本发明专利技术涉及一种基于能量守恒的随机物理扰动方法，包括如下步骤：1）根据实际需要选定进行数值预报的模式，接着确定模式预报方程中各个参数的最终倾向项的位置；2）在确定了所述参数的位置后再根据扰动形式，通过积分确定所述倾向项的扰动方案，扰动形式的表达式为： ，3）在水平方向上对ε(t)进行二维傅立叶分解，接着滤除高频噪声将其中1至4倍格距的波长的波的系数赋值为0，最后将调整后的系数通过逆傅立叶变换合成新的ε(t)；4）重复步骤3）直至得到各个变量对应的扰动系数，并带入至所述扰动形式的表达式。有益效果为：对完全独立的物理过程进行倾向扰动，目的在于保证模式变量的倾向扰动在能量上的守恒性，使得该方法可改善边界层模式变量的集合离散度，这将显著改善风暴尺度集合预报的预报水平。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及气象预报领域，尤其涉及。
技术介绍
过去的一系列研究表明，风暴尺度集合预报是可行和有效的，但是目前各风暴尺 度集合预报系统的扰动方法还有待完善。如美国风暴分析和预报中心（CAPS)的风暴尺度 集合预报系统，通过提高成员数和分辨率能够提高预报评分，但是其集合扰动方案是固定 的，即各集合成员的初值扰动采用固定的扰动振幅，并且与特定的物理方案匹配；部分集合 成员的侧边界条件由NAM模式短期预报提供，成员间相同的侧边界条件将在一定程度上限 制离散度的发展；另一方面，该系统未考虑侧边界扰动与初值扰动间扰动尺度的不匹配问 题。上述典型问题在各风暴尺度集合预报系统中均有所体现，初值扰动、物理（参数）扰 动、侧边界扰动与初值扰动间的有机结合问题均对于风暴尺度集合预报的成功与否起到关 键作用。 由于初始误差随时间的演变在斜压不稳定和对流不稳定中具有显著地差异，中期 集合扰动方法构造的初始扰动无法在对流系统中快速的增长，也即初始扰动结构与风暴系 统的发展不相适应，进而导致集合成员离散度低于合理的水平；另一方面，风暴尺度的初值 扰动和侧边界扰动的尺度不相适应也将限制初始扰动和集合离散度的增长。多物理过程和 多模式集合有助于改善离散度问题，但是模式的微物理方案中的降水预报变量和微物理过 程的阈值条件判断是不同的，对降水强度和落区范围预报均有显著地影响，针对实时发生 的不同类型风暴系统，采用固定不变的集合配置组合性地选取不同模式微物理方案是盲目 的。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服以上现有技术之不足，提供一种基于能量守恒的随机物理扰 动方法，具体由以下技术方案实现： 所述基于能量守恒的随机物理扰动方法，包括如下步骤： 1)根据实际需要选定进行数值预报的模式，接着确定模式预报方程中各个参数的 最终倾向项的位置； 2)在确定了所述参数的位置后再根据扰动形式，通过积分确定所述倾向项的扰动 方案，扰动形式的表达式为：χ ρ= (1+γ Χ)χ。， 其中X。表示所有所述参数的时间倾向项，X p表示扰动后的时间倾向项，r x表示增 加的扰动，rx自回归函数的形式为其中ε (t)是满 足uniform分布的随机数，每个时次使用不同的随机种子生成，uniform分布的最大值和最 小值设定为〇. 5和-0. 5, σ是扰动的方差函数，随高度变化，分布形态与上述时间倾向的形 态相同； 3)在水平方向上对ε (t)进行二维傅立叶分解，接着滤除高频噪声将其中1至 4倍格距的波长的波的系数赋值为0,最后将调整后的系数通过逆傅立叶变换合成新的 ε (t)； 4)重复步骤3)直至得到各个变量对应的扰动系数rx，并带入至所述扰动形式的 表达式。 所述基于能量守恒的随机物理扰动方法的进一步设计在于，所述步骤1)中，随机 扰动涉及的预报方程包括三个风场分量U，V，W，一个温度变量T以及一个水汽变量Qv。3、 根据权利要求2所述的基于能量守恒的随机物理扰动方法，其特征在于u的预报方程为： 其中可以被扰动的时间倾向项为#D,,，表示次网格湍流参数 化过程输出的u变量的时间倾向，（P *<为u变量的完整时间倾向，为气压梯度力项，-ADV(u)为平流项，%地转偏向力项。 所述基于能量守恒的随机物理扰动方法的进一步设计在于，所述T的预报方程 为： 式中可以被扰动的包括次网格湍流参数化过程的倾向项和微物理方案和 辐射方案的非绝热过程的倾向项~：包括但不限于微物理方案输出的温 度倾向项和辐射方案输出的温度倾向项。其余项不能被扰动，其中（p*0)t为位温的完整 时间倾向项，!为对流项，_ADV( Θ '）为位温的平流项。 所述基于能量守恒的随机物理扰动方法的进一步设计在于，所述Qv的预报方程 为： 式中可以被扰动的包括次网格湍流参数化过程的倾向项和微物理方案 导致的水汽变化的倾向项、，其余各项不能被扰动&和\是水汽的完整时间倾向 项，-ADV(q)是水汽的平流项，（P*Vqq/kh是水汽的通量项。 所述基于能量守恒的随机物理扰动方法的进一步设计在于，所述滤除高频噪声通 过在水平方向上对ε (t)进行二维傅立叶分解，接着将其中1至4倍格距的波长的波的系 数赋值为〇实现。 本专利技术的优点如下： 本专利技术提供的基于能量守恒的随机物理扰动方法对完全独立的物理过程进行倾 向扰动，目的在于保证模式变量的倾向扰动在能量上的守恒性，使得该方法可改善包括边 界层和对流区域内部模式变量的集合离散度，这将显著改善风暴尺度集合预报的预报水 平。与传统的对完整时间倾向的扰动相比，本专利技术的扰动方案能够通过模式本身来平衡加 入的扰动，使得模式的总能量不会发生显著的变化（天气系统尤其是对流系统发展时就包 含了使其消亡的因素，因此在仅仅扰动模式中的一部分物理过程时，模式的其他物理过程 会做出响应的调整，在一定程度上抵消由于人为扰动引入的能量。而传统方案对完整时间 倾向进行扰动，就使得所有物理过程的值都被统一的放大或缩小，因此无法保证能量的守 恒）。同时，本专利技术的扰动方案对不同的物理过程可以根据该过程的特点使用不同的扰动形 态，使得扰动与传统方法相比更具代表性。【具体实施方式】 下面结合具体实施例，进一步阐明本专利技术，本专利技术提供的基于能量守恒的随机物 理扰动方法主要包括： 1)根据实际需要选定进行数值预报的模式，接着确定模式预报方程中各个参数的 最终倾向项的位置； 2)在确定了所述参数的位置后再根据扰动形式，通过积分确定所述倾向项的扰动 方案，扰动形式的表达式为：X P= (l+rx)Xc， 其中X。表示所有所述参数的时间倾向项，X p表示扰动后的时间倾向项，r x表示增 加的扰动，rx自回归函数的形式为其中ε (t)是满 足uniform分布的随机数，每个时次使用不同的随机种子生成，uniform分布的最大值和最 小值设定为〇. 5和-0. 5, σ是扰动的方差函数，随高度变化，分布形态与上述时间倾当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于能量守恒的随机物理扰动方法，其特征在于包括如下步骤：1）根据实际需要选定进行数值预报的模式，接着确定模式预报方程中各个参数的最终倾向项的位置；2）在确定了所述参数的位置后再根据扰动形式，通过积分确定所述倾向项的扰动方案，扰动形式的表达式为：Xp＝(1+rX)Xc，其中Xc表示所有所述参数的时间倾向项，Xp表示扰动后的时间倾向项，rX表示增加的扰动，rX自回归函数的形式为其中ε(t)是满足uniform分布的随机数，每个时次使用不同的随机种子生成，uniform分布的最大值和最小值设定为0.5和‑0.5，σ是扰动的方差函数，随高度变化，分布形态与上述时间倾向的形态相同；3）在水平方向上对ε(t)进行二维傅立叶分解，接着滤除高频噪声将其中1至4倍格距的波长的波的系数赋值为0，最后将调整后的系数通过逆傅立叶变换合成新的ε(t)；4）重复步骤3）直至得到各个变量对应的扰动系数rX，并带入至所述扰动形式的表达式。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：闵锦忠，王勇，王世璋，武天杰，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。