CN107238873A - 一种关于气旋状态的统计分析预报系统及调节方法 - Google Patents

Abstract

一种基于磁扰对气旋高几率呈现助弱抑强作用，并以太阳高能粒子流与磁扰及气旋的密切关系为依据的统计分析预报系统，以及可通过对电离层进行高功率电磁波照射来人工引发强磁扰进而可改变有关气旋状态的方法。

Description

一种关于气旋状态的统计分析预报系统及调节方法

●技术领域

本发明涉及一种关于气旋状态的统计分析系统，尤其是涉及依据气旋与磁扰的密切关系来对气旋及其相关的天气和气候状态进行分析预报的系统及调节方法。

●背景技术

伴随人类发射飞行器的不断增多，对空间天气及气候的探索与研究逐渐深入，这不但为空基与地基通讯、导航等提供必要的支持，而且为人类更深入地掌握行星天气及气候变化规律创造了便利和保障条件。依据SOHO太阳观测平台关于太阳活动的各种参数的详细记录，为人类研究分析太阳系内行星气候变化奠定了从未有过的极好基础。通过世界各国建立的地基和空基之观测平台，对气旋生成及其发展的整个生命史的详细观测记录为人类预报相关的天气状态等提供了有利条件。太阳光辐射及太阳高能粒子流是太阳系内行星天气及气候变化的主源。地球及其它星体上气旋变化相关整个星体天气及气候变化，而且对于地球上人类的生存与发展而言，若对气旋的发展状态能够有一可靠准确的提前预报，可在一定程度上减小气旋带给人类的危害或使气旋带给人类的益处最大化。另外人为能够调节气旋强度也是人类梦寐以求的事情。

●发明内容

本发明的目的就是为了提供一种关于气旋状态变化的分析预报系统及调节方法，通过对空间天气信息的统计分析来预报气旋发展状态及适时人为调节来降低灾害性天气及气候的危害程度。

本发明关于一种气旋变化的统计分析预报系统，依据磁扰引发行星大气运动中的气旋变化以及磁扰对气旋的助弱抑强作用的统计规律，在对磁扰的主源- 太阳高能粒子流的生成发展状态以及相应磁扰强度的分析预报基础上，或者在正在生成的磁扰基础上，对气旋生成发展状态和相关的天气及气候变化状态做相应的分析预报。

一种对气旋的人为调节方法，通过高空核爆或者高功率电磁波照射电离层来实现人为触发(强)磁扰，利用(强)磁扰对气旋实现助弱抑强，来助力增强对人类有益的弱气旋，或者抑制削弱对人类存在危害的强气旋。

磁扰对气旋的助弱抑强作用叠加在影响气旋变化的其它因素之中。

由于木星大红斑属于强气旋，磁扰对其产生抑制削弱作用，尤其强磁扰对大红斑的减弱作用强。即大红斑缩小速率与强磁扰的发生率正相关。而强磁扰的发生率又因为同CME的发生率正相关，则大红斑的缩小速率同CME的发生率正相关。

决定气旋强度之三要素：能量，科里奥利因数，扰动。气旋强度与能量供应及科里奥利因数正相关。虽然对比地球，对木星的太阳辐射强度较低，但木星内能释放强，且木星科里奥利因数较高，则大红斑气旋可达到的峰值强度远高于地球上气旋的峰值强度。

磁扰动是扰动中的一种。磁扰动对气旋助弱抑强。磁扰动是气旋由低强度向高强度或从高强度向低强度(包括消失)发展的加速器或生长激素。在气旋生命史中，其强度快速大幅增加与快速大幅降低过程皆分别明显地对应强磁扰过程。即气旋强度的变化幅度与磁扰强度正相关。

在气旋其强度到达峰值之前，磁扰高几率助气旋强度大幅增加；在气旋强度到达峰值之后，磁扰则高几率抑制削弱气旋，使气旋强度大幅降低。也低几率存在反相的，即在气旋强度到达峰值之前磁扰削弱气旋，或者在气旋强度达到峰值之后及在气旋强度的下降期间磁扰助力增强气旋。

气旋增强主要由多段强磁扰引发气旋强度不断大幅提升中累积而成；反之，气旋减弱主要由多段强磁扰引发气旋强度不断大幅降低下累计而成。弱磁扰所起作用相对弱化，属于次要作用。同一段磁扰，对某些气旋明显地提升其强度，而对其它气旋明显地降低其强度。

木星大红斑气旋超强及持久存在的成因：虽然对木星的太阳辐射强度低于对地球，但是木星内能释放远超高于地球内能释放；大红斑气旋仅仅纬向移动，始终处于内能释放的强区以及接受太阳辐射的强区；同纬度木星的科里奥利因数是地球的近2.4倍；对于来自太阳高能粒子流所触发的木星强磁扰与地球强磁扰，木星强磁扰时的极光的纬度范围小于地球强磁扰时的极光的纬度范围，这就使木星大红斑所在纬度位置所感受到的磁扰的影响程度相对弱于地球上同纬度位置的气旋所感受到的磁扰的影响程度。削弱大红斑的主因是扰动，而磁扰又是长期扰动的主源。极强气旋-大红斑在相对较弱的磁扰的伴随及作用下，虽不断减弱但可持续时间极长。

利用磁扰对气旋高几率所呈现的助弱抑强作用，对气旋状态进行人为调控，从而获得效益或减灾。在高空核爆或者对高空电离层进行高功率电磁波照射来人为触发较强磁扰，用磁扰来助力增强弱气旋或抑制削弱强气旋。人为触发强磁扰的具体作业区域也可选在磁两极上空。

依照气旋与磁扰，磁扰与太阳高能粒子流之间的关系，建立一套统计分析预报系统。对已有强磁扰(磁暴)相关信息的历史记录或者在有关强磁扰生成的预报基础上，或者在强磁扰正在发生的同时，对有关区域中气旋的状态及其相关的天气、气候状态等进行分析，可回溯当时的气旋状态及相关的天气、气候状态，或预报将来的气旋状态及相关的天气、气候状态，或及时地对气旋强度及相关天气、气候状态进行调节。

一种关于行星表面状态的分析预报方法，利用行星表面大气状态与气旋的密切关系，对行星表面状态进行分析预报。

●附图说明

下面将结合附图和非限制性的实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1，图2，图3，图4，图5，图6和图7示出本发明的关于气旋状态的统计分析预报系统及调节方法的实施例的示意图。每一图中皆标明气旋强度变化与地磁指数(Dst)变化的对应关系。

●具体实施方式

↑↓：分别表示气旋强度的上升与下降。

2016年2、3、4月内无气旋，虽磁扰较强。在2016年气旋和磁扰的对比统计分析表中，所选取的气旋：

(1)太平洋台风季和太平洋飓风季及大西洋飓风季中气旋强度各前三名，共计9个气旋(7、8、9、10月为气旋强度峰值较高月)

(2)6月上旬连续3个气旋(6月为气旋强度峰值较低月)；

(3)9月下旬连续三个气旋(9月为气旋强度峰值较高月)。

(4)未登陆气旋2个

对于气旋强度的简写字母说明：

热带低气压～td；热带风暴～ts；

对于台风与飓风的级别这里仅以Cn简化表达。

2016年气旋和磁扰的对比统计分析表

综合统计分析结果，即统计规律为：

1.在气旋生命史中，其强度快速大幅增加与快速大幅降低过程皆分别明显地对应强磁扰过程。即气旋强度的变化幅度与磁扰强度正相关。

2.在气旋其强度到达峰值之前，磁扰高几率助气旋强度大幅增加；在气旋强度到达峰值之后，磁扰则高几率抑制削弱气旋，使气旋强度大幅降低。也低几率存在反相的，即在气旋强度到达峰值之前磁扰削弱气旋，或者在气旋强度达到峰值之后及在气旋强度的下降期间磁扰助力增强气旋。

3.气旋增强主要由多段强磁扰引发气旋强度不断大幅提升中累积而成；反之，气旋减弱主要由多段强磁扰引发气旋强度不断大幅降低下累计而成。弱磁扰所起作用相对弱化，属于次要作用。

4.同一段磁扰，对某些气旋明显地提升其强度，而对其它气旋明显地降低其强度。

2016年2、3、4月内无气旋，虽然磁扰较强；5、6、11、12月内气旋峰值强度低；7、8、9、10月气旋峰值强度高。这对应着太阳对地球不同区域的辐射强度季节变化及相关区域中对气旋的能量供应变化。在对气旋的能量供应上，地球内能释放和太阳辐射能量相比，后者占优势。气旋强度与能量供应流量(功率)正相关。这包括气旋峰值强度与对其能量供应流量(功率)正相关。

气旋的生成与发展由能量，科里奥利因数(ω为地球自转速度；为纬度)，扰动三方面决定。

磁扰是扰动的一种，气旋强度变化的幅度与磁扰强度正相关。

气旋是一种能量释放过程或反应，气旋强度正相关于其反应速率。该反应速率可正相关于扰动强度，也可负相关于扰动强度。磁扰作为一种扰动对大气运动及气旋活动起调节作用。对于任一个气旋，在气旋强度到达峰值之前，高几率呈现磁扰对气旋强度的提升作用，也低几率存在磁扰对气旋强度的削弱作用；在气旋强度到达峰值及其之后，高几率呈现磁扰对气旋强度的削弱作用，也低几率存在着磁扰对气旋强度增强作用。磁扰是气旋生命史中的生长加速器或类似生长激素。强(弱)磁扰是气旋生命中的强(弱)加速器或强(弱)类似生长激素。

在气旋强度到达峰值之前，气旋强度上升幅度高几率与扰动强度正相关；在气旋强度到达峰值之后，气旋强度下降幅度高几率与扰动强度正相关。气旋强度的峰值与能量供应正相关。

木星大红斑是一个极强气旋，磁扰尤其强磁扰高几率对其产生抑制削弱作用。大红斑的缩小速率与强磁扰的发生率高几率正相关。CME是强磁扰之源， CME不但可单独作用于星体磁层触发强磁扰，而且它混合或耦合于太阳风中，也增加太阳风与星体磁层作用时触发强磁扰的几率。强磁扰的发生率正相关于 CME的发生率，则木星大红斑的缩小速率高几率正相关于CME的发生率。

对气旋的能量供应：内能和太阳能。供应木星大红斑等气旋的能量远比供应地球上强气旋的能量高。虽然对木星的太阳辐射强度仅为对地球的1/25，但是木星是太阳系中的“小太阳”，其内能释放及供应其表面大气活动的能量流量或功率远高于地球；木星科里奥利因数高于地球。这就决定了木星上气旋的峰值强度极高。即大红斑气旋的曾经峰值强度极高。

木星磁场远比地球磁场强。星体磁场具有维持其上大气运动状态稳定的能力，则木星大气运动状态包括气旋的稳定性(此相关气旋生命周期)要远高于地球大气运动包括气旋状态的稳定性。木星大红斑气旋仅仅纬向运动，而地球上气旋经向、纬向运动范围广。

在木星空间位置，太阳高能粒子的流量远低于地球空间位置的流量，仅约为后者的4％，且由磁扰产生时的平均木星极光纬度范围小于平均地球极光的纬度范围，则平均木星磁扰强度相对低于平均地磁扰强度，

磁扰对于木星上气旋的作用：

磁扰在气旋强度到达峰值之前，对气旋高几率呈现助力增强作用，在气旋强度到达峰值之时及之后，磁扰对气旋高几率呈现抑制削弱作用。但因磁扰平均较弱，气旋强度(或气旋尺寸)的增加与降低的速率皆是缓慢的；又由于大红斑气旋曾经所到达的峰值强度极高，则造成大红斑气旋的生长周期极长。即大红斑气旋由小变大的过程和由大变小的过程皆是缓慢的且是时间极长的。这就是大红斑气旋从17世纪被人类发现至今能够持续300多年且仍健在的根本原因。

除非出现超强CME冲击木星磁层或者较大的彗星冲击木星或者较小彗星直接冲击大红斑，这些事件可能会迅速地大大改变大红斑的状态，但是这些事件发生的几率极低。

对金星表面高温成因的诊断：

(1)由于金星自转过慢，导致科里奥利因数过低，则金星表面低中纬大气中气旋(或涡旋)的生成几率极小；(2)金星磁场极弱，虽然距太阳较近，但是太阳高能粒子流作用于金星磁层所产生的磁扰极弱，则极弱磁扰对低中纬大气中的弱气旋(或涡旋)的助力生成及加强作用皆极弱；(3)金星内能极弱，低、中纬度区域的火山喷发与地震发生率极低。即金星依赖强烈扰动-火山喷发及地震能够引发大气中出现强烈的垂直对流运动的几率极低；(4)金星离太阳较近，且大气层的透光性好，则可达金星表面的太阳光辐射强度较高；大气的主要成分是二氧化碳。金星表面大气浓厚，大气压是地球大气压的90倍；二氧化碳粒子对热辐射中红外线具有强吸收作用。这些因素导致高强度的太阳光辐射作用于金星表面，其表面吸收太阳能转化为热能后，向外热辐射的红外光子无法有效地跑到大气层的外面。即金星表面热辐射受阻。(5)中性气体的热传导率极低。

综上所述，金星表面吸收太阳能转化为热能后，其低、中纬度区域大气中无(或即使有也极弱)气旋(或涡旋)这种高效的对流-传输-释放热量的运动形式，同时热辐射的效率极低，又中性大气本身的热传导率极低，则造成金星表面异常高温。

金星大气成分的演变：由于低中纬大气缺乏气旋等强烈搅动，则大气层尤其下层处于相对静稳状态，即使金星两极有强气旋及大气上层有高速环流存在。在大气层之下层处于相对静稳状态态下，重力对大气粒子的沉析作用明显，即轻质粒子上浮而重质粒子下沉。二氧化碳大气粒子沉积并排挤其它粒子而成为金星表面大气的主要成分。

与上述同理分析地球状态：

地球自转速度日益降低，而且地磁场日益变弱下，这将引发气旋尤其低中纬气旋这种高效对流-传输-释放能量的运动日益减弱。这将导致地球表面大气尤其低层大气的静稳性与温度以及二氧化碳的含量日益提高。这种对地球表面大气的升温效应叠加在引发地球表面大气温度变化的其它因素中。

除了太阳光辐射之外，通过太阳高能粒子流引发磁扰，行星天气及气候变化与太阳活动之间实现耦合。

磁扰引发气旋强度大幅快速变化的可能机制：

对于一个正在进行某种反应的物质体系，扰动的作用是既可增大整体系统反应速率，但同时也会降低已存在的局部的或分系统的较高的反应速率。与能量释放反应的反应速率正相关的物理量是功率或能量流量。

对流是能量释放反应的一种形式，而气旋是由垂直对流形成的。即气旋是一种能量释放反应。气旋是能量释放的通道。

依靠磁扰-荷电粒子扰动-中性大气粒子扰动，即形成磁层-电离子层-中性大气层乃至整个地球大气的波动。

波动对大气中的物体-气旋体系具有搅拌作用。气旋处于磁扰-波动搅拌的大容器-地球大气中，磁扰-波动搅拌气旋即可改变其状态。当磁扰-波动可触发大气中气旋生成以及对弱气旋助力加强时，由于各气旋对于局地能量供应的汲取或利用是并联关系，且因局地能量供应有上限，则磁扰-波动对弱气旋助力加强时必出现对强气旋的削弱抑制。

波动对物体的作用因其尺寸不同而不同，对于物体尺寸近于或小于波长的物体则衍射绕行，对于尺寸大于波长的物体则直接强力作用。磁扰触发大气中各种波长的波生成尤其中长尺寸波。这些波对弱小气旋系统的衍射绕行中可形成对其助力增强，而对强大气旋的直接作用中形成对其削弱抑制。

利用磁扰对气旋高几率所呈现的助弱抑强作用，对气旋状态进行人为调控，从而获得效益或减灾。例如：对于旱区或重雾霾区，气旋能够带来降水与风力增强来减轻旱情或霾情，则可在旱区或霾区上空进行核爆或者对旱区上空的高空电离层用雷达发射高功率电磁波照射，从而可触发较强磁扰生成，用磁扰来触发气旋生成或大幅提高气旋的强度。同样对于危害大的强气旋，用核爆或者对高空电离层进行雷达高功率照射来人为触发较强磁扰，用磁扰来抑制削弱该气旋。人为触发强磁扰的具体作业区域也可选在磁两极上空。

依照气旋与磁扰，磁扰与太阳高能粒子流之间的关系，建立一套统计分析预报系统。对已有强磁扰(磁暴)相关信息的历史记录或者在有关强磁扰生成的空间天气预报基础上，或者在强磁扰正在发生的同时，对有关区域中气旋的状态及其相关的天气、气候状态等进行分析，回溯当时的气旋状态及相关的天气、气候状态，或预报将来的气旋状态及相关的天气、气候状态，或及时地对气旋强度及相关天气、气候状态进行调节。例如依据www.spaceweather.com中关于太阳风和CME及磁暴等状态的观测预报信息，对磁暴可相应引发的气旋状态变化做出分析及预报，可使气旋途径区域减免灾害或利用气旋扩大收益。

本发明已经根据具体的实施例和附图进行了详细描述，但这些描述并非用于限制本发明，在不偏离本发明的精神和范围内，可以对其进行修改和改进。

Claims (11)

1.一种关于气旋状态的统计分析预报系统，其特征在于依据气旋在磁扰作用下，其强度的变化幅度与磁扰强度正相关。

2.依据权利要求1，其特征在于在气旋强度到达其峰值之前，磁扰高几率对气旋助力增强，提升其强度；在气旋强度到达其峰值之后，磁扰高几率对气旋削弱抑制，降低其强度。

3.依据权利要求1和2，其特征在于依据磁扰状态和磁扰高几率对气旋的助弱抑强作用，对相关区域的气旋状态和天气及气候状态变化进行分析预报。

4.依据权利要求1，2，和3，其特征在于根据触发磁扰生成的源的状态-磁扰状态-气旋状态三方之密切关系，对磁扰引发气旋状态及其相关天气及气候状态变化做分析与预报。

5.依据权利要求1，2，3和4，其特征在于依据CME是行星强磁扰的主源，强磁扰的发生率正相关于CME的发生率，则木星大红斑这一极强气旋的缩小速率高几率正相关于CME的发生率。

6.一种关于气旋状态及其相关的天气及气候状态的统计分析预报系统，其特征在于依照气旋与磁扰，磁扰与太阳高能粒子流之间的关系，对已有强磁扰(磁暴)相关信息的历史记录或者在强磁扰正在发生的同时或者在有关强磁扰生成的预报基础上，对有关区域中气旋状态及其相关的天气、气候状态等进行分析，可获得历史上当时的气旋状态及相关的天气、气候状态信息，并对目前及将来的气旋状态及相关的天气、气候状态进行及时地分析和预报。

7.一种分析预报行星气旋状态及生命周期的方法，其特征在于依据气旋的三基本生存条件：能量与科里奥利因数及扰动来进行分析气旋状态。气旋的能量供应：内能和太阳能。供应木星大红斑等气旋的能量远比供应地球上强气旋的能量高。虽然对木星的太阳辐射强度仅为对地球的1/25，但是木星是太阳系中的“小太阳”，其内能释放及供应其表面大气活动的能量流量或功率远高于地球；木星科里奥利因数高于地球。这就决定了木星上气旋的峰值强度极高。即大红斑气旋的曾经峰值强度极高。木星磁场远比地球磁场强。星体磁场具有维持其上大气运动状态稳定的能力，则木星大气运动状态包括气旋的稳定性要远高于地球大气运动包括气旋状态的稳定性。在木星空间位置，太阳高能粒子的流量远低于地球空间位置的流量，前者仅约为后者的4％，且由磁扰产生时的平均木星极光纬度范围小于平均地球极光的纬度范围，则平均木星磁扰强度相对低于平均地磁扰强度。因为木星磁扰平均较弱，气旋强度或气旋尺寸的增加与降低的速率皆是缓慢的；则造成大红斑气旋的生长周期极长。即大红斑气旋由小变大的过程和由大变小的过程皆是缓慢的且是时间极长的。

8.一种分析预报行星表面大气状态方法，其特征在于依据行星低中纬气旋状态来分析与预报相关的低中纬大气对流强度和表面温度及大气成分变化。

9.依据权利要求7，其特征在于分析金星表面异常高温成因中的主因为：由于金星自转过慢，导致科里奥利因数过低，则金星表面低中纬大气中气旋或涡旋的生成几率极小。即使低中纬大气中有气旋或涡旋出现，其强度也极低。即金星表面低中纬大气中缺乏这种高效的对流-传输-释放热量的运动。其它次要因素为(1)由于金星磁场极弱，虽然距太阳较近，但是太阳高能粒子流作用于金星磁层所产生的磁扰极弱，则极弱磁扰对低中纬大气中的弱气旋或涡旋的助力生成及加强作用皆极弱。(2)金星内能极弱，低、中纬度区域的火山喷发与地震发生率极低。即金星依赖强烈扰动-火山喷发及地震能够引发大气中出现强烈的垂直对流运动的几率极低。(3)金星离太阳较近，且大气层的透光性好，则可达金星表面的太阳光辐射强度较高；大气的主要成分是二氧化碳。金星表面大气浓厚，大气压是地球大气压的90倍；二氧化碳粒子对热辐射中红外线具有强吸收作用。这些因素导致高强度的太阳光辐射作用于金星表面，其表面吸收太阳能转化为热能后，向外热辐射的红外光子无法有效地跑到大气层的外面。即金星表面热辐射受阻。(4)中性气体的热传导率极低。

10.依据权利要求7和8，其特征在于由于地球自转速度日益降低，以及地磁场日益变弱，这导致低中纬气旋这种高效对流-传输-释放能量的运动日益减弱，则导致地球表面大气尤其低层大气的静稳性与温度以及二氧化碳的含量日益提高。这种对地球表面大气的升温效应叠加在引发地球表面大气温度变化的其它因素中。

11.一种人为改变气旋状态的方法，其特征在于利用高功率电磁波照射电离层触发磁扰生成，用磁扰对弱气旋进行助力加强来增加降水或风力，或者用磁扰对强气旋进行削弱抑制来降低其危害。