專利名稱：日食效應(yīng)的超長期天氣預(yù)報方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超長期天氣預(yù)報方法。天氣預(yù)報分短期、中期、長期及超長期四種，短期為三天以下的天氣預(yù)報，中期為十天左右的天氣預(yù)報，長期為一個月，超長期為一個月以上的天氣預(yù)報。本發(fā)明屬于超長期數(shù)值天氣預(yù)報范圍。
目前美、歐洲中心及日本僅能作出十天以內(nèi)的中期預(yù)報，長期及超長期數(shù)值天氣預(yù)報均不能作出，關(guān)鍵是未考慮日食對太陽輻射的影響，因為大氣環(huán)流運動的能源，來自太陽輻射。
大氣環(huán)流變化是形成水旱災(zāi)害的直接原因，而水旱災(zāi)害對國民經(jīng)濟的影響是巨大的。研究大氣環(huán)流變化的原因、探討旱澇超勢，是當(dāng)代的一個重大課題，這亦是超長期天氣預(yù)報的研究范疇。國內(nèi)外不少研究者從太陽活動、地溫、海溫、極冰、火山活動、地球軌道要素(米蘭科維奇效應(yīng))、統(tǒng)計相關(guān)等探討其規(guī)律，但仍眾說不一。由于大氣環(huán)流的基本能源是太陽輻射，太陽在日地距離處的每平方厘米的太陽光束強度(即太陽常數(shù))約為太陽表面輻射強度的五萬分之一。地球僅接受太陽放出的輻射能量的四十多億分之一，數(shù)量是相當(dāng)微小的。從人造地球衛(wèi)星的觀測，太陽常數(shù)僅有不規(guī)則的微小波動，其變化范圍僅有0.2-0.3％，與太陽黑子變化亦不同步，太陽常數(shù)的變化是微乎其微的，可以認(rèn)為大氣環(huán)流的能源是一個相對穩(wěn)定的能源。能影響地球接受太陽輻射，才能影響大氣環(huán)流運動的變化，而能影響地球接受太陽輻射的外部因素中，只有日食比較顯著。因日食每年至少發(fā)生兩次，最多達(dá)五次(如1935年)，每年由于日食平均影響地球接受太陽輻射面積達(dá)1.71×108KM2，為地球表面積5.1×108KM2的33.5％，最多達(dá)3.07×108KM2(如1973年)，為地球表面積的60.2％。一次中心日食的月影面積為108KM2，影響地球接收太陽輻射為1014MJ，其輻射損失是顯著的。日食過程從初虧到復(fù)圓一般要經(jīng)歷2.5小時以上，其影響時間長。從1987、1995年宿縣、禹城、西沙永興島日食觀測(日食食分為0.8-0.9)裸地表面溫度降在10-15℃，影響地表深度達(dá)20cm，1987年9月23日科學(xué)1號考察船在西太平洋(19°30′N，120°40′E)上觀測日食時，海水表面溫度降為1.4℃，其最大食分為0.68；1995年10月24日在西沙永興島觀測，海水表面溫度降為1.1℃，其最大食分為0.8。日食對地表及海面溫度降作用顯著，初步估算，一次日食可增加大氣環(huán)流總動能達(dá)30％。因此，日食是形成大氣環(huán)流異常變化，形成旱、澇災(zāi)害的主要原因。
從1981年以來，用日食相似年方法進(jìn)行超長期天氣旱、澇趨勢預(yù)測，亦取得比較好的效果。從1981-1989年統(tǒng)計，其澇區(qū)預(yù)報的成功率在70-80％，旱區(qū)較差，只有40-50％。由于日食相似年在選擇相似年上，在日食發(fā)生的時間及地區(qū)上不可能絕對相似，且相似年所依據(jù)的歷史氣候史料，各地亦詳略不一，所以相似年存在一定誤差(1)。
1989年4月本發(fā)明人在“近期重大旱澇災(zāi)害趨勢預(yù)測會議(北京)”上提出大氣動力學(xué)基本方程是由動量守恒、質(zhì)量守恒、水氣質(zhì)量守恒、狀態(tài)方程、熱流入方程等一組編微分方程所組成，如下列(1)-(5)方程式dv→dt=-1ρΔ-fk→×v→-g→+F→----(1)]]>dρdt=-ρ(∂u∂x+∂v∂y+∂w∂z)----(2)]]>∂q∂t+v→Δq=1ρ·s----(3)]]>P1ρ1T1=P2ρ2T2=R----(4)]]>δQ=CdTdt-A.1ρ·dpdt----(5)]]>因為其為一組非線性方程，它一般不存在解析解，只能用數(shù)值方法求其近似解，二次世界大戰(zhàn)以后，高空探測站大增，電子計算機問世，為數(shù)值天氣預(yù)報創(chuàng)造了條件，經(jīng)過60年代、70年代的發(fā)展，由電子計算機進(jìn)行宏觀分析及原始方程模式作預(yù)報獲得成功，使數(shù)值天氣預(yù)報進(jìn)入了一個新階段，可以作全球范圍的模擬計算。如在上一組方程上，考慮日食對大氣環(huán)流的影響，即dqcdt=(Dλ,φ,T,g)---(6)]]>式中qc為日食地面月影區(qū)格點的熱量損失；Dλ，φ為日食地面月影區(qū)格點的經(jīng)、緯度；T為格點的見食時間；g為格點的食分。
在日食前后進(jìn)行計算，如能與實況一致，則數(shù)值模擬與相似年方法可相互補充，并會對超長期天氣預(yù)報有較大的促進(jìn)(2)。
目前超長期天氣預(yù)報未能走出困境，關(guān)鍵即未考慮日食對大氣環(huán)流的影響。
鑒于上述，本發(fā)明目的即是提出一種超長期天氣預(yù)報的新方法。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的日食效應(yīng)的超長期天氣預(yù)報方法，其步驟為1.先不考慮日食影響，用大氣環(huán)流模式算出每一單位時間的雨量；2.考慮日食影響后，再次用大氣環(huán)流模式算出每一單位時間的雨量；3.將以上兩者的結(jié)果相減；4.按每日、每旬、每月累加，即得到該日、旬、月的降雨趨勢。
本發(fā)明的優(yōu)點是可增加天氣預(yù)報的預(yù)見期，由于是超長期天氣預(yù)報，可預(yù)見到我國汛期全國各地旱區(qū)與澇區(qū)，對各地防災(zāi)抗災(zāi)將起到不可估量的作用，其社會經(jīng)濟效益是巨大的，我國每年平均因洪水經(jīng)濟損失為3000億元，死亡3000人，若減少損失1/10，亦可達(dá)300億元社會經(jīng)濟效益。
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖1為1991年6-8月日食效應(yīng)數(shù)值模擬旱澇距平圖；圖2為1991年6-8月同期實際降水距平百分率圖；圖3為1994年5月10日日食的月影面積圖；圖4為1994年6-8月日食效應(yīng)數(shù)值模擬旱澇距平圖；圖5為1994年6-8月同期實際降水距平百分率圖；圖6為1995年4月29日日食的月影面積圖；圖7為1995年6-8月日食效應(yīng)數(shù)值模擬旱澇距平圖；圖8為1995年6-8月同期實際降水距平百分率圖；圖9為1996年6-8月日食效應(yīng)數(shù)值模擬旱澇距平圖；圖10為1996年6-8月同期實際降水距平百分率圖。
數(shù)值天氣預(yù)報中所采用的大氣環(huán)流數(shù)學(xué)模型在世界各國已有多種，如美國國家氣象中心(NMC)的全球波譜預(yù)報模式、美國海軍全球預(yù)報模式(FNOC)、歐洲中心的中期天氣預(yù)報模式(ECMWF)、日本氣象廳的半球模式(JMA)及我國大氣物理研究所的二層大氣環(huán)流模式等，美國國家氣象中心、日本氣象廳均采用譜模式，美國海軍、歐洲中心及我國大氣物理研究所均采用網(wǎng)格模式。各國模型均大同小異，大同即各個模型中所考慮和各個物理方程是一致的；小異是在物理過程參數(shù)化、網(wǎng)格模式或譜模式、網(wǎng)格距及大氣層次劃分上有所不同。如美國國家氣象中心將大氣分為12層，歐洲中心分為15層，我國為二層；網(wǎng)格距美國海軍為Δλ＝Δφ＝2.5°；歐洲中心為Δλ＝Δφ＝1.875°；我國為Δλ＝5°，Δφ＝4°。
為了將公式(6)具體應(yīng)用到數(shù)值模擬計算中，要將太陽輻射在進(jìn)入大氣層前，減去由于日食影響所造成的輻射損失。
以我國大氣物理所二層大氣環(huán)流模型為例，在日地距離rE大氣頂太陽輻射通量S∝為S∝＝S∝c(rE/rE)2將其改為S∝＝S∝(1-g)(rE/rE)2即可，其中S∝即在一個天文單位rE的太陽常數(shù)值，為2793.61g/天；rE為日地平均距離，即為一個天文單位；rE為該日的日地距離；g為該格點、該步長的平均食分。食分即月亮擋住太陽直徑的分?jǐn)?shù)，食分0.5即擋住太陽直徑的一半，經(jīng)計算，食分0.5與擋住太陽圓面50％相當(dāng)，食分0.8即擋住太陽圓面80％，因此式中的(1-g)即為由于日食的影響，太陽剩下可以輻射的面積。模型中其他計算公式均不變。
在進(jìn)行計算時先求出上半年日食每個格點每步長的平均食分(按二層大氣環(huán)流模式，格點數(shù)為3170，每次日食大約有500-1000個格點見食)，以1995年4月29日日食為例，其格點食分計算如下 L(fēng)A＝-95FA＝180 300.021注LA代表經(jīng)度，+為東經(jīng)，-為西經(jīng)；1 300.068FI代表緯度，+為北緯，-為南緯；LA＝-90FA＝18 時間為北京時(可改為世界時)，0 300.0440 30為0時30分，1 30為1時30分；1 300.2260.226即代表1時30分時的食分，2 300.100可作為1-2時的平均食分。
L(fēng)A＝-60FA＝61 300.2872 300.7283 300.525起始場用全球?qū)崪y值，這樣可減少誤差，如1995年4月29日有日食，計算時可采用4月27日全球?qū)崪y值開始計算，一直算到需要的月份。每年日食一般為二次，相隔半年，如1995年4月發(fā)生日食，則下半年日食為10月；亦有一年發(fā)生4次或5次日食，這些均為極區(qū)偏食，如1917年在1月23日、6月19日、7月19日、12月14日共發(fā)生4次日偏食；又如1935年在1月5日、2月3日、6月30日、7月30日、12月25日共發(fā)生5次日偏食。在這些年份計算時，如1917年，應(yīng)將6月、7月日食各格點見食時間及食分算出，起始場可從4月中旬或4月底起算(因我國南方一般5月即進(jìn)入汛期)。有不同要求亦可提前或錯后。
數(shù)值模擬計算所算出的為每步長(即1小時)的降雨量，模擬計算一般算二次，第一次不加日食影響，第二次加上日食影響，將算出的每小時雨量相減，每日、每旬、每月累加即為該日、旬、月的降雨趨勢。
實施例1991年開始用中國科學(xué)院大氣物理研究所二層環(huán)流模式(IPA Two LevelAtmospheric General Circulation Model)，以日食作為擾動源，由發(fā)明人委托大氣物理研究所李崇銀研究員進(jìn)行數(shù)值模擬計算。該二層環(huán)流模式步長為1小時，網(wǎng)格點為4°(緯)×5°(經(jīng))，因系初算，起始場用平均場，日食輻射損失按月影區(qū)平均值并予以加大(當(dāng)時計算的同志怕其影響小)，日食月影區(qū)面積為便于輸入而稍加調(diào)整。從有日食的6月份開始計算，計算到9月，計算結(jié)果如圖1。
圖2為1991年6-8月降水距平圖，從圖1、圖2比較，數(shù)學(xué)模擬計算經(jīng)果再現(xiàn)了長江下游太湖流域暴雨區(qū)，雨區(qū)中心有些偏南，從首次計算中看出，計算雖嫌粗略，但這一方法與思路是可行的。
1994年又進(jìn)行第二次計算，起始場用歐洲氣象中心全球?qū)崪y值。1994年5月10日在南半球有日食，中午見食地區(qū)在西經(jīng)81°，北緯42°的美國芝加哥附近，月影面積約為1.34億平方公里，月影區(qū)格點數(shù)為925，為二層大氣環(huán)流模型全球格點數(shù)3170個的29.2％，(參見圖3)，格點日食見食時間及食分委托河南省地理研究所周克前付研究員計算，二層環(huán)流模擬計算從5月初開始，一直計算到9月份，我國各大江河主汛期結(jié)束。1994年6-8月日食效應(yīng)數(shù)字模擬預(yù)報值如圖4。1994年6-8月實況降雨距平百分率圖如圖5。從圖4、圖5對照分析，北部黃河中游、華北雨區(qū)符合較好，南部珠江西江暴雨區(qū)偏西太多，與實況不符，后經(jīng)分析，因二層環(huán)流模式步長為1小時，而日食時間僅為2.5小時左右，步長輻射損失采用步長初始值，這樣建立起來的輻射損失模型與實況不一致，提出在今后計算中每步長輻射損失應(yīng)采用步長的平均值，以與實際輻射損失模型接近。
1995年進(jìn)行第三次模擬計算。1995年4月29日在中美洲有一次日食，中午食甚在中美洲厄爾瓜多沿海一帶，日食月影面積約1億平米公里，月影區(qū)內(nèi)格點數(shù)有531個，比1994年925個為少，其原因為月影面積比1994年少0.33億平方公里；其次1995年月影區(qū)主要橫跨赤道附近，格點面積大，因此格點數(shù)目減少(參見圖6)。1995年模擬計算從4月份開始，初始場采用歐洲氣象中心全球?qū)崪y值，步長日食輻射損失探用步長的平均值，從1995年4月計算至9月。1995年6-8月日食效應(yīng)數(shù)學(xué)模擬降雨趨勢預(yù)報值如圖7所示。1995年6-8月降雨距平百分率圖如圖8所示，從比較分析，北部雨區(qū)如東北、華北、新疆均符合實際；河南、陜西關(guān)中旱區(qū)，預(yù)報區(qū)域亦與實況一致；兩湖雨區(qū)(鄱陽湖、洞庭湖)未算出，計算值為少雨區(qū)，實際為多雨中心。
1996年采用南京大學(xué)大氣科學(xué)系大氣環(huán)流九層譜模式，委托南京大學(xué)大氣科學(xué)系江敦春付教授計算，日食計算委托紫金山天文臺歷算室何玉國付研究員，譜模式網(wǎng)格為東西48點，南北向40點，網(wǎng)格距為4.5(緯)×7.5(經(jīng))。1996年4月17日南極區(qū)有偏食，從4月開始計算，至9月結(jié)束，其6-8月降雨趨勢預(yù)報值如圖9。1996年6月-8月降雨距平如圖10，河套以西及長江下游多雨區(qū)預(yù)報準(zhǔn)確；華北及長江中游多雨區(qū)未預(yù)報出，而預(yù)報為少雨區(qū)。
從以上計算實例可看出1.從1991、1994、1995、1996四年(主要是1994-1996三年)以日食作為擾動源，單因子進(jìn)行大氣環(huán)流數(shù)學(xué)模擬計算，有日食與沒有日食的降雨量是不一致的，在1994-1995年且降雨趨勢(有日食降雨減沒有日食降雨)與實況相比，我國北方(北緯30°以上)基本上是一致的，南部稍差，這說明日食是能夠影響大氣環(huán)流運動，由于降雨趨勢與實況符合，進(jìn)一步證實了本發(fā)明人在《論日食與水旱災(zāi)害關(guān)系》一書中的論述的日食是影響大氣環(huán)流運動，形成水旱災(zāi)害的重要原因。
2.從1994、1995年數(shù)學(xué)模擬計算結(jié)果，北部比南部計算較符合實際，作為超長期天氣趨勢預(yù)報是可信的。南部結(jié)果較差，這可能與二層環(huán)流模式網(wǎng)格面積大不一有關(guān)。大氣的二層環(huán)流模式網(wǎng)格為4°(緯)×5°(經(jīng))，在赤道區(qū)每一個網(wǎng)格面積為240000平方公里，而極區(qū)僅有12000平方公里，兩者相差20倍，其計算精度自然會形成北高南低，這需要進(jìn)一步研究提高。
3.1996年采用南京大學(xué)大氣科學(xué)系的九層譜模式，從計算結(jié)果與實況對比看，我國南北旱澇區(qū)，有符合實況的，有不符合實況的，不如大氣的二層環(huán)流模式穩(wěn)定，分辨率不如二層環(huán)流模式清晰，譜模式在計算上較優(yōu)，其模式看來不如二層環(huán)流模式。這還有待進(jìn)一步檢驗。
參考文獻(xiàn)(1).趙得秀、趙文桐編著論日食與水旱災(zāi)害的關(guān)系，西北工業(yè)大學(xué)出版社，1992。
(2).趙得秀以“日食效應(yīng)”相似年方法預(yù)測全國近期重大旱澇災(zāi)害。中國地球物理學(xué)會天災(zāi)預(yù)測專業(yè)委員會天災(zāi)預(yù)論文集，1989。
(3).Zeng Qing-Cun etalDocumentation Of IPA Two Level AtmosphericGeneral Circulation Model，1989。
(4).蔡清彥等著數(shù)值天氣預(yù)報，聯(lián)經(jīng)出版事業(yè)公司，1990。
(5).張玉玲等編著數(shù)值天氣預(yù)報，科學(xué)出版社，1987。
權(quán)利要求
1.一種日食效應(yīng)的超長期天氣預(yù)報方法，其步驟為1)先不考慮日食影響，用大氣環(huán)流模式算出每一單位時間的雨量；2)考慮日食影響后，再次用大氣環(huán)流模式算出每一單位時間的雨量；3)將以上兩者的結(jié)果相減；4)按每日、每旬、每月累加，即得到該日、旬、月的降雨趨勢。
全文摘要
日食效應(yīng)的超長期天氣預(yù)報方法，其步驟為1.先不考慮日食影響，用大氣環(huán)流模式算出每一單位時間的雨量；2.考慮日食影響后，再次用大氣環(huán)流模式算出每一單位時間的雨量；3.將以上兩者的結(jié)果相減；4.按每日、每旬、每月累加，即得到該日、旬、月的降雨趨勢。本發(fā)明考慮了日食對大氣環(huán)流的影響，可增加天氣預(yù)報的預(yù)見期，由于是超長期天氣預(yù)報，可預(yù)見到我國汛期全國各地旱區(qū)與澇區(qū)，對各地防災(zāi)抗災(zāi)將起到不可估量的作用，具有極大的社會效益和經(jīng)濟效益。
文檔編號G01N1/10GK1167256SQ9710063
公開日1997年12月10日 申請日期1997年3月12日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月12日
發(fā)明者趙得秀 申請人:趙得秀