全球海洋三角形网格的构建方法

摘要

本发明涉及海洋科学与海洋工程数值模拟领域中的全球海洋三角形网格的构建方法。它首先将全球海洋连续分区并对各分区分别进行地理投影变换，然后利用已有平面三角形网格制作方法对上述各个分区分别构建三角形网格，得到相互割裂的三角型网格组成单元，通过合并“共界线”，最后将各三角形网格单元中的三角形顶点和三角形统一编号，完成三角形网格单元的组合，即构建成了全球海洋三角形网格。本发明克服了非平面三角形网格构建的困难，完成了全球海洋三角形网格的构建，成功避免了引入开边界条件，实现了在“关心海域”制作高分辨率三角形网格的目的，为进行精确海洋数值模拟和海洋预报打下了坚实的基础。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋科学与海洋工程数值模拟领域中的全球海洋三角形网格的构建方法。

背景技术

我国拥有300多万平方公里的蓝色国土，海洋面积辽阔、资源丰富，目前急需开发和管理。随着全球气候变化，尤其是海洋气候的变化，近年来我国沿海发生风暴潮等海洋灾害愈加频繁，海洋灾害每年都给我国人民的生命和财产造成巨大损失。另外，随着我国经贸的快速发展，船舶溢油事故和赤潮灾害等海洋环境污染事件频繁发生，给我国渔业生产和海洋生态环境带来了很大压力。因此，研究全球气候变化和近海海洋灾害，对气候变化和近海海洋灾害进行预报，对海洋污染物的分布及运动路径进行预报具有重要意义。实现大范围海域精确的海洋预报，使用计算机进行海洋数值模拟是最有效的方法。然而目前高精度，高分辨率的海洋数值模型均为区域海洋模型，这种模型严重依赖于开边界条件的选取，但是开边界条件又无法客观、准确获得，只能人为调整，适用性很差，主观性较强，预报效果不好。另一方面，目前全球海洋模拟都采用矩形网格，为减小计算量，满足计算能力的要求，网格分辨率较粗，无法对关心海域进行细致的模拟。因此，构建出具有“在关心海域”局部加密，而“其它区域”网格稀疏，无需开边界条件的全球海洋三角形网格，成为必要途径。对于精确海洋预报来说，这是急需解决的关键难题，但是已有的三角形网格构建技术均只限于平面构建，无法完成具有连通性、球面性特征的全球海洋三角形网格的构建而成为精确海洋预报的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是弥补现有三角形网格制作方法的不足，提供构建全球海洋三角形网格的技术——全球海洋三角形网格的构建方法，克服具有连通性和球面性三角形网格构建的困难，以便实现在无开边界的前提下，对“关心海域”采用高分辨率三角形网格进行精确数值模拟和海洋预报的目的。

本发明是对已有平面三角形网格制作方法的改进，针对全球表面呈球面，海洋相互连通的特点，将全球海洋连续分区并对各分区分别进行地理投影变换，然后利用已有平面三角形网格制作方法对上述各个分区分别制作网格，得到相互割裂的三角型网格组成单元，通过合并“共界线”，最后将各三角形网格单元中的三角形顶点和三角形统一编号，完成三角形网格单元的组合后，即构建成了全球海洋三角形网格。

本发明的具体方法或步骤如下：

(1)将全球海洋连续分区并进行各分区相应地理投影变换：将全球海洋连续分区为至少两个无重叠的海域，相邻海域交接处应有地理坐标完全相同的边界线，该线以下称为“共界线”，各海域根据各自地理位置进行投影变换，即将大地坐标(经纬度坐标)转化为局地投影坐标。

(2)利用已有平面三角形网格制作方法在上述各连续分区内分别制作三角形网格，形成多个包括三角形顶点编号和三角形编号的“三角形网格单元”，且制作三角形网格单元时必须满足：在相邻海域共界线上设置地理位置完全相同的三角形顶点。

(3)将步骤(2)中制作的各三角形网格单元中三角形顶点坐标进行与步骤(1)中对应的投影逆变换，即将局地投影坐标转化为统一的大地坐标(经纬度坐标)，以便进行三角形网格单元的组合。

(4)再利用步骤(2)中，相邻海域共界线上设置的相同地理位置三角形顶点，通过共界线依次组合相邻海域三角形网格单元，并进行三角形顶点和三角形的重新编号，以便将各三角形网格单元统一到同一个三角形网格编号系统中，实现全球海洋三角形网格的构建。

本发明克服了非平面三角形网格构建的困难，完成了全球海洋三角形网格的构建，成功避免了引入开边界条件，实现了在“关心海域”制作高分辨率三角形网格的目的，为进行精确海洋数值模拟和海洋预报打下了坚实基础。

附图说明

图1、全球海洋三个连续分区举例示意图。其中a为北极海域三角形网格单元，b为南极海域三角形网格单元，c为中纬度海域三角形网格单元；图1中的数字1-5，所指示的边界线是不同的共界线，相同数字指示的共界线是表示地理位置相同的共界线。

图2、构建成的全球海洋三角形网格从三个不同视角的观察图(例)。

具体实施方式

本发明给出了从全球海洋连续分区到全球海洋三角形网格最终生成的详细步骤，同时为方便描述和理解，作为一个实施例，将全球海洋分为三个连续分区来进行全球三角形网格构建如下：

(1)将全球海洋连续分区并进行各分区相应地理投影变换-根据研究或业务等需要，规划全球海洋连续分区，例如按图1所示连续分区，将全球海洋划分为三个连续海域，分别为北极海域(如图1-a所示)，南极海域(如图1-b所示)和中纬度海域(如图1-c所示)，各海域可以根据需要选择合适的地理坐标投影方式，如北极海域和南极海域采用极地辐射投影，中纬度海域采用圆柱投影等。相邻海域无重叠海域，交接处仅拥有同一条边界线(共界线)，如图1中标号相同的线表示相邻海域交接处的共界线。利用上述的连续分区并在不同分区采用适合具体地理位置的投影方法，解决了全球海洋具有连通性和球面立体特征而无法在一个平面上完成全球海洋三角形网格布设的困难。

(2)利用已有的平面三角形网格制作方法，在各分区内分别制作三角形网格，形成用于构建全球海洋三角形网格的三角形网格单元，三角形网格单元中包括三角形顶点编号和三角形编号等。例如图1-a，图1-b，图1-c所示，分别为北极海域、南极海域和中纬度海域三个分区的三角形网格单元的制作结果。制作三角形网格单元的要求是：1、满足研究和业务等局部加密网格的需要；2、满足相邻海域共界线上三角形顶点的地理位置完全相同的条件，以上是下面步骤中组合三角形网格单元的必要条件。

(3)将上述(2)中的三角形网格单元中三角形顶点坐标进行与步骤(1)中对应的投影逆变换，即将局地投影坐标转化为大地坐标(经纬度坐标)。

(4)最后组合(3)中形成的各三角形网格单元，即将各三角形网格单元依次组合，逐渐形成完整的全球三角形网格。具体过程是先将三角形网格单元合并共界线，然后将三角形网格单元中三角形顶点和三角形重新编号，完成全球海洋三角形网格三角顶点编号和三角形编号的统一，最终构建出全球海洋三角形网格。

合并三角形网格单元共界线的方法是：将某一个三角形网格单元(称为单元A)共界线上的三角形顶点编号对应替换为另一个相邻三角形网格单元(称为单元B)共界线上与其具有相同地理位置的三角形顶点编号。

三角形网格单元中三角形顶点重新编号的一种方法是：按照单元A中三角形顶点编号的顺序，从单元B中三角形顶点编号总数加1开始，将单元A中除单元A与单元B共界线上三角形顶点以外的三角形顶点编号依次增加1，这样对单元A中三角形顶点重新编号，三角形顶点重新编号完毕后，单元A中的三角形顶点的最大编号为单元A中的三角形顶点总数加上单元B中的三角形顶点总数减去两者共界线上三角形顶点总数。

三角形编号的一种方法是：按照单元A中三角形编号的顺序，从单元B中的三角形编号总数加1开始，将单元A中三角形编号依次增加1，这样对单元A中三角形重新编号，三角形重新编号完毕后，单元A中的三角形的最大编号应为单元A中的三角形总数加上单元B中的三角形总数。

这样便完成了三角形网格单元A与三角形网格单元B的组合，形成一个新的三角形网格单元，下面按照如上过程将其他三角形网格单元依次合并入上述新的三角形网格单元，最后便构建成全球三角形网格。

例如将图1-b和图1-c所示的三角形网格单元进行合并后，再将图1-a合并入其中，便可完成全球海洋三角形网格的构建。设图1-b三角形网格单元中共有m个三角形顶点，p个三角形，图1-c三角形网格文件中共有n个三角形顶点，q个三角形，两者共界线4上均共有k个三角形顶点。

4号共界线的合并：将图2-b三角形网格单元中4号共界线上的所有三角形顶点的编号替换为图1-c三角形网格单元中4号共界线上对应的地理位置相同的三角形顶点编号。

三角形顶点和三角形的重新编号：再将图1-b三角形网格单元中的非4号共界线上的三角形顶点编号按照已有的先后顺序，从n+1开始编号，编号到n+m-k号，三角形按照已有先后顺序，从p+1开始编号，编号到p+q。这样便完成了图1-b和图1-c所示三角形网格单元的合并，形成了新的三角形网格单元。

按照以上同样的方法再将1、2、3、5号共界线合并，三角形顶点和三角形重新编号，图1-a合并入以上三角形网格单元，便完成了全球海洋三角形网格的构建，如图2所示。