CN112149302A - 一种基于非均匀下垫面的台风建模方法及相关装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于非均匀下垫面的台风建模方法及相关装置，方法包括：计算非均匀下垫面的总地表粗糙长度，总地表粗糙长度包括基于地形的第一地表粗糙长度和基于地表覆盖的第二地表粗糙长度；根据总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数；根据摩阻力系数构建预置台风风场模型，预置台风风场模型包括预置边界条件，预置边界条件根据摩阻力系数配置。本申请能够解决现有台风风场模型没有针对非均匀下垫面进行模型设计，无法准确反映台风风场结构，导致模型的适用性和准确度较低的技术问题。

Description

一种基于非均匀下垫面的台风建模方法及相关装置

技术领域

本申请涉及气象监测领域，尤其涉及一种基于非均匀下垫面的台风建模方法及相关装置。

背景技术

台风是一种发生在热带海洋上具有强烈旋涡的中尺度天气现象。成熟台风中心区域近似成轴对称，并由强风环绕中心低风速区。台风的影响范围高达上百公里，在其移动发展过程中伴随着大风大浪和强降雨，可对沿海地区重大工程、基础设施、输电线路及农业等造成重大损失。

由于地面气象观测站点大部分都建立在陆地上，而且站点分布很稀疏；导致实测台风数据较为有限，很难反映台风风场的全貌。因此，根据动力学和热力学方程，众多学者和研究人员建起了各自的台风风场模型。目前，常用的台风风场模型有中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecast)；和梯度风台风风场场模型。中尺度气象模式WRF为三维模型，可以同时考虑热力学和动力学过程，内含了众多湍流闭合方案；但该模式要求输入参数多、计算耗时久、操作复杂，并不适合于大量模拟台风案例。梯度风台风风场模型为二维模型，通过梯度平衡方程，计算出台风梯度风速，然后通过风速折减系数把梯度风速折算到近地面，从而估算出近地面台风风速；该模型计算过程过于简化无法反映三维台风风场结构。而且，这些参数化台风风场模型通常都是假设下垫面是水平均匀分布，但是实际场景中，只有在海面上移动的台风才符合这一设定，当台风登陆后会在陆地特性的影响下发生变化，均匀下垫面情况下的参数不再适用，从而影响了台风风场模型的准确度和模拟效率。

发明内容

本申请提供了一种基于非均匀下垫面的台风建模方法及相关装置，用于解决现有台风风场模型没有针对非均匀下垫面进行模型设计，无法准确反映台风风场结构，导致模型的适用性和准确度较低的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种基于非均匀下垫面的台风建模方法，包括：

计算非均匀下垫面的总地表粗糙长度，所述总地表粗糙长度包括基于地形的第一地表粗糙长度和基于地表覆盖的第二地表粗糙长度；

根据所述总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数；

根据所述摩阻力系数构建预置台风风场模型，所述预置台风风场模型包括预置边界条件，所述预置边界条件根据所述摩阻力系数配置。

可选的，所述计算非均匀下垫面的总地表粗糙长度，所述总地表粗糙长度包括基于地形的第一地表粗糙长度和基于地表覆盖的第二地表粗糙长度，包括：

根据预置计算公式计算基于地形的第一地表粗糙长度，所述预置计算公式为：

其中，z_DX为所述第一地表粗糙长度，

为山峰与山谷之间的平均垂直距离，

为山峰与山谷之间的平均水平距离；

根据不同地表覆盖类型与地表粗糙长度之间的映射关系获取基于地表覆盖的第二地表粗糙长度；

将所述第一地表粗糙长度与所述第二地表粗糙长度求和得到非均匀下垫面的总地表粗糙长度。

可选的，所述根据所述总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数，包括：

采用预置摩阻力公式根据所述总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数，所述预置摩阻力公式为：

其中，C_d为所述摩阻力系数，κ为卡曼常数，z₁为近地层的离地高度，z₀为所述总地表粗糙长度。

可选的，所述根据所述摩阻力系数构建预置台风风场模型，所述预置台风风场模型包括预置边界条件，之后还包括：

根据所述预置边界条件求解所述预置台风风场模型，得到台风风场的径向风速和切向风速。

本申请第二方面提供了一种基于非均匀下垫面的台风建模装置，包括：

第一计算单元，用于计算非均匀下垫面的总地表粗糙长度，所述总地表粗糙长度包括基于地形的第一地表粗糙长度和基于地表覆盖的第二地表粗糙长度；

第二计算单元，用于根据所述总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数；

建模单元，用于根据所述摩阻力系数构建预置台风风场模型，所述预置台风风场模型包括预置边界条件，所述预置边界条件根据所述摩阻力系数配置。

可选的，所述第一计算单元，包括：

计算子单元，用于根据预置计算公式计算基于地形的第一地表粗糙长度，所述预置计算公式为：

其中，z_DX为所述第一地表粗糙长度，

为山峰与山谷之间的平均垂直距离，

为山峰与山谷之间的平均水平距离；

获取子单元，用于根据不同地表覆盖类型与地表粗糙长度之间的映射关系获取基于地表覆盖的第二地表粗糙长度；

求和子单元，用于将所述第一地表粗糙长度与所述第二地表粗糙长度求和得到非均匀下垫面的总地表粗糙长度。

可选的，所述第二计算单元具体用于：

采用预置摩阻力公式根据所述总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数，所述预置摩阻力公式为：

其中，C_d为所述摩阻力系数，κ为卡曼常数，z₁为近地层的离地高度，z₀为所述总地表粗糙长度。

可选的，还包括：

求解单元，用于根据所述预置边界条件求解所述预置台风风场模型，得到台风风场的径向风速和切向风速。

本申请第三方面提供了一种基于非均匀下垫面的台风建模设备，所述设备包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行第一方面所述的基于非均匀下垫面的台风建模方法。

本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行第一方面所述的基于非均匀下垫面的台风建模方法。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请中，提供了一种基于非均匀下垫面的台风建模方法，包括：计算非均匀下垫面的总地表粗糙长度，总地表粗糙长度包括基于地形的第一地表粗糙长度和基于地表覆盖的第二地表粗糙长度；根据总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数；根据摩阻力系数构建预置台风风场模型，预置台风风场模型包括预置边界条件，预置边界条件根据摩阻力系数配置。

本申请提供的基于非均匀下垫面的台风建模方法，通过分析由于地形和地表覆盖造成的非均匀下垫面的特征，计算不同陆地特征下的地表粗糙长度，从而计算出更具针对性的摩阻力系数，由于摩阻力系数考虑了陆地的空间分布特征下的台风风场，且可以根据陆地的不同特性进行模型调整，所以得到的台风风场模型更加符合实际应用情况，模型的准确度也更高。因此，本申请能够解决现有台风风场模型没有针对非均匀下垫面进行模型设计，无法准确反映台风风场结构，导致模型的适用性和准确度较低的技术问题。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种基于非均匀下垫面的台风建模方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种基于非均匀下垫面的台风建模装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的海南地区海拔高度分布示意图；

图4为本申请实施例提供的地形起伏与地表粗糙长度的分布关系示意图；

图5为本申请实施例提供的地表覆盖与地表粗糙长度的分布关系示意图；

图6为本申请实施例提供的非均匀下垫面的地表粗糙长度分布示意图；

图7为本申请实施例提供的0814号台风Hagupit在不同高度处于均匀下垫面与非均匀下垫面的风场示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

大气边界层台风风场模型为三维参数化模型，不同于WRF，该模型没有考虑热力学效应，简化的考虑了动力学过程，可以使用较少的台风参数，较快的重现出台风风场，因此，本申请实施例在大气边界层台风风场模型的基础上进行改进建模，考虑不同的地表特性下的摩阻力对模型的影响。

为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种基于非均匀下垫面的台风建模方法的实施例，包括：

步骤101、计算非均匀下垫面的总地表粗糙长度，总地表粗糙长度包括基于地形的第一地表粗糙长度和基于地表覆盖的第二地表粗糙长度。

需要说明的是，下垫面大气与其下界的固态地面或液态水面的分界面，是大气的主要热源和水汽源，也是低层大气运动的边界面。非均匀下垫面和均匀下垫面的风场结构是不同的，而地表不同特性会对下垫面产生影响。相比于均匀下垫面的情况下，采用单一的地表粗糙长度分析台风风场，本实施例中根据不同的地表特性获取不同的地表粗糙长度能够显著改变风场的空间结构，更加具有针对性，也更符合实际应用情况。

进一步地，计算过程包括：根据预置计算公式计算基于地形的第一地表粗糙长度，预置计算公式为：

其中，z_DX为第一地表粗糙长度，

为山峰与山谷之间的平均垂直距离，

为山峰与山谷之间的平均水平距离；根据不同地表覆盖类型与地表粗糙长度之间的映射关系获取基于地表覆盖的第二地表粗糙长度；将第一地表粗糙长度与第二地表粗糙长度求和得到非均匀下垫面的总地表粗糙长度。

需要说明的是，不同的地形的陆地高度是不一样的，那么求得的地表粗糙长度也不尽一样，请参阅图3和图4，图3为海南地区的海拔高度分布示意图，图4为海南地区的地形起伏导致的地表粗糙长度变化示意图。请参阅表1，表1反映的是夏季地表覆盖类型与地表粗糙长度之间映射关系，根据该映射关系可以获取到不同的第二地表粗糙长度z_FG。同样以海南为例，请参阅图5，图5为海南地区土地覆盖导致的地表粗糙长度空间分布图。

表1地表覆盖类型与地表粗糙长度之间映射关系

将地形起伏导致的第一地表粗糙长度z_DX和不同地表覆盖导致的第二地表粗糙长度z_FG相加即可得到非均匀下垫面的总地表粗糙长度z₀，即z₀＝z_DX+z_FG，具体变化情况请参阅图6。通过把地形起伏和地表覆盖导致的非均匀性分别折算成地表粗糙长度，并代入台风风场模型中，使台风风场模型能够考虑非均匀下垫面的影响。

步骤102、根据总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数。

需要说明的是，在台风风场模型中，摩阻力系数C_d控制着台风近地面风速的大小和分布，将本实施例中的摩阻力系数进行非均匀下垫面的空间特性分析，得到更能反映实际台风风场的摩阻力系数。均匀下垫面作用下的地表粗糙长度无空间变化，非均匀下垫面作用下的地表粗糙长度是空间变化的。

进一步地，计算过程为：采用预置摩阻力公式根据总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数，预置摩阻力公式为：

其中，C_d为摩阻力系数，κ为卡曼常数，z₁为近地层的离地高度，z₀为总地表粗糙长度。

步骤103、根据摩阻力系数构建预置台风风场模型，预置台风风场模型包括预置边界条件，预置边界条件根据摩阻力系数配置。

需要说明的是，构建台风风场模型的流程为现有技术，在此不再赘述，根据摩阻力系数构建的预置台风风场模型太台风风场的描述更加准确。请参阅图7，其中WRF是中尺度气象模型(Weather Research and Forecast Model)，以0814号台风Hagupit在2008年登陆过程为例，其风场一部分在海上，另一部分在陆地上，在均匀下垫面的海面上，地表粗糙长度z₀无空间变化，此时，C_d＝0.03，而在非均匀下垫面的陆地上，地表粗糙长度z₀是空间变化状态。从图7的效果对比可以看出，在均匀下垫面下，台风风场呈现轴对称分布，海面上的风速与陆地上的风速没有明显区别；而在改进的非均匀下垫面影响下，台风风速在海洋上比在陆地上大，且随着海拔高度增加，下垫面的影响逐渐减弱，从对比结果图可以看出，考虑了非均匀下垫面的台风风场模型能更加准确的描述实际台风风场特点，也可以说考虑地形地貌的影响可以显著提升参数化台风风场对台风空间结构的模拟能力。由于可以直接得到台风的影响范围内任意位置的风速情况，所以不必对不同目标点的地理状况重复进行修正，省时省力。

进一步地，之后还包括：根据预置边界条件求解预置台风风场模型，得到台风风场的径向风速和切向风速。

需要说明的是，假设边界层台风风速为(u,v)，可以分解为梯度风速v_g和摩擦引起的风速(u',v')两个部分，在柱坐标系下，v＝v_g+v'，u＝u'，其中，u为径向风速，v为切向风速。梯度风速v_g可以通过大气边界层梯度风平衡方程求得：

其中，

式中，p_TC为台风气压场，p₀为台风中心气压，Δp为台风中心气压差，R_max为台风最大风速半径，B为台风气压剖面参数，f为科氏参数，ρ为空气密度，r为计算台风半径。在柱坐标系下，摩擦引起的风速(u',v')可以通过以下方式求得：

式中，θ为方位角，z为垂直高度，K_v为湍流扩散系数。可以采用预置边界条件求解上述两个公式：

式中，u_c为台风移动速度U_c在径向的分量，v_c为台风移动速度U_c在切向的分量。为了求解过程中便于表达，引入以下表达参数：

式中，i为虚数，由上述公式求解(u',v')，可以得到：

当

时，

当

时，

最后，可以根据梯度风速v_g和摩擦引起的风速(u',v')求得径向风速u和切向风速v：

u(r,θ,z)＝u′(r,θ,z)+u_c；

v(r,θ,z)＝v′(r,θ,z)+v_g+v_c。

本申请实施例提供的基于非均匀下垫面的台风建模方法，通过分析由于地形和地表覆盖造成的非均匀下垫面的特征，计算不同陆地特征下的地表粗糙长度，从而计算出更具针对性的摩阻力系数，由于摩阻力系数考虑了陆地的空间分布特征下的台风风场，且可以根据陆地的不同特性进行模型调整，所以得到的台风风场模型更加符合实际应用情况，模型的准确度也更高。因此，本申请实施例能够解决现有台风风场模型没有针对非均匀下垫面进行模型设计，无法准确反映台风风场结构，导致模型的适用性和准确度较低的技术问题。

为了便于理解，请参阅图2，本申请提供了一种基于非均匀下垫面的台风建模装置的实施例，包括：

第一计算单元201，用于计算非均匀下垫面的总地表粗糙长度，总地表粗糙长度包括基于地形的第一地表粗糙长度和基于地表覆盖的第二地表粗糙长度；

第二计算单元202，用于根据总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数；

建模单元203，用于根据摩阻力系数构建预置台风风场模型，预置台风风场模型包括预置边界条件，预置边界条件根据摩阻力系数配置。

进一步地，第一计算单元201，包括：

计算子单元2011，用于根据预置计算公式计算基于地形的第一地表粗糙长度，预置计算公式为：

其中，z_DX为第一地表粗糙长度，

为山峰与山谷之间的平均垂直距离，

为山峰与山谷之间的平均水平距离；

获取子单元2012，用于根据不同地表覆盖类型与地表粗糙长度之间的映射关系获取基于地表覆盖的第二地表粗糙长度；

求和子单元2013，用于将第一地表粗糙长度与第二地表粗糙长度求和得到非均匀下垫面的总地表粗糙长度。

进一步地，第二计算单元202具体用于：

采用预置摩阻力公式根据总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数，预置摩阻力公式为：

其中，C_d为摩阻力系数，κ为卡曼常数，z₁为近地层的离地高度，z₀为总地表粗糙长度。

进一步地，还包括：

求解单元204，用于根据预置边界条件求解预置台风风场模型，得到台风风场的径向风速和切向风速。

本申请还提供了一种基于非均匀下垫面的台风建模设备，设备包括处理器以及存储器；

存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；

处理器用于根据程序代码中的指令执行上述方法实施例中的基于非均匀下垫面的台风建模方法。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行上述方法实施例中的基于非均匀下垫面的台风建模方法。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于非均匀下垫面的台风建模方法，其特征在于，包括：

计算非均匀下垫面的总地表粗糙长度，所述总地表粗糙长度包括基于地形的第一地表粗糙长度和基于地表覆盖的第二地表粗糙长度；

根据所述总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数；

根据所述摩阻力系数构建预置台风风场模型，所述预置台风风场模型包括预置边界条件，所述预置边界条件根据所述摩阻力系数配置。

2.根据权利要求1所述的基于非均匀下垫面的台风建模方法，其特征在于，所述计算非均匀下垫面的总地表粗糙长度，所述总地表粗糙长度包括基于地形的第一地表粗糙长度和基于地表覆盖的第二地表粗糙长度，包括：

根据预置计算公式计算基于地形的第一地表粗糙长度，所述预置计算公式为：

其中，z_DX为所述第一地表粗糙长度，

为山峰与山谷之间的平均垂直距离，

为山峰与山谷之间的平均水平距离；

根据不同地表覆盖类型与地表粗糙长度之间的映射关系获取基于地表覆盖的第二地表粗糙长度；

将所述第一地表粗糙长度与所述第二地表粗糙长度求和得到非均匀下垫面的总地表粗糙长度。

3.根据权利要求1所述的基于非均匀下垫面的台风建模方法，其特征在于，所述根据所述总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数，包括：

采用预置摩阻力公式根据所述总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数，所述预置摩阻力公式为：

其中，C_d为所述摩阻力系数，κ为卡曼常数，z₁为近地层的离地高度，z₀为所述总地表粗糙长度。

4.根据权利要求1所述的基于非均匀下垫面的台风建模方法，其特征在于，所述根据所述摩阻力系数构建预置台风风场模型，所述预置台风风场模型包括预置边界条件，之后还包括：

根据所述预置边界条件求解所述预置台风风场模型，得到台风风场的径向风速和切向风速。

5.一种基于非均匀下垫面的台风建模装置，其特征在于，包括：

第一计算单元，用于计算非均匀下垫面的总地表粗糙长度，所述总地表粗糙长度包括基于地形的第一地表粗糙长度和基于地表覆盖的第二地表粗糙长度；

第二计算单元，用于根据所述总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数；

建模单元，用于根据所述摩阻力系数构建预置台风风场模型，所述预置台风风场模型包括预置边界条件，所述预置边界条件根据所述摩阻力系数配置。

6.根据权利要求5所述的基于非均匀下垫面的台风建模装置，其特征在于，所述第一计算单元，包括：

计算子单元，用于根据预置计算公式计算基于地形的第一地表粗糙长度，所述预置计算公式为：

其中，z_DX为所述第一地表粗糙长度，

为山峰与山谷之间的平均垂直距离，

为山峰与山谷之间的平均水平距离；

获取子单元，用于根据不同地表覆盖类型与地表粗糙长度之间的映射关系获取基于地表覆盖的第二地表粗糙长度；

求和子单元，用于将所述第一地表粗糙长度与所述第二地表粗糙长度求和得到非均匀下垫面的总地表粗糙长度。

7.根据权利要求5所述的基于非均匀下垫面的台风建模装置，其特征在于，所述第二计算单元具体用于：

采用预置摩阻力公式根据所述总地表粗糙长度计算非均匀下垫面情况下的摩阻力系数，所述预置摩阻力公式为：

其中，C_d为所述摩阻力系数，κ为卡曼常数，z₁为近地层的离地高度，z₀为所述总地表粗糙长度。

8.根据权利要求5所述的基于非均匀下垫面的台风建模装置，其特征在于，还包括：

求解单元，用于根据所述预置边界条件求解所述预置台风风场模型，得到台风风场的径向风速和切向风速。

9.一种基于非均匀下垫面的台风建模设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-4任一项所述的基于非均匀下垫面的台风建模方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行权利要求1-4任一项所述的基于非均匀下垫面的台风建模方法。

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