[发明专利]基于大气变量瞬变扰动方程组的数值天气预报模式系统

说明书

本发明公开一种基于大气变量瞬变扰动方程组数值天气预报模式系统。包括：1)大气变量瞬变扰动方程组数值天气预报模式系统的建立；2)区域大气变量瞬变扰动方程组数值天气预报模式在极端天气事件预报中的应用。本大气变量瞬变扰动方程组数值天气预报模式与现有的大气变量原始方程组数值天气预报模式的不同之处在于：后者在计算机数值积分的过程中把原始观测场中的气候部分也用格点差分或谱展开的方法做出了时间积分，即对其作预报，而本发明在把大气变量原始观测场分解成瞬变气候与扰动两个部分后并不对瞬变气候做预报，只对大气瞬变扰动分量做预报。本发明的大气变量瞬变扰动方程组数值求解得到的大气变量瞬变扰动场与极端天气事件之间存在着紧密的物理因果关系，因此本发明能够提高各种极端天气事件和异常天气过程的预报能力。

技术领域

本发明涉及气象学的技术领域，尤其涉及数值天气预报业务部门对日常使用的原始方程组数值天气预报模式的改革。本发明基于扰动方程组的区域模式可应用于临近(1～12小时)和短期(1～3天)的各种极端天气事件的预报和为环境部门制作异常环境(如雾、霾和沙尘暴)预报，扩展的大范围和全球扰动方程组模式可应用于短期(1～3天)、中期(4～9天)和延伸期(10～30天)的各种极端天气事件和异常天气过程，以及热带风暴(台风和飓风)路径的预报。

背景技术

早在两千多年前，我们的祖先就为我国的农耕作业总结出了年循环的24个节气和72候。每个节气有确定的气候学意义。什么节气就应该出现那个季节的气候。如果“小雪”节气里发生寒冷和下大雪，而“大雪”节气里偏暖和下雨，前者偏冷和后者偏暖都是发生了异常天气或极端天气。24个节气的年循环气候早就被人们所认识和利用了。人们要预报的是相对正常气候的偏差，即异常天气现象或极端天气事件。24节气和72候可以称为我们祖先发明的古代“气候钟”。

构造一个现代“气候钟”。随着近百年的气象仪器观测发展，很多气象观测站每天有4个时次，甚至24个小时的观测记录。原始方程数值模式也可以把来自卫星、雷达、探空、飞机和自动气象站观测的要素同化起来，形成覆盖全球的所谓大气再分析资料。有了如此多的资料，我们就可以得到覆盖全球从地面到高空对流层-平流层的大气格点资料库。对每个格点上的M年历史资料做同一天文时刻的平均就得到了那个点上，那个天文时刻的气候。这个瞬变气候是客观存在的，它是太阳辐射与下垫面条件共同作用达到动力与热力平衡下的定常态。于是，最大的瞬变气候变化是每天24小时的要素变率，称为瞬变气候的日循环。其次是日与日之间的气候变化，称为瞬变气候的季节循环。这样，年循环的瞬变气候场包含24个时次/天×365天＝8760个时次。于是，我们又构造了一个现代“气候钟”，它有日循环24个刻度的小时指针和季节循环365天刻度的天文日指针，它们指向的8760个时刻有各不相同的气候图画。这些图画是要认识的，不需要预报。

两项分解的扰动天气图。用观测大气变量减去它们对应的气候分量后的天气图称为扰动天气图。在2012年专利(钱维宏，ZL201210134358.4)提出的瞬变扰动天气图中，它是四项分解后的最后一项扰动量绘制的天气图。现在提出的是两项分解后的扰动部分绘制的天气图。四项分解后的扰动天气图与两项分解后的扰动天气图相似，但意义不同。后者的天气图有明确的物理含义。

数值模式预报未来天气。当前观测的和历史观测的大气变量反映的是已经过去了的大气运动状态和天气事件。由当前和历史观测大气变量绘制的天气图也已成历史天气图了。只有未来的天气图才能应用于天气预报。计算机计算的数值天气预报就是让天气走在了时间的前面。数值天气预报是用数学方法和计算机工具解一套大气流体运动的方程组，得到未来时刻的大气运动估计值。