[发明专利]一种定量计算降雨致海面应力的方法

权利要求书

1.一种定量计算降雨致海面应力的方法，其特征在于，获取垂向风廓线和降雨率数据，并建立雨滴在大气湍流边界层内三维运动方程，通过数值积分，求得降雨致海面应力的数值解；具体包括如下步骤：

(1)获取观测或模拟的垂向风廓线和降雨率数据；

(2)计算边界层高度h；

(3)通过雨滴的受力分析，建立粒径为D的雨滴三维运动模型：

其中，A为雨滴最大横截面积，故D的单位为米；为雨滴具有的质量；C为物体在流体中运动时的阻力系数，取C＝0.4；w_t为雨滴终极速度；θ和φ分别为夹角，有如下定义：

(4)将雨滴三维运动模型方程数值离散化，求取雨滴运动速度的数值解：

其中，Δt为积分的时间步长，上标t代表当前计算时步，t+1代表下一计算时步，u_a和v_a为不同高度风速值；

(5)向步骤(4)中的离散方程中代入初值条件，当t＝0时，满足如下条件：z＝h，u_a＝u_R，v_a＝v_R，w_T＝w_R；

(6)计算雨滴下落过程中不同高度风速值u_a和v_a，然后将计算得到的风速u_a和v_a代入步骤(4)中的离散方程，进行积分，以求取雨滴的下一步速度；

(7)不断重复步骤(6)直至满足结束条件h_t＝z₀，z₀为海面粗糙度；当满足该条件时，积分结束，模式最后一步积分求得的u_R，v_R和w_R即为雨滴冲击海面的速度；

(8)将粒径为D的单个雨滴应力表达式代入步骤(7)中求解的雨滴冲击速度u_R，v_R和w_R，计算得到的τ(D)乘以雨滴谱分布函数N(D)，并在全部雨滴粒径范围内积分，得到水平方向降雨致海面应力和垂直方向降雨致海面应力水平方向降雨致海面应力表达式为垂直方向降雨致海面应力表达式为其中，I为降雨率，单位为毫米每小时，N₀＝8000立方米每毫米；

(9)海面受到总的降雨致海面应力值为

2.根据权利要求1所述的定量计算降雨致海面应力的方法，其特征在于，所述垂向风廓线和降雨率数据包括大气层结、风速、海面粗糙度、降雨率、雨滴粒径分布多种因素。

3.根据权利要求1所述的定量计算降雨致海面应力的方法，其特征在于，所述步骤(2)中边界层高度h的判断依据为该式代表物理意义上的湍流应力，其极小值ε所在的高度即为边界层高度h。

4.根据权利要求1所述的定量计算降雨致海面应力的方法，其特征在于，所述步骤(3)中雨滴在边界层内下落的受力分析包括重力和空气阻力。

5.根据权利要求1所述的定量计算降雨致海面应力的方法，其特征在于，所述步骤(6)中根据雨滴的当前高度h_t＝h-∫w_Rdt，查找风廓线数据中离h_t最近点风速值，用对数廓线公式求得h_t处的风速u_a和v_a：其中，u_near，v_near为最近点的风速，z_neat为最近点风速所在的高度，u_*为摩擦速度。

6.根据权利要求1所述的定量计算降雨致海面应力的方法，其特征在于，所述步骤(8)中雨滴谱分布函数N(D)表达式为：

其中，I为降雨率，单位为毫米每小时，N₀＝8000立方米每毫米。