一种蒸发波导的集合诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种蒸发波导的集合诊断方法，模型选择Babin模型，对5个大气变量分别进行扰动，将所有变量扰动值组合成1个成员数为m的集合体Ein，以集合体Ein中的每一个成员Ein

A Collective Diagnosis Method for Evaporation Waveguide

The invention discloses a set diagnosis method for evaporation duct. The model chooses Babin model to perturb five atmospheric variables separately. The perturbation values of all variables are combined into a set Ein with m members, and each member Ein in the set Ein is used as the set Ein.

【技术实现步骤摘要】
一种蒸发波导的集合诊断方法
本专利技术属于大气环境监测与预报
，具体地说，涉及一种蒸发波导的集合诊断方法。
技术介绍
与悬空波导和表面波导相比，蒸发波导是海上发生概率最高、对舰载雷达和通信系统影响最直接、受到关注最多的一类大气波导。我国东南沿海近海蒸发波导的发生概率为80％～90％，南海发生概率为100％，东海为90％，波斯湾为80％～90％。蒸发波导的高度一般不超过40m，海面蒸发而引起近海面大气湿度随高度锐减是其形成的主要原因。对近海面大气湿度、温度与气压进行密集的垂直观测，是获取蒸发波导信息的最有效手段。然而，近海面垂直观测非常困难，特别是远离海岸且海况较差的开阔海域。因此，基于Monin-Obukhov相似理论的蒸发波导模型被广泛应用。蒸发波导模型中给出了波导参数与大气变量之间的诊断关系，只需要给定海表面温度与近海面某一高度的大气温度、湿度、风速和气压等信息，依据此诊断关系就可以计算波导参数。目前国际上应用比较广泛的蒸发波导模型有PJ模型、MGB模型、Babin模型和NPS模型。我国学者基于它们进行了改进并提出了几种新模型，例如伪折射率模型、UED模型和Flux模型。不同蒸发波导模型间在运用Monin-Obukhov相似理论时，主要区别有普适函数、稳定度修正函数的选取以及尺度参数和表面粗糙度长度的确定方式不同，但几乎都不可避免地面临着一个相同的问题——诊断结果对大气输入参数的微小变化或误差高度敏感。已有研究进一步表明，蒸发波导对输入参数的敏感性与大气层结稳定度有关，不同层结条件下不同输入变量的变化或误差对波导诊断结果大不相同。这有助于了解不同蒸发波导模型的特性与它们的使用条件。然而，在实际使用蒸发波导模型时，如何考虑输入参数误差以及利用模型对误差的敏感性来减少诊断结果的不确定，尚未见到行之有效的解决办法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术针对现有蒸发波导诊断结果对大气输入参数的微小变化或误差高度敏感的问题，提供了一种蒸发波导的集合诊断方法。为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种蒸发波导的集合诊断方法，蒸发波导模型选择Babin模型，具体方法为：步骤1)对Babin模型所需要的5个大气变量分别进行扰动，将所有变量扰动值组合成1个成员数为m的集合体Ein；步骤2)以集合体Ein中的每一个成员Einj作为Babin模型的输入，诊断得到蒸发波导高度Hj与强度Ij，形成高度与强度的诊断结果集合体EH与EI；步骤3)对集合体EH与EI进行概率统计分析，得到集合诊断的波导高度H_Ens与强度I_Ens。进一步地，步骤1)中Babin模型需要5个大气输入变量，即海面6m处的气温Ta、相对湿度RH、风速U、气压P与海表面温度Ts，对5个大气变量分别进行扰动，Ta扰动为Tai(i＝1,na)，na为Ta的扰动数目；RH扰动为RHi(i＝1,nr)，nr为RH的扰动数目；U扰动为Ui(i＝1,nu)，nu为U的扰动数目；P扰动为Pi(i＝1,np)，np为P的扰动数目；Ts扰动为Tsi(i＝1,ns)，ns为Ts的扰动数目；将所有变量扰动值组合成1个成员数为m的集合体Ein，形式如下：Ein＝Ein(Taj,Tsj,RHj,Uj,Pj)(j＝1，m；m＝na×ns×nr×nu×np)。进一步地，集合体成员数m控制在100～200之间。进一步地，以气海温差Ta-Ts的形式来呈现气温Ta，针对中国近海出现的大气变量值，将Ta-Ts、Ts、RH与U进行区间划分；各变量区间以其中间值为代表，进行各变量的单独扰动试验，统计波导诊断结果来确定它们的扰动数目，从而生成集合体Ein。进一步地，气海温差Ta–Ts的区间划分为：A1：≤-7.5，A2：{-7.5,-2.5]，A3:{-2.5,2.5]，A4:{2.5,7.5]，A5:>7.5，其中区间A1中间值规定为-10℃，区间A5的中间值规定为10℃。进一步地，海表面温度Ts的区间划分为：B1:[0,5]，B2:{5,10]，B3:{10,15]，B4:{15,20]，B5:{20,25]，B6:{25,30]，B7:>30，其中区间B7中间值规定为32.5％。进一步地，相对湿度RH的区间划分为：C1:[0,30]，C2:{30,60]，C3:{60,75]，C4:{75,90]，C5:{90,100]。进一步地，风速U的区间划分为：D1:{0,4.5]，D2:{4.5,12]，D3:>12，其中区间D3中间值规定为15m/s。进一步地，步骤3)具体为：EH中各成员之值限制在0.5m～40m之间，将波导高度在0m～40m之间等距划分为8个区间，统计每个区间中波导高度在EH中的概率；按概率将区间从高到低排列，取最前面占60％以上区间的平均值为H_Ens与I_Ens。与现有技术相比，本专利技术可以获得包括以下技术效果：本专利技术集合诊断方法，基于Babin模型并分析了它对气象输入参数的敏感性，引入数值天气预报中集合预报的思路提出了一种蒸发波导的集合诊断方法(Babin_Ens法)。运用它对4个岛屿站点的实测数据进行了波导诊断结果的对比验证，发现：与Babin模型诊断(Babin法)相比，Babin_Ens法诊断的波导高度与强度的均方根误差与偏差皆得到显著改进，高度与强度偏差的平均改进率分别达到了23.49％与19.29％。进一步尝试了首先利用WRF模式预报近海面气象参数，然后运用Babin_Ens法进行蒸发波导的72h数值预报。结果表明，Babin_Ens法明显优于Babin法，具有很好的应用前景。本专利技术蒸发波导的集合诊断方法，通过实测数据的直接诊断应用与波导数值预报应用，检验结果表明此方法可以显著地提高波导信息的诊断准确度。相比于非集合的蒸发波导诊断模型，集合诊断方法具有明显的优势；由于它可以考虑客观存在的大气输入变量的不确定性，在基于大气中尺度天气模式进行蒸发波导的数值预报中有很好的应用前景。当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术中区间组合A3-B2-C3-D2扰动试验结果；图2是本专利技术中示范数据波导高度的集合诊断示意图；图3是本专利技术实施例1中渤海站(a,b)与南海站(c,d)的Babin与Babin_Ens诊断结果的对比图；图4是本专利技术实施例2中东海站-1(a,b)与东海站-2(c,d)的Babin与Babin_Ens诊断结果的对比图；图5是本专利技术实施例2中预报试验WRF区域设置图；图6是本专利技术实施例2中渤海站(a,b)与南海站(c,d)的波导预报结果与观测对比图；图7是本专利技术实施例2中东海站-1(a,b)与东海站-2(c,d)的波导预报结果与观测对比图。具体实施方式以下将配合实施例来详细说明本专利技术的实施方式，藉此对本专利技术如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。本专利技术蒸发波导的集合诊断方法，蒸发波导模型选择Babin模型，Babin模型需要5个大气输入变量，即海面6m处的气温Ta、相对湿度RH、风速U、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种蒸发波导的集合诊断方法，其特征在于，蒸发波导模型选择Babin模型，具体方法为：步骤1)对Babin模型所需要的5个大气变量分别进行扰动，将所有变量扰动值组合成1个成员数为m的集合体Ein；步骤2)以集合体Ein中的每一个成员(记为j)Einj作为Babin模型的输入，诊断得到蒸发波导高度Hj与强度Ij，形成高度与强度的诊断结果集合体EH与EI；步骤3)对集合体EH与EI进行概率统计分析，得到集合诊断的波导高度H_Ens与强度I_Ens。

【技术特征摘要】
1.一种蒸发波导的集合诊断方法，其特征在于，蒸发波导模型选择Babin模型，具体方法为：步骤1)对Babin模型所需要的5个大气变量分别进行扰动，将所有变量扰动值组合成1个成员数为m的集合体Ein；步骤2)以集合体Ein中的每一个成员(记为j)Einj作为Babin模型的输入，诊断得到蒸发波导高度Hj与强度Ij，形成高度与强度的诊断结果集合体EH与EI；步骤3)对集合体EH与EI进行概率统计分析，得到集合诊断的波导高度H_Ens与强度I_Ens。2.如权利要求1所述的集合诊断方法，其特征在于，步骤1)中Babin模型需要5个大气输入变量，即海面6m处的气温Ta、相对湿度RH、风速U、气压P与海表面温度Ts，对5个大气变量分别进行扰动，Ta扰动为Tai(i＝1,na)，na为Ta的扰动数目；RH扰动为RHi(i＝1,nr)，nr为RH的扰动数目；U扰动为Ui(i＝1,nu)，nu为U的扰动数目；P扰动为Pi(i＝1,np)，np为P的扰动数目；Ts扰动为Tsi(i＝1,ns)，ns为Ts的扰动数目；将所有变量扰动值组合成1个成员数为m的集合体Ein，形式如下：Ein＝Ein(Taj,Tsj,RHj,Uj,Pj)(j＝1，m；m＝na×ns×nr×nu×np)。3.如权利要求2所述的集合诊断方法，其特征在于，集合体成员数m控制在100～200之间。4.如权利要求2或3所述的集合诊断方法，其特征在于，以气海温差Ta-Ts的形式来呈现气温Ta，针对中国近海出现的大气变量值，将Ta-Ts、Ts、RH与U进行区...

【专利技术属性】
技术研发人员：高山红，王石，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37