一种基于积云对流参数化的降水动力降尺度方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种基于积云对流参数化的降水动力降尺度方法及系统，涉及大气气候模拟领域。一种基于积云对流参数化的降水动力降尺度方法，其包括如下步骤，发展积云对流参数化的最优集合统计方法，具体包括，发展WRF积云参数化的不同目标函数：编写天气研究和预报WRF模式中三种积云方案模拟降水、格点降水观测数据的读入接口，以及将降水观测插值到WRF模式网格的程序，构建积云参数化集合的不同目标函数。能够发展一种基于积云对流参数化的降水动力降尺度方法，以减少在积云参数化集合、云辐射相互作用和多种闭合假设影响方面存在的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于积云对流参数化的降水动力降尺度方法及系统


[0001]本专利技术涉及大气气候模拟领域，具体而言，涉及一种基于积云对流参数化的降水动力降尺度方法及系统。

技术介绍

[0002]在全球变暖的气候背景下，干旱和洪水等极端事件的发生频率大幅度增加。我国地处东亚季风区，人口活动密集，对降水变化的影响异常敏感。因此，准确预测夏季降水，对我国增强应对气候变化和利用水资源能力具有重要的意义。全球气候模式是预测气候的重要工具，但由于分辨率限制(100
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300km)，准确模拟区域尺度的相关信息十分困难。为了得到高分辨率的区域尺度气候变化信息，通常需要使用区域模式嵌套全球模式的动力降尺度方法。国际气候变化委员会(IPCC)评估报告指出，区域模式具有高分辨率的地形、植被和海陆分布，能够更准确地模拟东亚区域降水的气候变化特征。
[0003]随着计算水平的不断发展，对流解析分辨率(4
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10km)的动力降尺度成为可能。这种超高分辨率虽然能够显著提升25
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50km分辨率的复杂地形和中尺度降水模拟水平，但需要花费昂贵的计算资源，以及与之匹配的高分辨率观测资料，因此在我国开展上述工作还比较困难。为了提供动力降尺度研究和应用的平台，世界气候研究计划(WCRP)发起了“国际动力降尺度试验(CORDEX)”，东亚区域是重要研究区域之一。通过对比CORDEX
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EA的海洋
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大气耦合模式和单独的大气模式的动力降尺度效果，研究海气相互作用对该区域降水的影响。Park and Min系统评估了不同模式对CORDEX
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EA夏季极端降水的模拟效果。在区域气候模式中，意大利国家物理中心(ICTP)发展的RegCM是应用最广泛的模式之一。许多学者利用该模式模拟我国的降水。研究表明，RegCM相比全球模式的模拟结果具有更多的区域尺度信息，显著提高了我国暖季降水的模拟水平，但冷季降水的模拟还存在系统偏差。美国国家大气研究中心开发的天气研究和预报 WRF(Weather Research and Forecasting)模式经过不断的发展和完善，逐渐被应用于区域气候模拟，在我国降水的动力降尺度上具有一定优势。研究表明，WRF模拟的我国极端降水特征与观测较为接近，特别是在四川盆地和青藏高原东部区域。研究表明，WRF显著减少了全球气候模式 MIROC5在极端降水模拟上的偏差。
[0004]目前降水的动力降尺度水平还有待改进，尤其是我国降水的模拟与实测存在一定差距。一般认为，区域模式的误差主要是模拟区域内的物理过程描述不够准确导致的。受东亚季风系统控制，我国夏季降水占全年总降水量的绝大部分。相比于其他物理过程，积云过程在以对流为主的夏季降水模拟中的作用更为关键。积云参数化是为考虑次网格尺度的积云对流效应引入的，用来描述模式网格不能分辨的上升、下沉和云外补偿气流等引起的空气热量和水汽变化，估计这些过程中水汽凝结产生的降水。国内方面也开展了一定积云对流参数化的动力降尺度研究。刘永强等利用RegCM 对我国1990年夏季降水进行了不同积云参数化的影响研究。潘劲松等全面比较了RegCM的三种积云方案模拟我国降水分布、主要时段、雨带南北移动和气象要素的能力。汤剑平等考察了WRF的四种积云方案对1997和 1998年夏季降水模拟的影响。刘晓东等检验了不同积云方案模拟我国东部 1998年5
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8月降水的
效果。随后，王澄海和余莲研究了RegCM的三种积云方案对青藏高原地区降水模拟的敏感性。谭红建等探讨了四种积云方案在我国东南沿海等地区复杂地形和下垫面的适用性。
[0005]过去一系列成果为深入开展积云参数化对降水的动力降尺度研究提供了基础，但还存在以下问题：
[0006](1)目前没有一种积云参数化可以完美模拟出所有情况的降水，因此使用集合方法将积云参数化的优点结合来减少不确定性十分必要。传统方法使用等权重的集合，即不同参数化方案在模式格点权重均相同，积云集合为所有参数化方案的平均值。研究发现多种物理过程的集合能够提高模式对热带气旋的模拟能力。这种方法理论上可以减小单个积云参数化模拟结果的误差，但忽略了积云参数化方案的准确度差异，容易被具有较大误差的积云参数化方案影响。为此，最早发展了最优集合方法，其根据观测和积云参数化的模拟结果确定目标函数，并通过FSQP下降算法最小化来确定最优权重。随后的一些研究也采用该方法来减少积云参数化的不确定性。但这些研究只考虑了KF和GR两种方案，且模拟时间通常较短，对效果的提升有限。此外，最优集合权重是通过FSQP下降算法最小化目标函数得到的。目标函数包括均方根误差(RMS)、时间相关系数(1
–ꢀ
COR)、以及两者乘积的RMS(1
–
COR)三种。大多研究选用RMS，对其他目标函数研究较少。
[0007](2)目前的积云参数化方案考虑了次网格云辐射相互作用、依赖于尺度的对流调整时间因子、以及多种闭合假设等问题。积云过程相关的对流会明显影响区域模式的辐射收支。以往研究使用的KF方案忽略了对辐射的反馈作用，容易产生过量降水的问题。针对这一问题，发展了考虑次网格尺度的云辐射相互作用模块。研究表明，新的KF方案能够真实地模拟向下短波辐射的衰减，缓解过度的地表强迫对流，减少降水高估。对流尺度调整时间尺度是积云参数化方案的一个重要参数，它决定着从对流不稳定过渡到中性层结花费的时间。对流调整时间尺度受时间、空间的影响而变化，不存在一种特定的时间尺度总能够产生最优结果。因此假设时间尺度为常数会限制高分辨率降水模拟的准确度。通过考虑依赖于空间尺度的对流时间调整因子，使积云方案能够适用于不同的网格分辨率。此外，由于观测和理论的不完善，积云参数化方案会使用一定闭合方程组假设，对降水的频率分布和日变化有重要影响。发展的新GR方案包含了垂直速度、湿对流等多种闭合假设。但目前降水动力降尺度的研究大多使用原有积云方案。这些更新对我国积云集合的影响缺乏深入探究。如云辐射相互作用对向下地表短波辐射强度及强迫对流的影响、对流调整时间尺度变化对对流降水强度和持续时间等影响、以及多种闭合假设对降水频率和日变化的影响均不十分明确。
[0008]综上，利用有限观测和理论、多种闭合假设等的次网格尺度效应处理方法，是处理大气非绝热加热物理过程的重要环节之一。但目前针对积云参数化的降水动力降尺度研究明显不足，特别是在积云参数化集合、云辐射相互作用和多种闭合假设影响方面存在问题。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的之一在于提供一种基于积云对流参数化的降水动力降尺度方法，其能够发展一种基于积云对流参数化的降水动力降尺度方法，以减少在积云参数化集合、云辐射相互作用和多种闭合假设影响方面存在的问题；并进一步考察云辐射相互作用和对流调整时间尺度变化，多种闭合假设对积云集合的影响，以优化积云集合的降水模拟效果。
[0010]本专利技术的目的之一在于提供一种基于积云对流参数化的降水动力降尺度系统，其能够发展一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于积云对流参数化的降水动力降尺度方法，其特征在于，包括如下步骤，S1发展积云对流参数化的最优集合统计方法，具体包括，S1
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1发展WRF积云参数化的不同目标函数：编写天气研究和预报WRF(WeatherResearchandForecasting)模式中三种积云方案模拟降水、格点降水观测数据的读入接口，以及将降水观测插值到WRF模式网格的程序，按照公式(1)
‑
(3)构建积云参数化集合的不同所述目标函数：F1(s)＝RMS(s)，(1)F2(s)＝1
‑
COR(s)，(2)F3(s)＝RMS(s)[1
‑
COR(s)]，(3)；其中，RMS为均方根误差，COR是相关系数，计算公式如下：计算公式如下：P
ENS
(s,t)和P
OBS
(s,t)分别表示估计的最优和观测降水，s和t分别代表空间和时间；S1
‑
2建立所述目标函数与最优权重的线性关系，建立所述目标函数和最优权重的线性关系；具体包括，假设最优降水P
ENS
(s,α1,α2,α3,t)为三种所述积云方案模拟降水的线性组合，P
ENS
(s,α1,α2,α3,t)＝α1(s)P
GR
(s,t)+α2(s)P
KF
(s,t)+α3(s)P
BMJ
(s,t),(6)；其中，α1，α2和α3分别是三种方案的权重，满足α1+α2+α3＝1，所述目标函数扩展为权重和空间的函数，此时式(1)
‑
(3)扩展为：F1(s,α1,α2,α3)＝RMS(s,α1,α2,α3)，(7)F2(s,α1,α2,α3)＝1
‑
COR(s,α1,α2,α3)，(8)F3(s,α1,α2,α3)＝RMS(s,α1,α2,α3)[1
‑
COR(s,α1,α2,α3)]，(9)；S1
‑
3最优集合降水的估计，根据FSQP(可行序列二次算法)下降算法，考虑的不等式限制条件，极小化公式(7)
‑
(9)所示目标函数，确定最优权重，最后得到积云参数化的最优集合。2.如权利要求1所述的一种基于积云对流参数化的降水动力降尺度方法，其特征在于，S2发展积云对流参数化的最优集合统计方法，具体包括，S2
‑
1得到适合于特定地区降水的所述目标函数；S2
‑
2优化积云集合的云辐射相互作用、对流调整时间尺度变化和多种闭合假设方案。3.如权利要求2所述的一种基于积云对流参数化的降水动力降尺度方法，其特征在于，S2
‑
1具体包括如下步骤，预设WRF模式的初始和侧边界条件和模拟时段，设置模拟区域、边界缓冲区，以及物理参数化方案；分别利用WRF模式的三种所述积云方案对我国夏季降水进行动力降尺度；最优权重采用交叉验证方法统计，以模拟时段的逐日降水结果为采样对象，利用某年份外其余所有年份数据估计该年份不同所述积云方案的权重和最优集合，依次完
成所有年份的统计得到逐日集合降水数据；分别使用不同所述目标函数统计积云参数化降水模拟结果，得到不同的最优权重和集合。4.如权利要求3所述的一种基于积云对流参数化的降水动力降尺度方法，其特征在于，S2
‑
2具体包括如下步骤，利用步骤S2
‑
1发展的最优集合方法，开展我国夏季降水模拟的敏感性试验，分别考察云辐射相互作用和对流调整时间尺度变化，多种闭合假设对积云集合的影响；分析云辐射相互作用敏感性试验中向下地表短波辐射强度的差异，研究对强迫对流降水强度和范围的影响；考察对流调整时间尺度变化敏感性试验中对流不稳定能量变化特征，研究对于对流降水的发展强度和持续时间的影响；检验多种闭合假设敏感性试验中降水频率和日变化与观测的接近程度，研究对不同量级降水变化模拟准确度的影响；依次分析所有分组中不同高度季风环流结构的差异，并结合降水的偏差以及与观测的相关度，探讨云辐射相互作用、对流调整时间尺度变化，多种闭合假设影响积云集合降水的规律，完成项目发展的积云参数化集合方法的优化。5.如权利要求3所述的一种基于积云对流参数化的降水动力降尺度方法，其特征在于，三种所述积云方案包括KF(KainandFritsch，GR(GR,Grelletal)和...

【专利技术属性】
技术研发人员：高士博，付雪晴，朱盛杰，陈佳慧，韩亚东，
申请(专利权)人：沈阳农业大学，
类型：发明
国别省市：