一种提高大气稳定边界层数值模拟准确率的方法技术

本发明专利技术提供一种提高大气稳定边界层数值模拟准确率的方法，包括：数据优化和方法优化；重建数据处理模块和数据读入模块；重建数据处理模块自动化进行数据质量控制、风速风向转化为UV、根据饱和蒸气压进行垂直方向气压和高度的换算；重建数据读入模块直接读取高时空分辨率观测数据，将地面气象数据和平原站点高时空分辨率观测数据直接读入并处理得到OBSDOMAIN文件。本发明专利技术通过重建一个处理高时空分辨率数据的Improved

【技术实现步骤摘要】
一种提高大气稳定边界层数值模拟准确率的方法


[0001]本专利技术提供一种提高大气稳定边界层数值模拟准确率的方法，具体为气象分析模型


技术介绍

[0002]大气稳定边界层通常伴随着逆温、静风、高温高湿和弱湍流，是导致大气重污染最重要的因素之一。稳定边界层可以发生在多种情形下，稳定边界层内非常弱的湍流及其间歇性能与其他小尺度过程发生相互作用。目前关于重污染期间稳定边界层特征的长期统计研究还暂缺，重污染期间稳定边界层的模拟准确率还有待提高。
[0003]在现有的许多边界层和气象模型中，多采用莫宁
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奥布霍夫相似理论(MOST，Monin
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Obukhov Similarity Theory)来获取低层边界层的平均气象变量。在不稳定和中性大气条件下，这些模式一般可以再现边界湍流及其特征。然而，在稳定的大气条件下，由于对频繁观测到的亚中尺度现象(如重力波、曲流运动、辐射散度、间歇性)的敏感性，莫宁
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奥布霍夫相似理论的应用并不能成功地表征湍流、稳定函数和其他边界层特征。在有莫宁
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奥布霍夫相似理论为基础理论的WRF(Weather Research and Forecasting)模型已在数值模拟界广泛应用于天气预报和空气质量研究。但由于上述原因，它在稳定条件下的边界特性表现出一定的局限性，如对行星边界层(PBL，Planetary Boundary Layer)内部湍流处理不足，造成京津冀地区的污染物浓度爆发式增加时模型低估了污染物浓度；通过模型(例如WRF
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Chem，WRF
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CMAQ)再现日平均浓度的趋势时，稳定边界层(SBL，Stable Boundary Layer)中的污染物浓度被低估，尤其是在夜间。当污染物浓度被错误地低估时，这会影响辐射，进一步影响PBL结构、气候，甚至健康。因此，在稳定边界期间，通过其他途径提高模型模拟精度势在必行。
[0004]松弛逼近方法(Nudging)是提高模型性能的常用方法。观测松弛逼近方法(Observational nudging，OBS
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nudging)是WRF在其四维数据同化系统中的一种选择。它是一种通过在控制方程中附加强迫项，逐渐把模拟结果向观测结果逼近的同化方法，在许多研究中被用于提高模型性能。
[0005]然而，由于当前基准OBS
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nudging模块中的气象观测数据分辨率非常粗糙(通常地面观测数据的时间分辨率位6小时，且只有常规的气象观测站点数据；同样，探空观测数据每天只有00和12UTC 2个时刻且垂直方向上的分辨率为几十或者上百米)。所以，即使选择了OBS
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nudging模块，WRF模型也无法在稳定条件下再现精确的边界层特征。目前的OBS
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nudging在气象要素和湍流交换的模拟研究中仍然存在局限性，这也影响了使用WRF模型的相关研究，包括WRF
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Chem和WRF
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CMAQ的后续模拟研究等。
[0006]随着大气监测方法和设备的进步，气象观测在空间和时间上都具有更高的分辨率。数据可用性的改进为提供高质量的Nudging提供了机会，进而有助于减少模型偏差并更好的再现观测结果。因此构建一个直接处理高时空分辨率数据的OBS
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nudging模块，并应用于稳定边界层的WRF模型研究，能显示更精确的稳定边界层边界的特征，具有重要的理论价
值和现实意义。
[0007]基准同化模块所需的地表观测数据和探空数据来源于美国国家大气研究中心，该数据存储格式为二进制的Bufr格式。数据下载后需经过长时间的数据解码过程，把数据转换成Obs格式，再通过设定namelist.oa文件里相关参数和OBSGRID.EXE计算得到OBSDOMAIN文件，最后用于WRF模式模拟运行。基准同化网址：https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/nudging.html
[0008]该技术存在以下的缺点：
[0009]1)来自NCAR(美国国家大气研究中心，National Center for Atmospheric Research)的原始OBS
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nudging数据具有非常粗略的时间和空间分辨率，华北平原上只有几个站点，地面气象数据每天只有四次。NCAR的探测数据每天仅有两次，在垂直方向上分辨率很低，为几十米至上百米。
[0010]2)基准同化模块处理数据需经过解码过程，时间久，效率慢。
[0011]3)在WRF模型模拟稳定边界层准确率存在不足，耦合原始数据基准同化的WRF模型无法在稳定条件下再现准确的边界层特征。

技术实现思路

[0012]针对上述技术问题，本专利技术提供一种提高大气稳定边界层数值模拟准确率的方法，包括：
[0013](一)数据优化
[0014]地面气象数据(来自中国气象局)：中国气象局华北地区460个站点每小时地面气象观测数据，包括2米温度(T2)、2米相对湿度(RH2)和10米风向和风速(WS10)。
[0015]高空气象数据(来源于自己观测)：华北地区平原站点的高垂直分辨率L波段无线电探空数据(高度间隔为几米，从1000hPa到700hPa，通常有400多层数据)，包括北京时间每天00、03、06、09、12、15、18和21时的温度廓线、相对湿度廓线和风廓线数据。
[0016](二)方法优化
[0017]重建数据处理模块和数据读入模块；
[0018]重建数据处理模块(Datadeal.exe)可自动化进行数据质量控制、风速风向转化为UV、根据饱和蒸气压进行垂直方向气压和高度的换算等；
[0019]重建数据读入模块(Improved
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OBS.exe)可直接读取高时空分辨率观测数据，将地面气象数据和平原站点高时空分辨率观测数据直接读入并处理得到OBSDOMAIN文件；
[0020]重建模块可达到加快时间，提升效率和模拟准确率的目的，尤其是在大气处于稳定的状态时，稳定边界层数值模拟的准确性可大幅提升。
[0021]方法优化具体包括以下步骤：
[0022]第一步：先剔除探空数据中的异常值，运行数据质量控制模块；
[0023]第二步：把地面观测资料以及探空资料所有数据对应的北京时间转换为世界时间UTC，运行时间转换模块；
[0024]第三步：根据饱和蒸汽值、温度和高度等数据计算对应的气压值，运行气压高度转换模块；
[0025]第四步：把探空仪观测到的风向即风量换算为经向以及纬向上的风分量，同时把
摄氏度换成对应的开尔文，运行风温处理模块；
[0026]第五步：使用整合输出模块处理所有经质量控制后的地面观测资料以及探空资料为OBSDOMAIN文件，方便用于后续的real.exe和wrf本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高大气稳定边界层数值模拟准确率的方法，其特征在于，包括：(一)数据优化地面气象数据：中国气象局华北地区460个站点每小时地面气象观测数据，包括2米温度、2米相对湿度和10米风向和风速；高空气象数据：华北地区平原站点的高垂直分辨率L波段无线电探空数据，包括北京时间每天00、03、06、09、12、15、18和21时的温度廓线、相对湿度廓线和风廓线数据；(二)方法优化重建数据处理模块和数据读入模块；重建数据处理模块，自动化进行数据质量控制、风速风向转化为UV、根据饱和蒸气压进行垂直方向气压和高度的换算；重建数据读入模块，直接读取高时空分辨率观测数据，将地面气象数据和平原站点高时空分辨率观测数据直接读入并处理得到OBSDOMAIN文件。2.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐婷婷，万超悦，王艳，刘甚蓝，姜舒荞，彭卓豪，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：