[发明专利]基于边界层模型的台风降水解析方法

说明书

技术领域

本发明涉及台风降水解析方法，尤其涉及一种基于边界层模型的台风降水解析方法。

背景技术

近年来，利用物理参数建立降水强度径向剖面的研究有了很大发展，该方面的研究主要集中在国外，国内学者涉及较少。这些研究大多假设风致降水是对称的，而忽略了暴雨运动与竖向风剪力的影响。1994年，Rodgers等针对台风强度对输出结果的影响，提出了修正的HuRRDE模型，该模型的本质是一种采用多项式线性拟合的经验模型。2007年Lonfat等人根据Chen等(2006)的研究成果，建立了参数化的降水模型R-CLIPER算法，该模型考虑了竖向风剪力对降水强度的影响。2009年，MIT学者Andreas Langousis等提出了一种较为简便的降水强度理论计算方法—基于边界层模型的降水统计模型。该方法假设降水量为从台风边界层流出的向上的水蒸气通量，且该方法结合了梯度风剖面与边界层内的竖向风速大小，以及基本的热力学定理。

现有技术存在以下问题：

(1)HuRRDE模型虽然计算简便，但其输入参数均基于经验简化，输出的降水区域及最大降水强度均有一些不可忽略的模型误差。

(2)R-CLIPER模型存在一些局限性。首先该模型假设降水场各向对称，与实际不符，且模型未考虑台风移速、近地面摩擦对降水的影响。

(3)现有的基于边界层模型的降水模型，数值运算复杂，无法得到各风速剖面的解析解，且近地面摩擦考虑较为粗糙。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于边界层模型的台风降水解析方法。

本发明提供了一种基于边界层模型的台风降水解析方法，

首先，通过Yan Meng,Smith模型计算竖向风速，将Yan Meng模型中描述二分量水平向风场的Navier-Stokes方程扩展到考虑竖向风速的三分量风场方程，即在方程项中引入竖向速度w，对Yan Meng模型进行改进，建立了移动台风的边界层模型；基于该模型，可以得到水平切向与径向的风速v_θ、v_r，以及竖向速度w，竖向风速的计算如下：

对于静止的台风，台风移动速度c＝0c＝0，

对式(2)取边界层高度

当c≠0时，式(2)、(3)代表台风竖向风速的对称部分；

假设表面降水率i正比于参考高度H处向上的水汽通量，通过研究降水强度与不同海拔高度的相关性大小，确定参考高度取为2.5km～3.5km，假设在参考高度范围内温度T和饱和率Q固定不变，并分别等于沿竖向方向的均值和变化为20°～24°，变化为75％～85％，基于以上假设，可得对称降水强度i_sym，

这里是单位体积的饱和空气完全冷凝后的液态水体积，w_H(r)＝w(r，z＝H)是公式(3)z＝H处的竖向风速，函数可以通过理想气体的状态方程Clausius-Clapeyron方程得到，液态水密度取ρ_w＝1000kgr/m³，

上式中的单位为℃，此外在下沉区域w_H为负值，降水强度取零，见式(4)；其次，分别对台风眼壁倾斜角和降水非对称性进行修正。

作为本发明的进一步改进，以下分别对台风眼壁倾斜角和降水非对称性进行修正；

气象飞行观测到台风眼壁上升气流向外倾斜的高度大约为H₀＝5～7km，与竖向倾斜夹角范围Ψ₀＝45°～60°，为了包含降水的径向对流且为避免在降水径向分布中的不连续，假设上升气流的竖向倾斜角度随径向离台风中心的距离遵循指数变化，即

上式中r_max是使得式(4)中i_sym和w_H达最大时，距台风中心的距离，这里近似用最大风速半径代替，因此，由倾斜的上升气流引发降水的向外的径向距离Δr为

Δr＝H₀tanΨ(7)

考虑到台风的移动，式(4)变为