时最高气温、24小时最低气温和12小时最大风进行订正或选择订正3小时降水量、3小时气温、3小时相对湿度、3小时风、3小时云量，并在进行降水及相态订正提供无雨、雨、雪和特殊天气订正。
6.如权利要求1所述的一种气象智能网格预报多要素协同方法，其特征在于：所述多要素协同规则中设定有12小时降水订正3小时降水规则、日最高气温和最低气温订正3小时气温规则、日最大风订正3小时风规则、3小时气温订正日最高气温和最低气温规则、3小时气温订正1小时气温规则、3小时风订正日最大风规则、3小时降水订正12小时降水、3小时降水订正1小时降水规则、3小时降水和气温订正降水相态规则、降水及相态订正云量规则、降水及相态订正气温规则、降水及相态订正天气现象规则、3小时降水订正3小时相对湿度规则、降水及相态订正霾规则、降水及相态订正雾规则、降水及相态订正能见度规则、降水及相态订正沙尘规则、降水及相态订正冰雹规则、降水及相态订正雷暴规则、降水及相态、风订正雷雨大风规则、降水订正短强规则和降水及相态订正雨雪相态规则。
7.如权利要求6所述的一种气象智能网格预报多要素协同方法，其特征在于：所述12小时降水订正3小时降水规则中包括降水量协同规则和降水相态协同规则规则，其中降水量协同规则为根据订正前的12小时内四个3小时降水原值比例，分别计算订正后四个3小时降水量，计算公式如下
8.如权利要求6所述的一种气象智能网格预报多要素协同方法，其特征在于：其中降水相态协同规则规则包括雪的相态、伴有冰雹的相态、伴有雷暴的相态和特殊天气的相态，其中雪的相态为12小时降水为雨夹雪，3小时温度<＝0时段为雨夹雪，若3小时温度都大于0,取最小值时段为雨夹雪，其它时段为雨；12小时为雪、阵雪，四个3小时降水的相态都为雪；其中伴有冰雹的相态为12小时降水伴有冰雹，对应3小时雨量相态为冰雹；若12小时降水有特殊天气，则四个3小时降水都是特殊天气。
