一種用于數(shù)值大氣模式的典型降雨事件選取方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于數(shù)值大氣模式的典型降雨事件選取方法。該方法包括：基于次降雨量的典型降雨事件分類方法；降雨時(shí)間不均勻性的計(jì)算方法；降雨空間不均勻性的計(jì)算方法；基于降雨時(shí)空不均勻系數(shù)的典型降雨事件選取方法。本發(fā)明從雨量及其時(shí)空分布角度出發(fā)，為數(shù)值大氣模式的選取和調(diào)整提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的典型降雨事件的選取方法，定量描述了降雨類型，衡量了在某一研究區(qū)內(nèi)，數(shù)值大氣模式對(duì)不同類型降雨的模擬精度，不僅可以為該模式在研究區(qū)內(nèi)的模式設(shè)置提供依據(jù)，而且可以說明該模式更適合那種降雨類型，同時(shí)為模式的選取提供依據(jù)，為氣象、水利等有關(guān)部門針對(duì)不同的降雨類型提供合理的數(shù)值大氣模式模擬方案，具有普遍適用性。
【專利說明】
-種用于數(shù)值大氣模式的典型降雨事件選取方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及數(shù)值降雨預(yù)報(bào)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種用于數(shù)值大氣模式的典型降雨 事件選取方法
【背景技術(shù)】
[0002] 降雨的模擬與預(yù)報(bào)不僅為人們的生活提供便利，而且有助于人們采取措施減小或 避免因降雨引發(fā)的自然災(zāi)害可能造成的損失。自從數(shù)值大氣模式出現(xiàn)W來，定量降雨模擬 與預(yù)報(bào)成為現(xiàn)實(shí)，不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，更為數(shù)值大氣模式的更新與改進(jìn)提供了強(qiáng)有力 的技術(shù)支撐。但由于降雨的形成過程與發(fā)生受大尺度大氣環(huán)流、洋流、海陸位置、地形、下墊 面及人類活動(dòng)等多方面的影響，因此降雨的時(shí)空分布存在諸多不確定性，其預(yù)報(bào)難度也較 其他氣象要素大。
[0003] 對(duì)于某一數(shù)值大氣模式來講，如WRF模式，在其對(duì)降雨進(jìn)行模擬或預(yù)報(bào)前，需要對(duì) 該模式的初始場(chǎng)、物理參數(shù)化方案、分辨率等進(jìn)行設(shè)置，而對(duì)于不同地區(qū)的時(shí)空分布與累計(jì) 降雨量都不同的降雨場(chǎng)次，不同的設(shè)置方案獲得的模擬或預(yù)測(cè)結(jié)果有一定差別，有些設(shè)置 方案的模擬與預(yù)報(bào)結(jié)果更加接近實(shí)測(cè)值，而其他方案的模擬與預(yù)報(bào)結(jié)果較差。但目前對(duì)于 某種數(shù)值大氣模式，并未形成一套典型降雨事件選取的方法，來判斷其設(shè)置方案是否適合 該研究區(qū)某種類型降雨的模擬與預(yù)報(bào)。一定程度，數(shù)值大氣模式的設(shè)置具有很大的盲目性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種用于數(shù)值大氣模式的典型降雨事件選取方法，綜合考量了降雨 的時(shí)間不均勻性、空間不均勻性和次降雨量，其解決的技術(shù)問題是如何選取典型降雨事件 來探究某一數(shù)值大氣模式對(duì)研究區(qū)的降雨模擬與預(yù)報(bào)方案，從而為該模式對(duì)某種類型降雨 的模擬與預(yù)報(bào)提供最佳的設(shè)置方案。
[0005] 為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明采用了 W下方案：
[0006] -種用于數(shù)值大氣模式的典型降雨事件選取方法，包括W下幾個(gè)步驟：
[0007] 步驟1、數(shù)值大氣模式的選取與驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的選??；
[000引步驟2、基于次降雨量的典型降雨事件分類；
[0009] 步驟3、基于次降雨時(shí)空不均勻性的典型降雨事件選??；
[0010] 步驟4、數(shù)值大氣模式的物理參數(shù)化方案W及網(wǎng)格嵌套方案的設(shè)置與模擬。
[0011] 目前常用驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)來源有兩種，一種是美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中屯、(NCEP)的產(chǎn)品，包 括腳巧日6!^5數(shù)據(jù)；另一種是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中屯、WOWF)的產(chǎn)品，包括ERA40和EC歷F forcast數(shù)據(jù)。其中F化和ERA40用于歷史降雨事件的模擬，而G^^S和ECMWF forcast用于未來 降雨事件的預(yù)報(bào)。驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)為數(shù)值大氣模式提供模式模擬與預(yù)報(bào)的初始條件，不同的數(shù)據(jù) 對(duì)最終模擬或預(yù)報(bào)結(jié)果有一定影響。因此步驟1中驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的選取較為重要。
[0012] 不同數(shù)值大氣模式有不同的物理參數(shù)化方案。W目前最先進(jìn)的WRF模式為例，其包 含的主要物理過程有微物理過程、積云對(duì)流參數(shù)化過程、陸面過程、邊界層等。其中，微物理 過程主要是指云粒子的形成、增長(zhǎng)W及形成降水的微觀物理過程，伴隨著水的相變及其能 量的變化過程；積云對(duì)流過程伴隨著云團(tuán)生成、發(fā)展、旺盛W及由于溫度不同時(shí)形成的對(duì) 流，與降水過程的聯(lián)系非常密切;陸面過程直接影響地表水熱通量，并影響低層大氣環(huán)流和 水汽福合量的模擬;邊界層的布局影響低層大氣要素，而且通過垂直輸送也可對(duì)高層大氣 產(chǎn)生影響。每一種物理過程又含有多種物理參數(shù)化方案，運(yùn)些參數(shù)化方案都是對(duì)具體物理 過程的數(shù)學(xué)描述，具體見下表：
[mi3l
[
[0015] 不同物理參數(shù)化方案的組合對(duì)模擬結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響，直接影響降雨模擬和預(yù) 報(bào)的準(zhǔn)確性，因此步驟4中設(shè)置物理參數(shù)化方案對(duì)于是數(shù)值大氣模式非常關(guān)鍵。
[0016] 網(wǎng)格嵌套方案是指數(shù)值大氣模式的降尺度方案，由于NCEP或者ECMWF的產(chǎn)品是使 用全球模式的運(yùn)行獲得的，空間分辨率較低，一般為0.5° XO.5°或1° X 1°，不能直接用于中 小尺度數(shù)值大氣模擬與預(yù)報(bào)。而實(shí)際的數(shù)值天氣模擬與預(yù)報(bào)中，最里層的網(wǎng)格尺寸應(yīng)小于 IOkmX 10km，可使數(shù)值大氣模式的模擬與預(yù)報(bào)更加精細(xì)，能較準(zhǔn)確的描述局部天氣情況。數(shù) 值大氣模式常用=層嵌套網(wǎng)格進(jìn)行降尺度，即最外層網(wǎng)格最粗，中間層網(wǎng)格次之，最里層的 網(wǎng)格最細(xì)，如S層網(wǎng)格的尺寸分別為45km、15km、5km或者10km、3km、lkm等的嵌套方案。不同 的網(wǎng)格嵌套方案對(duì)數(shù)值大氣模式的模擬與預(yù)報(bào)結(jié)果影響較大。因此步驟4中設(shè)置網(wǎng)格嵌套 方案對(duì)于數(shù)值大氣模式也非常關(guān)鍵。
[0017]進(jìn)一步，步驟2次降雨量共劃分為W下6個(gè)等級(jí)：
[001 引
[0019] 。
[0020] 進(jìn)一步，步驟3提出了一種衡量次降雨時(shí)空不均勻性的綜合指標(biāo)e。
[0021] 進(jìn)一步，步驟3中的次降雨時(shí)空不均勻性綜合指標(biāo)是由基于降雨距平法的降雨時(shí) 間不均勻系數(shù)ep和基于偏差估計(jì)的降雨空間不均勻系數(shù)es共同決定；
[0022] 在次降雨量分類的基礎(chǔ)上，對(duì)每一種等級(jí)的次降雨量依據(jù)降雨時(shí)空分布不均勻性 系數(shù)e再進(jìn)行進(jìn)一步選取，該系數(shù)由降雨時(shí)間不均勻系數(shù)ep與空間不均勻系數(shù)es計(jì)算得到； 其中，第j個(gè)雨量站的降雨時(shí)間不均勻系數(shù)epj采用降雨距平法表示：
[0023；
(1)
[0024] 式中：Pi功第j個(gè)雨量站第i個(gè)小時(shí)的降雨量，單位為mm;n為降雨小時(shí)數(shù)；為第j 個(gè)雨量站Tl個(gè)小時(shí)內(nèi)的小時(shí)平挽雨量；
[0025]
[00%] es用降雨偏差系數(shù)表示：
[00的]
謝
[002引式中：Kj = Pj/P，Pj為第j個(gè)雨量站的次降雨量，單位為mm，P為研究區(qū)的面雨量，單 位為mm; m為雨量站個(gè)數(shù)；
[0029]
州。
[0030] 進(jìn)一步，步驟3中的次降雨時(shí)空不均勻性綜合指標(biāo)e分為W下6個(gè)等級(jí)： LUUJZJ
。
[0033] 進(jìn)一步，步驟3中的典型降雨事件類型共劃分為W下36種：
[0034]
[0035]
[0036] 進(jìn)一步，步驟4依照上述步驟3中確定的典型降雨事件類型，每種類型選取2~3場(chǎng) 降雨，利用數(shù)值大氣模式分別進(jìn)行模擬，針對(duì)每一種降雨類型提出適宜的模擬或預(yù)報(bào)方法， 不僅為該模式在研究區(qū)內(nèi)的模式設(shè)置提供依據(jù)，而且說明該模式更適合那種降雨類型，同 時(shí)為模式的選取提供依據(jù)。
[0037] 該用于數(shù)值大氣模式的典型降雨事件選取方法具有W下有益效果：
[0038] (1)本發(fā)明從雨量及其時(shí)空分布角度出發(fā)，為數(shù)值大氣模式的選取和設(shè)置提供了 一種標(biāo)準(zhǔn)化的典型降雨事件的選取方法，定量描述了降雨類型，衡量了在某一研究區(qū)內(nèi)，數(shù) 值大氣模式對(duì)不同類型降雨的模擬精度，不僅可W為該模式在研究區(qū)內(nèi)的模式設(shè)置提供依 據(jù)，而且可W說明該模式更適合那種降雨類型，同時(shí)為模式的選取提供依據(jù)，為氣象、水利 等有關(guān)部口針對(duì)不同的降雨類型提供合理的數(shù)值大氣模式模擬方案，具有普遍適用性。
[0039] (2)本發(fā)明提出了一種評(píng)價(jià)降雨時(shí)空分布不均的綜合性指標(biāo)，并對(duì)不均勻程度進(jìn) 行分級(jí)，基于該指標(biāo)將降雨類型分為36種，為數(shù)值大氣模式對(duì)不同降雨類型的適用性評(píng)判 提供了新方法，為數(shù)值大氣模式的選取與設(shè)置提供了依據(jù)。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明：
[0041] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是基于次降雨量和降雨時(shí)空分布不均勻性提出的一種 用于數(shù)值大氣模式的典型降雨事件選取方法，按照W下步驟實(shí)施：
[0042] (1)數(shù)值大氣模式的選取與設(shè)置:選取一種國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的對(duì)降雨模擬與預(yù)報(bào)效果 均較好的數(shù)值大氣模式，如WRF，并對(duì)該模式的初始場(chǎng)、物理參數(shù)化方案、分辨率等進(jìn)行設(shè) 置。
[0043] (2)基于次降雨量的典型降雨事件分類:從歷史降雨場(chǎng)次中，分類選取6組不同等 級(jí)的次降雨量，如表1所示。
[0044] 表1次降雨量等級(jí)表

[0046] (3)基于降雨時(shí)空不均勻性的典型降雨事件選取:在(2)的基礎(chǔ)上，對(duì)每一種等級(jí) 的次降雨量依據(jù)降雨時(shí)空分布不均勻性系數(shù)e再進(jìn)行進(jìn)一步選取，該系數(shù)由降雨時(shí)間不均 勻系數(shù)ep與空間不均勻系數(shù)es計(jì)算得到。其中，第j個(gè)雨量站的降雨時(shí)間不均勻系數(shù)epj采用 降雨距平法表示：
[0047]
(1)；
[001引式中：PiJ為第j個(gè)雨量站第i個(gè)小時(shí)的降雨量，單位為mm;n為降雨小時(shí)數(shù)；;為第j 個(gè)雨量站n個(gè)小時(shí)內(nèi)的小時(shí)平均雨量；
[0049]
[0050] es用降雨偏差系數(shù)表示：
[0化1 ]
(3) ;
[0052] 式中：Kj = Pj/P，Pj為第j個(gè)雨量站的次降雨量，單位為mm，P為研究區(qū)的面雨量，單 位為mm; m為雨量站個(gè)數(shù)；
「AAKOl ; L0054J 對(duì)e進(jìn)打分繳，表示降雨的不均勻程度，見表2。
[0化日]表化分級(jí)表
[0化6]

'[0060]~(4)數(shù)值大氣模式的設(shè)置與模擬:依照上述典型降雨事件類型，每種類型選取2-3' 場(chǎng)降雨，利用數(shù)值大氣模式分別進(jìn)行模擬，針對(duì)每一種降雨類型提出適宜的模擬或預(yù)報(bào)方 法，不僅可W為該模式在研究區(qū)內(nèi)的模式設(shè)置提供依據(jù)，而且可W說明該模式更適合那種 降雨類型，同時(shí)為模式的選取提供依據(jù)。
[0061]上面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了示例性的描述，顯然本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)并不受上述方 式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本發(fā) 明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場(chǎng)合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于數(shù)值大氣模式的典型降雨事件選取方法，包括以下幾個(gè)步驟： 步驟1、數(shù)值大氣模式的選取與驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的選取； 步驟2、基于次降雨量的典型降雨事件分類； 步驟3、基于次降雨時(shí)空不均勻性的典型降雨事件選取； 步驟4、數(shù)值大氣模式的物理參數(shù)化方案以及網(wǎng)格嵌套方案的設(shè)置與模擬。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于數(shù)值大氣模式的典型降雨事件選取方法，其特征在于:步驟 2次降雨量共劃分為以下6個(gè)等級(jí)：〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述用于數(shù)值大氣模式的典型降雨事件選取方法，其特征在于： 步驟3提出了一種衡量次降雨時(shí)空不均勻性的綜合指標(biāo)e。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述用于數(shù)值大氣模式的典型降雨事件選取方法，其特征在于:步驟 3中的次降雨時(shí)空不均勻性綜合指標(biāo)是由基于降雨距平法的降雨時(shí)間不均勻系數(shù)辦和基于 偏差估計(jì)的降雨空間不均勻系數(shù)e s共同決定； 在次降雨量分類的基礎(chǔ)上，對(duì)每一種等級(jí)的次降雨量依據(jù)降雨時(shí)空分布不均勻性系數(shù) e再進(jìn)行進(jìn)一步選取，該系數(shù)由降雨時(shí)間不均勻系數(shù)eP與空間不均勻系數(shù)es計(jì)算得到;其中， 第j個(gè)雨量站的降雨時(shí)間不均勻系數(shù)e w采用降雨距平法表示： (1); …J式中：Pu為第j個(gè)雨量站第i個(gè)小時(shí)的降雨量，單位為mm;n為降雨小時(shí)數(shù);A為第j個(gè)雨 量站η個(gè)小時(shí)內(nèi)的小時(shí)平均雨量·es用降雨偏差系數(shù)表示：(3) ； 式中：Kj = Pj/P，Pj為第j個(gè)雨量站的次降雨量，單位為mm，P為研究區(qū)的面雨量，單位為 mm ;m為雨量站個(gè)數(shù)；(4) 〇5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述用于數(shù)值大氣模式的典型降雨事件選取方法，其特征在于:步驟 3中的次降雨時(shí)空不均勻性綜合指標(biāo)e分為以下6個(gè)等級(jí)：ο6. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述用于數(shù)值大氣模式的典型降雨事件選取方法，其特征在于： 步驟3中的典型降雨事件類型共劃分為以下36種：7. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任何一項(xiàng)所述用于數(shù)值大氣模式的典型降雨事件選取方法，其 特征在于:步驟4依照上述步驟3中確定的典型降雨事件類型，每種典型降雨事件類型選取 2-3場(chǎng)降雨，利用數(shù)值大氣模式分別進(jìn)行模擬，針對(duì)每一種降雨類型提出適宜的模擬或預(yù)報(bào) 方法，不僅為該數(shù)值大氣模式在研究區(qū)內(nèi)的模式設(shè)置提供依據(jù)，而且說明該數(shù)值大氣模式 更適合那種降雨類型，同時(shí)為模式的選取提供依據(jù)。
【文檔編號(hào)】G01W1/10GK105954821SQ201610248862
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月20日
【發(fā)明人】劉佳, 李傳哲, 田濟(jì)揚(yáng), 嚴(yán)登華, 于福亮, 王洋, 聶漢江
【申請(qǐng)人】中國(guó)水利水電科學(xué)研究院