一种非对称热带气旋海面风场的构造方法技术

本发明专利技术公开了一种非对称热带气旋海面风场的构造方法，包括以下步骤：步骤一，将藤田公式中的风廓线约束进行推广，采用拟合特征等压线，建立热带气旋气压场模型；步骤二，通过求解基于非对称气压场的热带气旋空气质点水平运动方程，建立热带气旋海面风场模型；步骤三，采用的VAM变分思想，与普通背景海面风场合成热带气旋海面风场。本发明专利技术合成得出的风场与CCMP海风资料比较逼近，风场过渡比较光滑，保持了模型风场资料的强风速特性。模型风场资料的强风速特性。模型风场资料的强风速特性。

【技术实现步骤摘要】
一种非对称热带气旋海面风场的构造方法


[0001]本专利技术属于海洋气象
，尤其涉及一种非对称热带气旋海面风场的 构造方法。

技术介绍

[0002]利用数值模式对热带气旋的路径、强度进行预报，面临着模式物理过程 描述困难、缺乏大实测资料描述台风内部动力和热力结构等问题，因此利用 气象模式获得满意的热带气旋的海平面气压场和风场仍然是十分困难和复杂 的。
[0003]于是海洋学者一直重视对计算简便且具有足够精度的热带气旋气压场、 风场模式的研究。在热带气旋海面风场模型的研究和使用中，主要面临着模 型中有关参数(包括环境气压、最大风速和最大风速半径等)的合理确定问 题。如果将环境气压、最大风速半径等参数取为常数，仅能描述理想的圆形 对称台风结构，而不能描述非对称的台风气压和风场结构。针对这类问题， 许多学者开展了进一步的研究。其中包括：胡邦辉等采用藤田公式进一步导 出了最大风速半径计算式。房文鸾等依据天气图信息拟合出通用气压模型中 表征最大风速半径特性的台风常数。袁金南等也引入十级和七级风圈平均半 径来改变轴对称模型台风的切向风廓线形态。LAJOIE等利用卫星云图特征能 够较准确的定位出台风最大风速半径。陈孔沫、王国民、杨支中等引入台风 外围闭合特征等压线来对藤田气压模型进行改进，推导出不含台风常数的椭 圆、对称或非对称的台风海面气压场。LIAN XIE将原始的Holland气压模型 中最大风速半径计算式写成θ的函数，并利用NHC特殊的台风预报产品实时 拟合最大风速半径函数，构建非对称结构的台风风场。Holland对原始的Holland气压模型和风场模型进行了改进，提出了确定模型中形状参数b的新 方法和新的求算海面风场的模型。
[0004]但是在这些模型中，由于热带气旋的最大风速半径的观测和计算较难实 施且存在误差，人为给定台风常数的会带来较大误差，需要研究更客观、与 实际更接近的热带气旋海面风场的构造方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术在前人工作基础上，采用避免人为给定台风常数的思路，将经典 气压场模型进行推广，结合NECP再分析资料建立热带气旋海面风场重构模 型，重构出热带气旋的非对称性风场，形成一种新的非对称热带气旋海面风 场的构造方法。
[0006]本专利技术公开的非对称热带气旋海面风场的构造方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一，将藤田公式中的风廓线约束进行推广，采用拟合特征等压线， 建立热带气旋气压场模型；
[0008]步骤二，通过求解基于非对称气压场的热带气旋空气质点水平运动方程， 建立热带气旋海面风场模型；
[0009]步骤三，采用的VAM变分思想，与普通背景海面风场合成热带气旋海面 风场。
[0010]进一步的，步骤一具体包括：
[0011]藤田公式的推广：根据经典的藤田公式形式，将其中的风廓线约束推广 为下式：
[0012][0013]式中，P
m
为台风外围的环境气压，Δp＝p
m
‑
p
c
，P
c
为台风中心气压，a为 最大风速半径位置参数，b为最大梯度风控制参数，r0为台风常数r0＝R(θ)；
[0014]特征等压线的自动化选取：收集某时刻热带气旋所在海域的海面气压格 点化数据，选定一条闭合等压线L(θ)，将闭合等压线进行拟合；
[0015]环境参数的选取：对p
m
采用如下方法估算：
[0016]p
m
(θ)＝p
∞
‑
p
a
sin[θ
‑
(α0+β1)][0017]式中：p
a
为p
m
沿θ呈正弦波振荡的振幅，p
∞
为平均环境气压，α0为热 带气旋移向内力方向的角度，β1为风向内偏角。
[0018]进一步的，步骤二具体包括：
[0019]根据热带气旋域内海面任意空气质点(r,θ)的水平运动方程：
[0020][0021][0022]其中，p为海面气压；d＝R
d
T
v
/p；v
s
为台风移速；α为台风移向和所 述空气质点与台风中心连线的夹角；v
θ
和v
r
分别为移动台风的切向和径向风 速，v
′
θ
和v
′
r
为静止台风的切向和径向速度，v
θ
＝v
′
θ
‑
v
s
sinα， v
r
＝v
′
r
‑
v
s
cosα；R
d
为干空气气体常数，由分析场提供温度T和水汽混合 比q
v
后有虚温T
v
＝T(0.622+q
v
)/[0.622(1+q
v
)]；F
r
和F
θ
分别为r方向 和θ方向摩擦力；k为摩擦系数，风速海面摩擦为kV；令风向 内偏角为β，摩擦阻力偏离实际风矢量反方向的夹角为cosβ＝v
θ
/V， sinβ＝v
r
/V，由
[0023][0024][0025]求得
[0026][0027]上式中的p为热带气旋的海面气压，由步骤一中计算得到，将F
r
和V
r
代入所 述水平运动方程中，合并得到关于v
θ
的一元三次方程：
[0028][0029]令v
θ
＝x
‑
a1/3，将所述一元三次方程变形为卡当方程：
[0030]x3+3ηx+2ξ＝0，
[0031]其中各参数为：
[0032][0033][0034][0035][0036][0037]采用经典卡当方程的解法求解。
[0038]进一步的，步骤三具体包括：
[0039]将上述模型构造的热带气旋海面风场与常规的海面风场资料合成，将一 个经纬网格点上热带气旋合成风场的总体目标函数J定义为：
[0040]J＝J1+J2[0041]其中J1表示合成风场分量与非对称台风模型风场资料之间的偏差，J2为 常规的海面风场资料与合成风场分量的偏差，具体表达式如下：
[0042][0043][0044]其中上标T表示矩阵转置，
‑
1表示求逆，下标符号i表示计算格点，u(i)、 v(i)和u
o
(i)、v
o
(i)分别代表合成风场和台风模型的海平面风速的u，v分量， u
c
，v
c
为常规的海面风场资料的u，v分量；W
u
,W
v
分别为合成风场的u，v 风速分量权重系数，W
cu
,W
cv...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非对称热带气旋海面风场的构造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，将藤田公式中的风廓线约束进行推广，采用拟合特征等压线，建立热带气旋气压场模型；步骤二，通过求解基于非对称气压场的热带气旋空气质点水平运动方程，建立热带气旋海面风场模型；步骤三，采用的VAM变分思想，与普通背景海面风场合成热带气旋海面风场。2.根据权利要求1所述的非对称热带气旋海面风场的构造方法，其特征在于，步骤一具体包括：藤田公式的推广：根据经典的藤田公式形式，将其中的风廓线约束推广为下式：式中，P
m
为台风外围的环境气压，Δp＝p
m
‑
p
c
，P
c
为台风中心气压，a为最大风速半径位置参数，b为最大梯度风控制参数，r0为台风常数r0＝R(θ)；特征等压线的自动化选取：收集某时刻热带气旋所在海域的海面气压格点化数据，选定一条闭合等压线L(θ)，将闭合等压线进行拟合；环境参数的选取：对p
m
采用如下方法估算：p
m
(θ)＝p
∞
‑
p
a
sin[θ
‑
(α0+β1)]式中：p
a
为p
m
沿θ呈正弦波振荡的振幅，p
∞
为平均环境气压，α0为热带气旋移向内力方向的角度，β1为风向内偏角。3.根据权利要求2所述的非对称热带气旋海面风场的构造方法，其特征在于，步骤二具体包括：根据热带气旋域内海面任意空气质点(r，θ)的水平运动方程：根据热带气旋域内海面任意空气质点(r，θ)的水平运动方程：其中，p为海面气压；d＝R
d
T
v
/p；v
s
为台风移速；α为台风移向和所述空气质点与台风中心连线的夹角；v
θ
和v
r
分别为移动台风的切向和径向风速，v
′
θ
和v
′
r
为静止台风的切向和径向速度，v
θ
＝v
′
θ
‑
v
s
sinα，v
r
＝v
′
r
‑
v
s
cosα；R
d
为干空气气体常数，由分析场提供温度T和水汽混合比q
v
后有虚温T
v
＝T(0.622+q
v
)/[0.622(1+q
v
)]；F
r
和F
θ
分别为r方向和θ方向摩擦力；k为摩擦系数，风速海面摩擦为kV；令风向内偏角为β，摩擦阻力偏离实际风矢量反方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟奕飞，毛科峰，黄兵，刘瑞良，
申请(专利权)人：湖南国天气象科技有限公司，
类型：发明
国别省市：