[发明专利]一种改进青藏高原地区的数值预报模式、地面感热和潜热通量以及气温计算方法

说明书

本发明涉及天气预测技术领域，具体涉及一种改进青藏高原地区的数值预报模式、地面感热和潜热通量以及气温计算方法，针对数值预报模式中MOST存在的问题，利用用MEP方法对MOST方法进行改进，通过用MEP模型对数值预报模式中采用MOST方法计算的地面感热和潜热通量进行能量平衡调整来降低模式感热、潜热和地面气温误差的技术；在WRF Noah‑MP模式中用MEP方法对地面感热和潜热通量的求解方法以及MEP模型与Noah‑MP的耦合技术。

技术领域

本发明涉及天气预测技术领域，具体涉及一一种应用最大熵增(Maximum EntropyProduction)方法改进青藏高原地区的数值预报模式、地面感热和潜热通量以及气温计算方法。

背景技术

受地面热力与动力影响，陆气交换和边界层大气运动对热量、动量和水汽的垂直输送导致气象要素呈现显著的日变化，中尺度天气系统及其伴随的强对流、强降水天气的产生和演变在很大程度上受到陆面边界层过程的影响。为了刻画陆-气之间的热量和水分交换过程，在20世纪50年代经典莫宁-奥布霍夫相似理论(Monin–Obukhov SimilarityTheory， MOST)被提出，也被称为总体输送法或者离散梯度法(Foken，2006)，被广泛应用于表面感热(SH)和潜热(LE)通量的计算。在MOST方法中，表面感热通量的计算表达式是一个半经验公式，而表面潜热通量的计算表达式是一个经验公式，其中通常假定湍流输送系数与地表风速和陆-气之间的温度、湿度差异成正比(Monin and Obukhov，1954；Wang etal.,2009；Wang等，2019)，根据这种假定，表面感热和潜热通量的计算公式如下：

SH＝ρC_pC_hV(T_s-T_a) (1)

LE＝ρC_pC_qV(q_s-q_a) (2)

在方程(1)-(2)中，C_h和C_q是经验系数，与表面粗糙度有关的参数，需要预先确定。

然而，由于MOST方法在计算表面感热和潜热通量中存在的问题，因此2009年提出了一种用最大熵增(Maximum Entropy Production，MEP)模型计算地表热通量的参数化方法(Wang等，2009，2011)。该方法是建立在数学物理基础理论上的一个全新模型，综合了贝叶斯概率论、非平衡态热力学理论和大气边界层湍流理论等，其中MEP原理是该模型的核心理论基础，即基于耗散或熵增函数方法，寻找在满足能量守恒约束条件下的极 (小)值解，从而得到净辐射对潜热、感热和地面热通量的唯一解。与传统的MOST方法相比，MEP模型不需要使用近地层多层温度梯度、多层湿度梯度、地表粗糙度和湍流交换系数，仅需要使用常规观测的地表净辐射、地表温度和空气湿度或者土壤湿度作为模型输入量，并通过迭代方法求解下面方程(3)—(6)得到SH和LE值。

LE＝B(μ)SH (4)

G+SH+LE＝R_net (5)