【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数值天气预报，具体涉及一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法。
技术介绍
1、台风是重要灾害性天气系统之一，往往能够带来狂风、暴雨和风暴潮等灾害，影响社会经济的发展，给人民生命安全造成巨大威胁。因此，台风路径和强度预报至关重要。目前，发展高分辨率数值预报技术是提升台风强度预报和风雨精细能力的重要途径，对于模式不能解析的次网格尺度，模式依赖于参数化方案。比如，当模式分辨率提升至公里尺度时，模式能够解析边界层的部分湍流过程，但在介于大涡尺度和公里尺度之间的“灰色区域”，数值模拟主要依赖于边界层参数化方案。
2、现有技术中，通常基于廓线分布形式的假设，确定边界层参数化方案，比如edmf（eddy-diffusive mass flux）方案。该方案考虑了顺梯度湍流扩散和逆梯度质量输送的影响，但其缺点是模拟的台风条件下的边界层湍流扩散率较强、台风边界层高度过高，与飞机观测的飓风条件下的边界层状况不符，不利于入流强度模拟。对应地，edmf方案模拟的台风强度偏弱。此外，edmf方案对云内湍流混合的假设不完全合理，比如在有云条件下，没有考虑云内扩散对湍流混合的影响。存在这些问题的主要原因是由于edmf方案不是专门针对台风条件下进行的设计，且缺少基于观测去修正其原假设。
3、目前，针对适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方案的研究工作并不多，尚无具体的一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法。
技术实现思路
1、针对现有技术中
2、本专利技术提供的一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法包括如下步骤：获取模式行星边界层考虑云内混合对湍流影响和考虑台风条件下强风速以及较低边界层高度影响的理查森数；利用所述理查森数，获得边界层高度以上的动量垂直涡动扩散率和边界层内的混合层特征速度；利用所述理查森数和所述边界层内的混合层特征速度，获得边界层动量垂直涡动扩散率。本专利技术通过精确计算行星边界层的理查森数，并据此推导出边界层动量垂直涡动扩散率，有利于更准确地模拟台风生成和发展过程中的动力学特征，从而提升台风路径、强度等关键信息的预报准确性；利用先进的参数化技术，快速处理和分析大量的气象数据，从而缩短预报周期，提高预报的时效性，对于及时发布台风预警信息、制定有效的防灾减灾措施具有重要意义；不仅为台风预报提供了实用的工具，还通过揭示边界层物理特性在台风动力学中的作用，深化了对台风生成和发展机制的科学理解，对于推动气象学和相关领域的研究进展具有积极的作用。
3、可选地，所述获取模式行星边界层考虑云内混合对湍流影响和台风条件下强风速以及较低边界层高度影响的理查森数包括：获取模式行星边界层高度以上，考虑云内混合对湍流影响的理查森数；获取模式行星边界层内，考虑台风条件下强风速以及较低边界层高度影响的理查森数。本专利技术通过分别获取模式行星边界层高度以上考虑云内混合对湍流影响的理查森数和边界层内台风条件下的理查森数，全面考虑不同环境条件对理查森数的影响，有助于更准确地反映大气边界层的稳定性特征，为后续的动量垂直涡动扩散率计算提供可靠的基础；通过考虑在台风条件下，强风速和较低的边界层高度会对理查森数产生显著影响，更准确地模拟台风对边界层稳定性的影响，从而提高参数化方案对台风等极端天气事件的适应性；通过精细地获取不同高度和条件下的理查森数，更准确地描述边界层内的物理过程，从而增强预报的精细化程度，有助于更好地理解台风的动力学特征，提高预报的准确性和可靠性，为防灾减灾工作提供更加科学的依据。
4、可选地，所述考虑云内混合对湍流影响的理查森数满足如下表达式：
5、
6、其中，为边界层高度以上，考虑云内混合对湍流影响的理查森数；为边界层高度以上，无云条件下的理查森数；为凝结混合比，为蒸发潜热，为干空气的气体常数，为水汽的气体常数，为一个标准大气压下干空气的比热容，为温度，为重力加速度，为垂直风切变。本专利技术构建的考虑云内混合对湍流影响的理查森数表达式，取得了以下效果：一是更加精确地计算和分析理查森数，从而提高了预报的准确性和可靠性；二是揭示了云如何与边界层稳定性相互作用，对于理解大气环流和气候变化等大气科学问题具有重要意义；三是能够应用于数值天气预报模型中，以改进对边界层稳定性的模拟和预报，有助于更准确地预测台风等极端天气事件的发展路径和强度，为防灾减灾提供有力的支持；四是为预报技术的发展提供了新的思路和方法，推动了大气科学领域的进步。
7、可选地，所述考虑台风条件下强风速以及较低边界层高度影响的理查森数满足如下表达式：
8、
9、其中，为考虑台风条件下强风速以及较低边界层高度影响的理查森数，为模式最底层的高度，为边界层高度，为重力加速度，为高度下的纬向风,为高度下的径向风，为虚位温，为高度下的虚位温，为高度下的纬向风，为高度下的径向风，为地表摩擦速度；在稳定和中性边界层的条件下，为高度的虚位温，在不稳定的条件下，为高度的虚位温和近地面的虚温之和。本专利技术通过考虑台风条件下强风速和较低边界层高度的影响，构建了理查森数表达式，并对理查森数进行计算，取得了如下效果：一是精确量化台风条件下强风速和较低边界层高度对理查森数的影响，为深入理解台风动力学提供了数学基础；二是显著提升了台风预报的精度，为防灾减灾提供了更加可靠的科学依据；三是推动了数值天气预报模型的进一步优化，使其能够更准确地模拟台风等极端天气事件，提高了预报的时效性和准确性。
10、可选地，所述利用所述理查森数，获得边界层高度以上的动量垂直涡动扩散率和边界层内的混合层特征速度包括：利用考虑云内混合对湍流影响的理查森数，获得行星边界层高度以上的动量垂直涡动扩散率；利用考虑台风条件下强风速和较低边界层高度影响的理查森数，获得行星边界层内的混合层特征速度。本专利技术利用考虑云内混合对湍流影响的理查森数，精确计算出行星边界层高度以上的动量垂直涡动扩散率；通过考虑台风条件下的强风速和较低边界层高度影响，利用相应的理查森数，准确评估出行星边界层内的混合层特征速度；显著提升了数值天气预报模型在台风等极端天气条件下的预报性能，为防灾减灾提供更有力的支持。
11、可选地，所述利用考虑云内混合对湍流影响的理查森数，获得行星边界层高度以上的动量垂直涡动扩散率包括：利用考虑云内混合对湍流影响的理查森数，获得稳定性函数；根据所述稳定性函数，获得行星边界层高度以上的动量垂直涡动扩散率。本专利技术利用考虑云内混合对湍流影响的理查森数，能够精确计算出大气边界层的稳定性函数；根据已获得的稳定性函数，准确推导出行星边界层高度以上的动量垂直涡动扩散率；提升数值天气预报模型在复杂天气条件下的精度，特别是对有云条件下的动量交换过程有更准确的模拟。
12、可选地，所述稳定性函数包括稳定层结自由大气的稳定性函数和中性和不稳定层结大气的稳定性函数。本专利技术提供的稳定层结自由大气的稳定性函数，描述了本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法，其特征在于，所述获取模式行星边界层考虑云内混合对湍流影响和考虑台风条件下强风速以及较低边界层高度影响的理查森数包括：
3.根据权利要求2所述的一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法，其特征在于，所述考虑云内混合对湍流影响的理查森数满足如下表达式：
4.根据权利要求2所述的一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法，其特征在于，所述考虑台风条件下强风速以及较低边界层高度影响的理查森数满足如下表达式：
5.根据权利要求1所述的一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法，其特征在于，所述利用所述理查森数，获得边界层高度以上的动量垂直涡动扩散率和边界层内的混合层特征速度包括：
6.根据权利要求5所述的一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法，其特征在于，所述利用考虑云内混合对湍流影响的理查森数，获得行星边界层高度以
7.根据权利要求6所述的一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法，其特征在于，所述稳定性函数包括稳定层结自由大气的稳定性函数和中性以及不稳定层结大气的稳定性函数。
8.根据权利要求1所述的一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法，其特征在于，所述利用所述理查森数和所述边界层内的混合层特征速度，获得边界层动量垂直涡动扩散率包括：
9.根据权利要求8所述的一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法，其特征在于，所述台风边界层高度包括：
10.根据权利要求9所述的一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法，其特征在于，当模式网格在十米高度的风速大于或等于17.2米/秒时，边界层动量垂直涡动扩散率缩小为原值的一半。
...【技术特征摘要】
1.一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法，其特征在于，所述获取模式行星边界层考虑云内混合对湍流影响和考虑台风条件下强风速以及较低边界层高度影响的理查森数包括：
3.根据权利要求2所述的一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法，其特征在于，所述考虑云内混合对湍流影响的理查森数满足如下表达式：
4.根据权利要求2所述的一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法，其特征在于，所述考虑台风条件下强风速以及较低边界层高度影响的理查森数满足如下表达式：
5.根据权利要求1所述的一种适用于台风预报的涡动扩散质量通量边界层参数化方法，其特征在于，所述利用所述理查森数，获得边界层高度以上的动量垂直涡动扩散率和边界层内的混合层特征速度包括：
6.根据权利要求5所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱雪松，张旭，赵博文，黄绮君，黄伟，余晖，
申请(专利权)人：中国气象局上海台风研究所上海市气象科学研究所，
类型：发明
国别省市：
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