CN113326624A - 一种沙漠地区大气边界层高度的预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沙漠地区大气边界层高度的预测方法及系统，具体包括：获取需预测的沙漠地区的NCEP/NCAR再分析资料和LANDUSE资料；根据LANDUSE资料获取该沙漠地区的地表特征，根据地表特征对沙漠地区进行筛选，确定沙漠网格点的空间位置；根据NCEP/NCAR再分析资料获取该沙漠地区的气象数据；通过获取的气象数据计算地表热力影响温度；结合获取的气象数据以及地表热力影响温度，通过YSU边界层参数化方案，计算沙漠地区的大气边界层高度。本发明通过修改代表地表温度的适当温度，能够较为准确地预测沙漠地区的大气边界层高度，为沙漠地区大气边界层的预报提供科技支撑，具有重要的科学意义和应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种大气边界层高度的预测方法，具体涉及一种沙漠地区大气边界层高度的预测方法及系统。
背景技术
由于大气边界层是人类生活和活动的主要场所，它是整个大气层中对人类最重要的部分。并且，由于大气边界层的热力和动力状态随空间和时间变化十分快速和剧烈，它也是整个大气层中最活跃的部分。大气边界层还是地球与大气之间进行物质和能量交换的桥梁，几乎地球与大气之间所有的热量、动量、水汽、气溶胶、微量气体和大气污染物的交换都是通过大气边界层过程来实现。所以，无论是气候变化还是大气环流的调整都与大气边界层过程的贡献密不可分。同时，发生在我们身边的主要突发性气象灾害也大多与大气边界层过程密切相关，比如，沙尘暴和暴雨的形成都无不是以大气边界层运动为基础，因此大气边界层过程也是灾害性天气预报的关键环节。
在大气边界层特征物理参数中，大气边界层厚度是其中最重要的参数之一。它直接决定着一个地区的大气环境容量，也强烈影响着云和对流发展和演变过程。所以，大气边界层厚度不仅是空气质量监测和天气预报中最重要的物理参数之一，而且也是对数值天气预报模式的初始化而言十分关键的因素。
而由于下垫面的热力性质差异和地形不同，地球表面的各个区域会表现出很不同的大气边界层厚度，比如，陆面和洋面上的大气边界层就非常不同。在干旱荒漠地区，由于太阳辐射强，地表干燥，加热迅速，具有能够形成比一般地区更深厚的大气边界层的物理基础。但是，在沙漠地区，在模拟边界层高度的过程中，由于模拟的地表温度和地面2米温度之差相差高达15K，对于大气边界层高度的模拟有严重的偏差。
因此，如何克服模拟时地表温度偏低对大气边界层高度的影响，是一个重大的难题。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种沙漠地区大气边界层高度的预测方法及系统，通过修改代表地表温度的适当温度，能够较为准确地预测沙漠地区的大气边界层高度。
本发明采用如下的技术方案。
一种沙漠地区大气边界层高度的预测方法，所述预测方法包括步骤：
(1)获取需预测的沙漠地区的NCEP/NCAR再分析资料和LANDUSE资料；
(2)根据LANDUSE资料获取该沙漠地区的地表特征，根据地表特征对沙漠地区进行筛选，确定沙漠网格点的空间位置；
(3)根据NCEP/NCAR再分析资料获取该沙漠地区的气象数据；
(4)在步骤(2)确定的沙漠网格点的空间位置上，通过获取的气象数据计算地表热力影响温度；
(5)结合获取的气象数据以及地表热力影响温度，通过YSU边界层参数化方案，计算沙漠地区的大气边界层高度。
进一步地，所述步骤(1)中，
获取需预测的沙漠地区的时间分辨率为6小时、空间分辨率为1°×1°的NCEP/NCAR再分析资料，以及美国地质调查局提供的2m和30s高分辨率LANDUSE资料。
进一步地，所述步骤(2)中，
地表特征包括：风蚀度指数，对流浮力，摩擦速度。
进一步地，所述步骤(2)中，
根据地表特征对沙漠地区进行筛选，当风蚀度指数大于0，对流浮力w*和摩擦速度u*的比值大于5，确定沙漠网格点的空间位置。
进一步地，所述步骤(3)中，
气象数据包括：地表温度，最底层的虚位温，垂直方向的虚位温、风速，近表层的增温项。
进一步地，所述步骤(4)中，
当满足步骤(2)确定的沙漠网格点的空间位置时，获取最底层的虚位温的数据修改，从而进行预测沙漠地区的大气边界层高度。
进一步地，所述步骤(4)中，
计算地表热力影响温度θs：
X＝(TSK-TT)/d
θs＝θva+θT+X
其中，θs为地表热力影响温度，TSK为地表温度，TT设置为40℃，d设置为3.5，θva为最底层的虚位温，θT为近表层的增温项。
进一步地，所述步骤(5)中，通过YSU边界层参数化方案，计算沙漠地区的大气边界层高度h：
其中：
Ribcr，临界体积理查逊数；
θva，最底层的虚位温；
U(h)，在高度h的风速；
θr(h)，在高度h的虚位温；
θs，地表热力影响温度；
g，重力加速度。
一种沙漠地区大气边界层高度的预测系统，包括资料数据获取模块、地表特征获取模块、网格点空间位置确定模块、气象数据获取模块、地表温度对大气边界层影响温度计算模块、大气边界层高度计算模块；
资料数据获取模块，用于获取需预测的沙漠地区的NCEP/NCAR再分析资料和LANDUSE资料；
地表特征获取模块，用于根据LANDUSE资料，获取需预测的沙漠地区的地表特征；
网格点空间位置确定模块，用于根据地表特征对沙漠地区进行筛选，确定沙漠网格点的空间位置；
气象数据获取模块，用于根据NCEP/NCAR再分析资料，获取该沙漠地区的气象数据；
地表温度对大气边界层影响温度计算模块，用于通过获取的气象数据计算地表热力影响温度；
大气边界层高度计算模块，用于结合获取的气象数据以及地表热力影响温度，通过YSU边界层参数化方案，计算沙漠地区的大气边界层高度。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过修改代表地表温度的适当温度，能够较为准确地预测沙漠地区的边界层高度，为沙漠地区边界层的预报提供科技支撑，具有重要的科学意义和应用价值。
本发明根据地表特征对沙漠地区进行筛选，确定的沙漠网格点的空间位置时，获取最底层的虚位温的数据修改，通过获取的气象数据计算地表热力影响温度；结合获取的气象数据以及地表热力影响温度，通过YSU边界层参数化方案，计算沙漠地区的大气边界层高度。
附图说明
图1为本发明所述的沙漠地区大气边界层高度的预测方法流程图；
图2为确定腾格里沙漠网格点的空间位置；
图3为计算的2019年7月01日0时-31日18时腾格里沙漠地区边界层高度，在计算地表温度对大气边界层影响温度之前的模拟结果；
图4为计算的2019年7月01日0时-31日18时腾格里沙漠地区边界层高度，在计算地表温度对大气边界层影响温度之后的模拟结果；
图5为计算的2019年7月01日0时-31日18时腾格里沙漠地区边界层高度模拟结果与观测数据对比。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明所述的沙漠地区大气边界层高度的预测方法，具体包括以下步骤：
(1)获取需预测的沙漠地区的时间分辨率为6小时、空间分辨率1°×1°的NCEP/NCAR再分析资料和美国地质调查局(USGS)提供的2m和30s高分辨率LANDUSE资料；
其中，度(°)，分(m)，秒(s)均为角度单位，代表经纬度间距。
NCEP/NCAR再分析资料，是由美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合制作的，采用全球资料同化系统和完善的数据库，对各种来源(地面、船舶、无线电探空、测风气球、飞机、卫星等)的观测资料进行质量控制和同化处理，获得的一套完整的再分析资料集，它不仅包含的要素多，范围广，而且延伸的时段长，是一个综合的数据集。
LANDUSE资料，为全球地表覆盖数据资料。
(2)根据上述LANDUSE资料，获取需预测的沙漠地区的地表特征；根据地表特征对沙漠地区进行筛选，确定沙漠网格点的空间位置；
当网格点满足沙漠地表下垫面的条件时，才对最底层的虚位温进行修改，从而较为准确地预测沙漠地区的大气边界层高度，即进行步骤(4)和(5)的计算。
具体地，地表特征包括：风蚀度指数，对流浮力，摩擦速度。
根据地表特征对沙漠地区进行筛选，遍历所有网格点，当网格点的风蚀度指数大于0，对流浮力w*和摩擦速度u*的比值大于5，确定沙漠网格点的空间位置。
(3)根据上述NCEP/NCAR再分析资料，获取该沙漠地区的气象数据，包括：地表温度TSK，最底层的虚位温θva，垂直方向的虚位温θr、风速U，近表层的增温项θT；
(4)在步骤(2)确定的沙漠网格点的空间位置上，通过获取的气象数据计算沙漠地区地表热力影响温度θs；
地表热力影响温度，是靠近地表附近的大气温度，受地表温度及地表向上热通量的影响较大，对大气边界层高度的影响至关重要。
通过下述公式(1)和式(2)估算地表热力影响温度θs：
X＝(TSK-TT)/d (1)
θs＝θva+θT+X (2)
其中，TSK为地表温度，在这里意为沙漠下垫面的温度，TT设置为40℃，参数d设置为3.5，θs为地表热力影响温度，θva为最底层的虚位温，θT为近表层的增温项。
多研究表明，大气边界层高度与地表温度和近地面温度之间存在着较高的相关关系，且当地表温度与近表层温度之间的差距增大到一定临界值时，对边界层高度的预测则会产生至关重要的影响，因此本发明方法加入考虑了地表温度对边界层高度预测的影响，通过判断地表温度到达临界值从而提高预测的准确性。
根据Mostafa and Mahmound(2017)的研究发现，当沙漠地表温度为40℃时，地表温度与近表层气温之间存在7℃的温差，因此TT(经验参数)设置为40℃旨在更准确的估算地表热力影响温度，参数d为常数，经过多次敏感性试验后，确认最佳值为3.5。
(5)结合上述，根据地表温度，最底层的虚位温，垂直方向的虚位温、风速，近表层的增温项等，通过YSU边界层参数化方案，计算沙漠地区的大气边界层高度h。
具体计算公式：
其中：
Ribcr，临界体积理查逊数；
θva，最底层的虚位温，单位K；
U(h)，在高度h的风速，单位m/s；
θr(h)，在高度h的虚位温，单位K；
θs，地表热力影响温度，单位K；
g，重力加速度，常取为9.8m/s2。
如此，即可较为准确的计算沙漠地区的大气边界层高度。
本发明还提供一种沙漠地区大气边界层高度的预测系统，具体包括：资料数据获取模块、地表特征获取模块、网格点空间位置确定模块、气象数据获取模块、地表温度对大气边界层影响温度计算模块、大气边界层高度计算模块。
资料数据获取模块，用于获取需预测的沙漠地区的时间分辨率为6小时、1°×1°的NCEP/NCAR再分析资料和2m和30s高分辨率LANDUSE资料；
地表特征获取模块，用于根据LANDUSE资料，获取需预测的沙漠地区的地表特征；
网格点空间位置确定模块，用于根据地表特征对沙漠地区进行筛选，确定沙漠网格点的空间位置；
气象数据获取模块，用于根据NCEP/NCAR再分析资料，获取该沙漠地区的气象数据；
地表温度对大气边界层影响温度计算模块，用于通过获取的气象数据计算地表热力影响温度；
大气边界层高度计算模块，用于结合获取的气象数据以及地表热力影响温度，通过YSU边界层参数化方案，计算沙漠地区的大气边界层高度。
由此可见，本发明通过气象数据和地形数据，并通过修改代表地表温度的适当温度等一系列的处理，能够较为准确地预测沙漠地区的大气边界层高度，为沙漠地区的大气边界层高度预报提供科技支撑，具有重要的科学意义和应用价值。
下面结合一个应用场景实例来对本发明方法进行进一步地详细说明。
选取中国北方腾格里沙漠地区2019年夏季7月1日～7月31日作为案例，阐述本发明方法流程。
利用该沙漠地区的时间分辨率为6小时、1°×1°的NCEP/NCAR再分析资料和美国地质调查局(USGS)提供的2m和30s高分辨率LANDUSE资料，经过一系列计算，得到2019年夏季7月1日～7月31日中国北方腾格里沙漠地区大气边界层高度。
具体步骤如下：
步骤A，利用该沙漠地区的时间分辨率为6小时、1°×1°的NCEP/NCAR再分析资料和美国地质调查局(USGS)提供的2m和30s高分辨率LANDUSE资料获取气象数据和地表特征；
步骤B，根据地表特征对沙漠地区进行筛选，当风蚀度指数大于0，对流浮力w*和摩擦速度u*的比值大于5，确定沙漠网格点的空间位置d02，如图2所示；
步骤C，利用公式(1)(2)，通过获取的气象数据，计算地表热力影响温度；
步骤D，利用公式(3)，结合下列数据计算沙漠地区大气边界层高度：
(1)地表温度；
(2)最底层的虚位温；
(3)垂直方向的虚位温；
(4)垂直方向的风速；
(5)近表层的增温项；
得到腾格里沙漠地区大气边界层高度，在计算地表温度对大气边界层影响温度之前与之后的模拟结果对比如图3和图4所示。
步骤E，利用观测到的腾格里沙漠地区民勤站日边界层最大高度与计算地表热力影响温度之后模拟得到的日边界层最大高度对比如图5所示。
综上所述，本发明所提供的方法能较为准确地预测沙漠地区大气边界层高度，能在一定程度上弥补沙漠地区大气边界层高度在模拟中被严重低估的程度，具有重要的科学意义和应用价值。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过修改代表地表温度的适当温度，能够较为准确地预测沙漠地区的边界层高度，为沙漠地区边界层的预报提供科技支撑，具有重要的科学意义和应用价值。
本发明根据地表特征对沙漠地区进行筛选，确定的沙漠网格点的空间位置时，获取最底层的虚位温的数据修改，通过获取的气象数据计算地表热力影响温度；结合获取的气象数据以及地表热力影响温度，通过YSU边界层参数化方案，计算沙漠地区的大气边界层高度。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种沙漠地区大气边界层高度的预测方法，其特征在于，所述预测方法包括步骤：
(1)获取需预测的沙漠地区的NCEP/NCAR再分析资料和LANDUSE资料；
(2)根据LANDUSE资料获取该沙漠地区的地表特征，根据地表特征对沙漠地区进行筛选，确定沙漠网格点的空间位置；
(3)根据NCEP/NCAR再分析资料获取该沙漠地区的气象数据；
(4)在步骤(2)确定的沙漠网格点的空间位置上，通过获取的气象数据计算地表热力影响温度；
(5)结合获取的气象数据以及地表热力影响温度，通过YSU边界层参数化方案，计算沙漠地区的大气边界层高度。
2.根据权利要求1所述的沙漠地区大气边界层高度的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，
获取需预测的沙漠地区的时间分辨率为6小时、空间分辨率为1°×1°的NCEP/NCAR再分析资料，以及美国地质调查局提供的2m和30s高分辨率LANDUSE资料。
3.根据权利要求1所述的沙漠地区大气边界层高度的预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，
地表特征包括：风蚀度指数，对流浮力，摩擦速度。
4.根据权利要求3所述的沙漠地区大气边界层高度的预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，
根据地表特征对沙漠地区进行筛选，当风蚀度指数大于0，对流浮力w*和摩擦速度u*的比值大于5，确定沙漠网格点的空间位置。
5.根据权利要求1所述的沙漠地区大气边界层高度的预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，
气象数据包括：地表温度，最底层的虚位温，垂直方向的虚位温、风速，近表层的增温项。
6.根据权利要求5所述的沙漠地区大气边界层高度的预测方法，其特征在于，所述步骤(4)中，
当满足步骤(2)确定的沙漠网格点的空间位置时，获取最底层的虚位温的数据修改，从而进行预测沙漠地区的大气边界层高度。
7.根据权利要求6所述的沙漠地区大气边界层高度的预测方法，其特征在于，所述步骤(4)中，
计算地表热力影响温度θs：
X＝(TSK-TT)/d
θs＝θva+θT+X
其中，θs为地表热力影响温度，TSK为地表温度，TT设置为40℃，d设置为3.5，θva为最底层的虚位温，θT为近表层的增温项。
8.根据权利要求1所述的沙漠地区大气边界层高度的预测方法，其特征在于，所述步骤(5)中，通过YSU边界层参数化方案，计算沙漠地区的大气边界层高度h：
其中：
Ribcr，临界体积理查逊数；
θva，最底层的虚位温；
U(h)，在高度h的风速；
θr(h)，在高度h的虚位温；
θs，地表热力影响温度；
g，重力加速度。
9.一种沙漠地区大气边界层高度的预测系统，其特征在于，包括资料数据获取模块、地表特征获取模块、网格点空间位置确定模块、气象数据获取模块、地表温度对大气边界层影响温度计算模块、大气边界层高度计算模块；
资料数据获取模块，用于获取需预测的沙漠地区的NCEP/NCAR再分析资料和LANDUSE资料；
地表特征获取模块，用于根据LANDUSE资料，获取需预测的沙漠地区的地表特征；
网格点空间位置确定模块，用于根据地表特征对沙漠地区进行筛选，确定沙漠网格点的空间位置；
气象数据获取模块，用于根据NCEP/NCAR再分析资料，获取该沙漠地区的气象数据；
地表温度对大气边界层影响温度计算模块，用于通过获取的气象数据计算地表热力影响温度；
大气边界层高度计算模块，用于结合获取的气象数据以及地表热力影响温度，通过YSU边界层参数化方案，计算沙漠地区的大气边界层高度。
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