区域数值预报模式的混合热启动初始场生成方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种区域数值预报模式的混合热启动初始场生成方法及系统，所述方法包括：基于全球模式的预报风场的有效分辨率计算全球模式分辨率的最小可信尺度l

【技术实现步骤摘要】
区域数值预报模式的混合热启动初始场生成方法及系统


[0001]本专利技术涉及天气预报
，尤其涉及一种区域数值预报模式的混合热启动初始场生成方法及系统。

技术介绍

[0002]时空精细化天气预报可以为民航、物流、清洁能源、水务和城市管理等部门提供定点、定时、定量的气象信息。时空精细化天气预报所采用的方式是区域数值预报模式，即在预设预报区域，构建大气热动力场随时间变化的数学模型，之后使用超算技术对构建的数学模型进行大规模数值模拟积分求解。当前，区域数值预报模式的水平分辨率可达到公里至百米级别，预报的时间分辨率可达到小时至分钟级别。
[0003]时空精细化天气预报的内在要求是不断提高区域数值预报模式的精确度。但在长期积分求解区域数值预报模式的过程中，模型误差、初值误差、边界误差和数值计算误差会随着积分时间逐渐积累从而使得该模式模拟的天气系统失真。这其中一个重要的误差来源是普遍使用的牛顿放缩方案引入含有误差的侧边界条件而导致的积累误差。这种误差一方面直接影响了预报气压场、温度场的发展，短时间尺度上，该误差对于中小尺度天气系统来说影响较小，而对于大尺度天气运动则有很大的扭曲，使得区域数值预报模式不能有效反映天气系统的准确位置，造成模拟系统漂移；另一方面也导致了预报水汽分布产生偏差，进而对区域数值预报模式物理过程产生一定程度的影响。这种误差经过长时间数值积分，进一步可以通过能量在尺度间的传递，最终导致区域数值预报模式对各种尺度天气系统预报能力快速降低。
[0004]相对于区域数值预报模式，全球模式虽然模拟分辨率较低(几十到百公里级别)，导致其无法准确反映公里级天气系统的变化；但是由于全球模式模拟了整个地球球面大气状态，并不存在侧边界，所以其对大尺度天气系统的模拟精度要好于区域数值预报模式。为了修正区域数值预报模式的这种不足之处，区域数值预报模式需要不断引入全球模式预报气象场的大尺度信息用于修正其本身的侧边界误差，这是当前时空精细化天气预报的一个关键技术问题。
[0005]区域数值预报模式可以从全球模式中截取关注区域作为初始场数据开始运行，这种方式被称之为冷启动。目前，为了引入全球模式的大尺度信息，传统思路是采用间歇式冷启动的方法，即每隔一段时间使用最新的全球模式预报场作为初始场重启整个区域数值预报模式预报系统，也就间接引入了大尺度信息。这种方法实施简便，只需对预报系统流程进行少量修改。美国、欧洲和中国的多种区域天气预报系统均使用间歇冷启动方式运行。该方式一般每24小时或者12小时重启一次系统，其余预报时刻并不引入全球模式大尺度场，故又称之为部分冷启动，其主要流程如图1所示。
[0006]然而，区域数值预报模式的冷启动方式也带来了一些问题：
[0007]1、全球模式的分辨率一般为几十到百公里级别，较区域数值预报模式分辨率低得多，这导致区域数值预报模式天气预报系统在冷启动阶段必须运行相当长一段时间重新生
成中小尺度系统使得区域数值预报模式重新恢复稳定。这一过程需要使用大量的、额外的计算资源，导致区域数值预报模式冷启动阶段大量计算资源的浪费，且不可能做到短时间间隔冷启动，区域数值预报模式预报初始场的更新速度无法适应多变的天气变化；
[0008]2、在冷启动过程中，区域数值预报模式中整个中小尺度天气系统重建，也导致区域内冷启动前后模拟天气系统连续性较差；
[0009]3、冷启动的时刻也需要保持在天气较为平稳的时段，但是在一些地区例如对流旺盛的热带和亚热带地区，任何时刻都有可能出现中小尺度天气发展，所以难以确定一个平稳的天气时刻进行冷启动。
[0010]因此，如何在不影响区域数值预报模式稳定性的同时能够引入足够的全球模式信息来实现区域数值预报模式热启动，是当前时空精细化天气预报领域亟待解决的问题。

技术实现思路

[0011]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，特别创新地提出了一种区域数值预报模式的混合热启动初始场生成方法及系统，能够在不影响区域数值预报模式稳定性的同时能够引入足够的全球模式信息来实现区域数值预报模式热启动。
[0012]为了实现本专利技术的上述目的，根据本专利技术的第一个方面，本专利技术提供了一种区域数值预报模式的混合热启动初始场生成方法，包括如下步骤：
[0013]S1，基于全球模式的预报风场的有效分辨率计算全球模式分辨率的最小可信尺度l
min
；
[0014]S2，基于最小可信尺度l
min
与目标区域尺度l
max
之间的每个尺度l上全球模式的预报风场W和目标区域的分析风场的差异动能谱A(l)以及预设的差异动能谱A(l)的第一差异容忍度∈1，得到动能误差容尺度l1，其中，目标区域尺度l
max
为需要预报的目标区域的东西方向或南北方向宽度；
[0015]S3，基于目标区域的全球模式的预报风场W和上一次启动时区域数值预报模式的预报风场的小尺度端的残余差异动能B(l)以及预设的小尺度端的残余差异动能B(l)的第二差异容忍度∈2，得到区域数值预报模式残余尺度l2；
[0016]S4，将最小可信尺度l
min
、动能误差容尺度l1和区域数值预报模式残余尺度l2三者中的最大者作为分离尺度分别提取全球模式的预报场的大尺度信息和区域数值预报模式的预报场的小尺度信息，将两者相加生成当前时次区域数值预报模式热启动的初始场。
[0017]优选地，步骤S2包括：
[0018]S21，对全球模式的预报风场W在最小可信尺度l
min
到需要预报的目标区域的目标区域尺度l
max
之间的每个尺度l上使用傅里叶分解或低通滤波器进行尺度分离，得到全球模式的预报风场W在每个尺度l上对应的大尺度端风速谱分布W
large
(l)和小尺度端风速谱分布W
small
(l)，尺度分离计算公式如下：
[0019]W＝W
large
(l)+W
small
(l)
[0020]其中，
[0021]S22，对目标区域的分析风场在最小可信尺度l
min
到需要预报的目标区域的目标区域尺度l
max
之间的每个尺度l上使用离散傅里叶分解或低通滤波器进行尺度分离，得到目
标区域的分析风场在每个尺度l上对应的大尺度端风速谱分布和小尺度端风速谱分布尺度分离计算公式如下：
[0022][0023]其中，
[0024]S23，基于全球模式的预报风场W的大尺度端风速谱分布W
large
(l)和目标区域的分析风场的大尺度端风速谱分布计算每个尺度l上全球模式的预报风场W和目标区域的分析风场的差异动能谱A(l)，计算公式如下：
[0025][0026]S24，基于差异动能谱A(l)和预设的差异动能谱A(l)的第一差异容忍度∈1，得到动能误差容尺度l1，计算公式如下：
[0027]A(l本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种区域数值预报模式的混合热启动初始场生成方法，其特征在于，包括：S1，基于全球模式的预报风场的有效分辨率计算全球模式分辨率的最小可信尺度l
min
；S2，基于最小可信尺度l
min
与目标区域尺度l
max
之间的每个尺度l上全球模式的预报风场W和目标区域的分析风场的差异动能谱A(l)以及预设的差异动能谱A(l)的第一差异容忍度∈1，得到动能误差容尺度l1，其中，目标区域尺度l
max
为需要预报的目标区域的东西方向或南北方向宽度；S3，基于目标区域的全球模式的预报风场W和上一次启动时区域数值预报模式的预报风场W～的小尺度端的残余差异动能B(l)以及预设的小尺度端的残余差异动能B(l)的第二差异容忍度∈2，得到区域数值预报模式残余尺度l2；S4，将最小可信尺度l
min
、动能误差容尺度l1和区域数值预报模式残余尺度l2三者中的最大者作为分离尺度分别提取全球模式的预报场的大尺度信息和区域数值预报模式的预报场的小尺度信息，将两者相加生成当前时次区域数值预报模式热启动的初始场。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2包括：S21，对全球模式的预报风场W在最小可信尺度l
min
到需要预报的目标区域的目标区域尺度l
max
之间的每个尺度l上使用傅里叶分解或低通滤波器进行尺度分离，得到全球模式的预报风场W在每个尺度l上对应的大尺度端风速谱分布W
large
(l)和小尺度端风速谱分布W
small
(l)，尺度分离计算公式如下：W＝W
large
(l)+W
small
(l)其中，S22，对目标区域的分析风场在最小可信尺度l
min
到需要预报的目标区域的目标区域尺度l
max
之间的每个尺度l上使用离散傅里叶分解或低通滤波器进行尺度分离，得到目标区域的分析风场在每个尺度l上对应的大尺度端风速谱分布和小尺度端风速谱分布尺度分离计算公式如下：其中，S23，基于全球模式的预报风场W的大尺度端风速谱分布W
large
(l)和目标区域的分析风场的大尺度端风速谱分布计算每个尺度l上全球模式的预报风场W和目标区域的分析风场的差异动能谱A(l)，计算公式如下：S24，基于差异动能谱A(l)和预设的差异动能谱A(l)的第一差异容忍度∈1，得到动能误差容尺度l1，计算公式如下：A(l)＝∈1其中，满足上式的尺度l即为第一差异容忍度∈1对应的动能误差容忍尺度，记为l1。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S3包括：
S31，计算目标区域的全球模式的预报风场W和上一次启动后区域数值预报模式的预报风场之间的风场误差D，公式如下：S32，对目标区域的上一次启动后区域数值预报模式的预报风场在最小可信尺度l
min
到需要预报的目标区域的目标区域尺度l
max
之间的每个尺度l上进行尺度分离，得到目标区域的上一次启动时区域数值预报模式的预报风场在每个尺度l上对应的大尺度端风速谱分布和小尺度端风速谱分布尺度分离计算公式如下：其中，S33，基于S21中得到的全球模式的预报风场W在每个尺度l上对应的大尺度端风速谱分布W
large
(l)和S32得到的目标区域的上一次启动时区域数值预报模式的预报风场在每个尺度l上对应的大尺度端风速谱分布计算每个尺度l对应的大尺度风场误差d(l)，计算公式如下：S34，基于S31得到的目标区域的全球模式的预报风场W和上一次启动时区域数值预报模式的预报风场之间的风场误差D和S33得到的每个尺度l对应的大尺度风场误差d(l)计算得到小尺度端的残余差异动能B(l)，计算公式如下：S35，基于小尺度端的残余差异动能B(l)和预设的小尺度端的残余差异动能B(l)的第二差异容忍度∈2，得到区域数值预报模式残余尺度l2，计算公式如下：B(l)＝∈2其中，满足上式的尺度l即为第二差异容忍度∈2对应的区域数值预报模式残余尺度，记为l2。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S4包括：S41，基于最小可信尺度l
min
、动能误差容尺度l1和区域数值预报模式残余尺度l2确定动态混合尺度l
b
，公式如下：l
b
＝max(l
min
,l1,l2)；S42，将动态混合尺度l
b
作为分离尺度并使用离散傅里叶分解或低通滤波器分别提取全球模式的预报场的大尺度信息和区域数值预报模式的预报场的小尺度信息；S43，将全球模式的预报场的大尺度信息和区域数值预报模式的预报场的小尺度信息相加得到的混合场作为当前时次区域数值预报模式热启动的初始场。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的方法，其特征在于，步骤S1中的有效分辨率是指高空风场动能谱K随尺度l的分布廓线K(l)开始明显低于标准的
‑
5/3幂律分布时的廓线，计算公式如下：
且对于任何l＜l
min
其中，n为高度，η为指定的小动能...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯琎，
申请(专利权)人：北京城市气象研究院，
类型：发明
国别省市：