一种未来变化情景下的晴空颠簸对气候变化的响应分析方法技术

本发明专利技术公开了一种未来变化情景下的晴空颠簸对气候变化的响应分析方法，该方法包括：根据分析需要设定目标区域和时期；获取目标区域和时期下的历史基准期和气候变化响应期的气象参数数据；根据气象参数数据，计算颠簸诊断指数值；根据历史基准期的指数计算结果定义颠簸强度阈值；根据历史基准期强度阈值计算气候变化响应期的颠簸强度占比；计算定量指标从多维度表征响应变化。本发明专利技术分析过程基于全球气候模式模拟、气候变化情景研究、颠簸诊断指数计算和统计分析方法应用等技术，能够广泛应用于气候应对中的湍流变化分析和民航技术领域的飞机颠簸相关研究工作，是一种计算简便、易于理解的定量分析方法。易于理解的定量分析方法。易于理解的定量分析方法。

【技术实现步骤摘要】
一种未来变化情景下的晴空颠簸对气候变化的响应分析方法


[0001]本专利技术涉及气候变化应对与飞机颠簸技术，尤其涉及一种未来变化情景下的晴空颠簸对气候变化的响应分析方法。

技术介绍

[0002]晴空颠簸(Clear
‑
air turbulence，CAT)是指飞机在6000米以上高空所遭遇的与对流云无关的乱流所引发的飞机颠簸。据资料统计，当前飞机颠簸事件占到与航空气象相关事故的65％，而CAT作为颠簸类型之一则占到24％。多数情况下，CAT湍流区和无湍流区没有明显边界，也没有目视征兆，事先难以察觉。由于发生颠簸时，飞机大多处于巡航阶段，很多乘客会解开安全带活动，客舱服务也在此阶段进行，此时如果遭遇中度及以上强度的CAT，往往会给乘客和机组造成不同程度的伤害。主流理论认为CAT的形成原因主要有切变不稳定、惯性不稳定和山地波破碎，其中切变不稳定占主导地位，尤其在东亚地区的急流中更为明显。
[0003]根据几十年气象资料的观察和IPCC的报告，地球底层大气环境一直在变暖，除太阳辐射的变化等自然因素外，主要原因是人类温室气体排放的增加，其中以二氧化碳(CO2)最具代表性。未来气候变化的预测表明，到2050年，地表温度将上升0.5
‑
2.0K，或是在温室气体排放不减少的情况下上升0.5
‑
4.5K。随着大气的变暖，其他大气过程及相关气象要素也会随之发生伴随的、潜在的深刻变化，例如水平温度梯度的改变，风垂直切变的改变等，而这些过程的变化直接影响着未来大气环境中CAT的强度、发生频率和空间分布等。
[0004]目前CAT的预报主要是通过对大尺度流的数值模拟，利用多种诊断指数进行计算并以高分辨率数值模式输出资料来实现，其中两个世界区域预报中心(伦敦WAFC和华盛顿WAFC)每天输出4次颠簸的全球预报。当前民航部门的CAT预报工作的准确率、精确率和误报率仍有较大提升空间，除了加深对CAT产生的物理机制的理解外，在未来改进预报模式的研究中，有必要加入对气候变化影响的考虑。与此同时，本世纪下半叶的民用航空器设计工作正在当前时期开展，如何应对未来大气环境中CAT的变化，成为飞机制造商无法回避的问题之一。此外，未来的航路规划和航迹优化研究也须增加气候变化所带来的影响约束。当前与之相关的少量研究多选择以工业革命前外强迫水平下驱动的实验和二氧化碳突增实验的大气模式模拟数据开展对比研究，无法较好的反映历史真实情况和多种可能的未来气候变化情景。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种未来变化情景下的晴空颠簸对气候变化的响应分析方法，利用多个定量指标及图像化资料开展响应分析，为气象、航空工业和民航等领域的相关研究和实际工作提供方法支持。该方法基于全球气候模式的模拟数据和颠簸诊断指数，计算定量分析指标，包括图像化资料。值得注意的是，由于切变不稳定是造成CAT的最主要原因，因此本专利技术所使用的技术方案仅关注了切变不稳定的影响，并未考虑惯性不稳
定和山地波破碎等因素。
[0006]技术方案：本专利技术的一种未来变化情景下的晴空颠簸对气候变化的响应分析方法，包括以下步骤：
[0007]S1、确定分析的目标区域和目标时期，其中，目标区域包括水平区域和垂直高度层，目标时期包括历史基准期和气候变化响应期，气候变化响应期为根据研究或分析需要选取的一段时间长度与历史基准期所设定时间长度相同的未来时期；
[0008]S2、获取目标区域在历史基准期及气候变化响应期的栅格气象参数数据；气象参数数据包括风场数据和位势高度数据，其中风场数据包括经向风速和纬向风速数据；
[0009]S3、根据历史基准期和气候变化响应期的气象参数数据，计算所有栅格点的颠簸诊断指数值；
[0010]S4、根据历史基准期数据的颠簸诊断指数值，将颠簸的强度分为5类：轻度、轻中度、中度、中重度、重度，并运用百分位法定义各颠簸诊断指数下各强度的阈值；
[0011]S5、根据确定的颠簸强度阈值，采用绝对阈值法划分气候变化响应期的颠簸诊断指数计算结果，并计算得到各强度湍流的占比；
[0012]S6、计算响应分析定量指标，采用总体强度变化率、总体频率变化率和指数差值图三个定量指标来分别表征气候变化响应期的晴空颠簸对于历史基准期在强度、发生频率和空间分布上的响应变化。
[0013]进一步的，步骤S1中垂直高度层为200hpa～250hpa之间；历史基准期为根据研究或分析需要选取的一段时间长度为10～30年的历史时期。
[0014]进一步的，步骤S2中栅格气象参数数据来源于第六次国际耦合模式比较计划中的全球气候模式，历史基准期数据来源于historical实验，气候变化响应期数据来源于ssp119、ssp126、ssp245、ssp370、ssp434、ssp460、ssp585任一个或多个实验；
[0015]进一步的，步骤S2中栅格气象参数数据的时间分辨率为day，6hr，3hr中任一种，栅格气象参数数据包括所设定目标区域的垂直高度层在内及其上下相邻两层高度层共三层的高度层数据。
[0016]进一步的，步骤S3中颠簸诊断指数为TI1、TI2和Brown(ε)，其计算公式分别为：
[0017]TI1＝S
v
×
D
EF
；
[0018]TI2＝S
V
×
(d
EF
+D
IV
)；
[0019][0020]其中，S
V
，D
EF
，D
IV
，D
SH
，D
ST
，ζ
a
分别为垂直风切变，水平变形项，水平散度，切变变形项，拉伸变形项，绝对涡度。
[0021]进一步的，垂直风切变S
V
，水平变形项D
EF
，水平散度D
IV
，切变变形项D
SH
，拉伸变形项D
ST
，绝对涡度ζ
a
的计算公式分别为：
[0022][0023][0024][0025][0026][0027]ζ
a
＝ζ+f；
[0028][0029]f＝2*7.292*10.^(
‑
5)*sin(y*π/180)；
[0030]其中，u，v，x，y，z，ζ，f分别为纬向风速，经向风速，经度，纬度，位势高度，相对涡度，科氏参数。
[0031]进一步的，步骤S4中百分位法所采用的五种强度对应的百分位数分别为97、99.1、99.6、99.8、99.9，定义历史基准期颠簸强度阈值的具体方法为：将历史基准期所有数据计算出的某个颠簸诊断指数的结果值升序排列，之后分别将97、99.1、99.6、99.8、99.9百分位数定义为该颠簸诊断指数下轻度、轻中度、中度、中重度、重度的阈值，并在其余颠簸诊断指数中重复该过程。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种未来变化情景下的晴空颠簸对气候变化的响应分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定分析的目标区域和目标时期，其中，目标区域包括水平区域和垂直高度层，目标时期包括历史基准期和气候变化响应期，气候变化响应期为根据研究或分析需要选取的一段时间长度与历史基准期所设定时间长度相同的未来时期；S2、获取目标区域在历史基准期及气候变化响应期的栅格气象参数数据；气象参数数据包括风场数据和位势高度数据，其中风场数据包括经向风速和纬向风速数据；S3、根据历史基准期和气候变化响应期的气象参数数据，计算所有栅格点的颠簸诊断指数值；S4、根据历史基准期数据的颠簸诊断指数值，将颠簸的强度分为5类：轻度、轻中度、中度、中重度、重度，并运用百分位法定义各颠簸诊断指数下各强度的阈值；S5、根据确定的颠簸强度阈值，采用绝对阈值法划分气候变化响应期的颠簸诊断指数计算结果，并计算得到各强度湍流的占比；S6、计算响应分析定量指标，采用总体强度变化率、总体频率变化率和指数差值图三个定量指标来分别表征气候变化响应期的晴空颠簸对于历史基准期在强度、发生频率和空间分布上的响应变化。2.根据权利要求1所述的一种未来变化情景下的晴空颠簸对气候变化的响应分析方法，其特征在于，步骤S1中垂直高度层为200hpa～250hpa之间；历史基准期为根据研究或分析需要选取的一段时间长度为10～30年的历史时期。3.根据权利要求1所述的一种未来变化情景下的晴空颠簸对气候变化的响应分析方法，其特征在于，步骤S2中栅格气象参数数据来源于第六次国际耦合模式比较计划中的全球气候模式，历史基准期数据来源于historical实验，气候变化响应期数据来源于ssp119、ssp126、ssp245、ssp370、ssp434、ssp460、ssp585任一个或多个实验。4.根据权利要求1所述的一种未来变化情景下的晴空颠簸对气候变化的响应分析方法，其特征在于，步骤S2中栅格气象参数数据的时间分辨率为day，6hr，3hr中任一种，栅格气象参数数据包括所设定目标区域的垂直高度层在内及其上下相邻两层高度层共三层的高度层数据。5.根据权利要求1所述的一种未来变化情景下的晴空颠簸对气候变化的响应分析方法，其特征在于，步骤S3中颠簸诊断指数为TI1、TI2和Brown(ε)，其计算公式分别为：TI1＝S
V
×
D
EF
；TI2＝S
V
×
(D
EF
+D
IV
)；其中，S
V
，D
EF
，D
IV
，D
sH
，D
ST
，ζ
a
分别为垂直风切变，水平变形项，水平散度，切变变形项，拉伸变形项，绝对涡度。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：王叶，卢双锦华，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：