[发明专利]一种轴非对称台风风场模拟的方法

权利要求书

1.一种轴非对称台风风场模拟的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据西北太平洋热带气旋气象资料，以及实测数据及后验数据模拟资料，获取台风活动特征、台风登陆前后气压场及风场特征，利用气压场模型对后验数据模拟资料进行拟合，获得台风关键参数信息；

S2、根据台风登陆前后气压场及风场特征、台风风场模型和所获取的台风关键参数信息计算出台风最大风速，并将计算结果与实测数据、气象部门发布的台风强度后验值比对，得出基于轴对称气压场模型的台风风场模型的模拟精度；

S3、进行近岸台风轴非对称气压场模式化，提出以共焦点椭圆族为气压场等值线分布形式的二维平面模型，确定二维平面模型中长轴方向θ_c与海岸线走向、台风平移速度的量化关系，建立椭圆族各离心率e与台风气压值的函数关系f(e)，结合沿高度解析的台风轴对称气压场模型，建立沿高度解析的台风轴非对称气压场三维模型；

S4、基于所建立的台风轴非对称气压场三维模型对台风风场模型进行改进，得到近岸台风轴非对称风场模型；

所述台风风场模型包括slab模型和Meng模型；

所述slab模型为CE风场模型，其控制方程如下所示：

其中为质点导数；为局部导数；为对流项；为二维微分算子；P为气压场；为边界层内垂直平均的水平风速矢量；f为科氏参数；为垂直方向的单位矢量；ρ为平均的空气密度；h为边界层的厚度；C_D为阻力系数；K_H为水平涡粘系数，其计算方程如下所示：

其中，Δx是网格尺寸，k为无量纲常数，u和v分别为相对直角坐标系下的x方向和y方向的速度分量；

方程(2)转换为原点固连于台风中心，x轴指向正东为正，y轴指向正北为正的直角坐标系下的运动方程为：

其中，v₀和v_go分别是相对于台风中心的水平风速和有效地转风速，v_c是台风中心的移动风速；方程(4)通过分析拆分为以下的标量方程组：

式中：

其中，P_u、H_u、F_u分别代表着关于气压力、水平涡粘性力以及阻力在u方向的函数；同理，P_v、H_v、F_v分别代表着关于气压力、水平涡粘性力以及阻力在v方向的函数，s代表着u、v，是一种简写，即H_s分别等于H_u和H_v，F_s分别等于F_u和F_v；P_c为台风中心气压；u_g、v_g是有效地转风速在u、v方向的分量；u_c、v_c分别为台风中心的移动速度在u和v方向的速度；

所述Meng模型具有沿高度解析的能力，其矢量控制方程如下：

其中，V_g为梯度风速，V′为地表摩擦阻力风速，为地表摩擦阻力；

轴非对称气压场模型初步模型如公式(9a)、(9b)所示，结合公式(10a-10e)所示的沿高度解析的台风气压场模型，建立沿高度解析的台风轴非对称气压场模型：

P_*(z)＝P₀(1-μz/T₀)^gM/(Rμ)(10c)

P_v(z)＝P_vs(z)·RH(z)(10d)

其中，ρ(e,θ)为离心率为e沿θ方向的空气密度；e椭圆各族离心率，θ_c椭圆长轴方向；L为直角坐标系下的矢径；P₀为背景大气压力；P_c0为台风中心的气压；ΔP_c0为中心气压差；P(z)为热力学分析大气压力的垂直分布；dz为积分变量z的定积分；z为海拔高度；R_d为干空气特定气压常数；T(z)为大气纬温度的垂直分布；ρ(z)表示海拔高度z上的空气密度；P_*(z)为大气压力沿高度变化；μ为温度递减率；T₀为平均海面温度；g是重力加速度；M为干空气的摩尔系数；R为通用气体常数；P_v(z)为水蒸气压力的垂直分布；P_vs(z)为饱和水蒸气压力的垂直分布；RH(z)为相对湿度的垂直分布；

对于改进的CE风场模型，选择广东省内国家气象站点及香港地区地表站点记录的地表风场资料验证其模拟有效性及精度；对于改进的Meng模型，选择香港境内高空探测气球实测资料验证其模拟有效性及精度。

2.根据权利要求1所述的一种轴非对称台风风场模拟的方法，其特征在于，所述矢量控制方程用于得到以下的标量控制方程组：

其中，P为气压场，K_m为涡流粘度，f为科氏参数，r为风速半径，ρ为空气密度，v_r、v_θ分别为水平风速的分别沿r方向和θ方向的分量，v_rg、v_θg分别为梯度风速分别沿r方向和θ方向的分量，c_θ＝-csin(θ-β)，c_θ为沿θ方向的台风中心移动速度，θ为正东方向与模拟点和台风中心连线的夹角，β是台风中心移动方向和正东方向的夹角，c为台风中心移动速度。