[发明专利]一种基于中尺度数值模式WRF的大气湍流结构常数预报方法

权利要求书

1.一种基于中尺度数值模式WRF的大气湍流结构常数预报方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，WRF模式前处理系统WPS准备输入场，下载GFS初始场数据，先后运行geogrid程序模块、ungrib程序模块、metgrid程序模块，把GFS初始场数据水平插值到模拟区域格点上取得以met_em开头的输入场数据文件，具体实现过程为：

步骤11，根据预报时间确定下载全球GFS初始场数据，时间分辨率为3小时，文件名为gfs.t12z.pgrbf00～24.grib2，间隔3小时，共9个文件；

步骤12，按需要在namelist.wps文件中修改嵌套数max_dom、起始时间start_time、结束时间end_time、结束时东西方向格点数e_we、结束时南北方向格点数e_sn、地形数据空间分辨率geog_data_res、纬度方向最外层嵌套网格格距dx、经度方向最外层嵌套网格格距dy、地图投影方式map_proj、最外层网格中心纬度ref_lat、最外层网格中心经度ref_lon和输出数据格式out_format参数；

步骤13，运行geogrid程序模块，根据namelist.wps文件中预报区域的设置确定预报区域，把静态地形数据插值到格点上，该格点是由namelist.wps文件中水平分辨率控制参数设定的，输出geo_em开头的nc文件；

步骤14，运行ungrib程序模块，读取GFS初始场数据文件，抽取气象要素场，输出以FILE开头的文件；

步骤15，运行metgrid程序模块，把气象要素场水平插值到步骤13确定的模拟区域格点上取得输入场，输出以met_em开头的文件，供下面的动力初始化使用；

步骤2，WRF模式输入场数据动力初始化，运行real.exe程序模块，生成边界场数据文件wrfbdy_d01和初始场数据文件wrfinput_d01、wrfinput_d02、wrfinput_d03，具体实现过程为：

步骤21，进入WRF模式中的主模块WRF Model，按需要在namelist.input文件中修改time_control中的起始年start_year、起始月start_month、起始日start_day、起始时刻start_hour、结束年end_year、结束月end_month、结束日end_day、结束时刻end_hour、输入数据时间间隔interval_seconds和输出数据时间间隔history_interval参数；修改domain中的积分时间步长time_step、嵌套数max_dom、结束时东西方向格点数e_we、结束时南北方向格点数e_sn、垂直层数e_vert、垂直层对应的eta值eta_levels、模式最高层对应的气压值p_top_requested、纬度方向最外层嵌套网格格距dx和经度方向最外层嵌套网格格距dy参数；修改physics中的各种物理参数化方案；

步骤22，运行real.exe，把met_em开头的文件按照namelist.input设置的层数垂直方向插值到WRF eta层上；

步骤23，生成边界场数据文件wrfbdy_d01和初始场数据文件wrfinput_d**，**对应于模式嵌套层数，有几层嵌套，就有几个初始场数据文件，供WRF模式动力数值计算模块ARW使用；

步骤3，WRF模式数值积分预报得气象参数，运行wrf.exe，生成NetCDF格式的wrfout_d01、wrfout_d02、wrfout_d03预报结果文件，具体实现过程为：

步骤31，对控制大气运动的方程组进行地图投影，根据预报区域所在纬度值选择合适的地图投影方式；

步骤32，采用交叉Arakawa-C网格水平空间离散格式，根据步骤31确定的地图投影方式，对大气运动方程组进行空间离散，构成ARW模块中实际求解的控制大气运动方程组；

步骤33，对步骤32得到的大气运动方程组进行时间积分，采用时间分离的积分方案，并对物理过程进行前处理和后处理，将得到的倾向项作为源汇项与WRF数值计算模块ARW相耦合，通过ARW模块的数值积分求解得到气象参数预报值；

步骤34：通过ARW模块的数值积分求解得到气象参数预报值，根据namelist.input中设置的输出时间间隔，输出气象参数预报结果，输出文件为wrfout_d**，该文件为NetCDF格式；

步骤4，解码WRF模式输出的NetCDF格式预报结果数据文件，使用fortran库函数打开、读取WRF模式输出数据，解码获取气象参数，具体实现过程为：

步骤41，使用nf_open库函数打开wrfout_d**文件，获取文件的ID号，赋值给变量ncid；

步骤42，使用nf_inq_varid库函数，通过文件的ID号，打开指定的变量，获取该变量的ID号,赋值给变量varid；

步骤43，使用nf_get_var_real库函数，通过文件的ID号、变量的ID号，读取变量的内容；

步骤44，扰动位温T、基准气压PB、扰动气压P、基准位势PHB、扰动位势PH、海拔高度HGT、水汽混合比QVAPOR，经纬度XLONG、XLAT这几个变量分别通过重复步骤41—43获取；

步骤5，获取大气湍流结构常数，把步骤4获得的气象参数转换为位温、温度、压强、比湿和几何高度，代入公式得各高度层的大气湍流结构常数具体实现过程为：

步骤51，根据扰动位温T得到各高度层位温θ和温度T'，首先通过θ＝T+300得到位温θ，再通过得到温度T'；

步骤52，根据基准位势PHB、扰动位势PH和海拔高度HGT得到各高度层几何高度h，即通过得到几何高度h，其中i表示第i层；

步骤53，根据基准气压PB、扰动气压P得到各高度层气压，通过P'＝(P+PB)×0.01得到气压P'；

步骤54，根据水汽混合比QVAPOR得到各高度层比湿q，

步骤55，利用上述步骤获得的各高度层位温θ、温度T'、气压P'、比湿q和几何高度h，首先通过计算得到各高度层位折射率垂直梯度M；然后通过计算大气湍流结构常数其中a²＝2.8为普适常数；α'＝1为涡度扩散度的比；L₀＝10为湍流的外特征尺度。