本發(fā)明屬于大氣科學(xué)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和計(jì)算流體力學(xué)，涉及熱帶氣旋邊界層（tropical?cyclone?boundary?layer,?tcbl）湍流參數(shù)化、大渦模擬（large?eddysimulation,?les）和尺度感知參數(shù)化方案，具體是一種基于les優(yōu)化改進(jìn)tcbl灰區(qū)灰區(qū)尺度感知相似性函數(shù)的方法、介質(zhì)及程序產(chǎn)品，用于提高灰區(qū)分辨率下tcbl風(fēng)場(chǎng)模擬精度和熱帶氣旋預(yù)報(bào)水平。
背景技術(shù)：
：：1、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（numerical?weather?prediction,?nwp）模型中，邊界層參數(shù)化方案主要用于模擬大氣邊界層中的湍流混合過(guò)程。這些方案基于湍流動(dòng)能的生成、傳輸和耗散機(jī)制，計(jì)算湍流對(duì)大氣邊界層內(nèi)動(dòng)量、熱量和水汽的傳輸。然而，傳統(tǒng)的邊界層參數(shù)化方案通常假設(shè)湍流的尺度遠(yuǎn)小于模型的網(wǎng)格尺度（即次網(wǎng)格尺度），因此僅適用于較粗的分辨率。而在灰區(qū)分辨率下，網(wǎng)格尺度與湍流的特征尺度相近，部分湍流結(jié)構(gòu)被顯式解析，導(dǎo)致傳統(tǒng)的次網(wǎng)格尺度湍流模型無(wú)法準(zhǔn)確表征湍流的生成和耗散過(guò)程。2、熱帶氣旋邊界層（tropical?cyclone?boundary?layer,?tcbl）作為熱帶氣旋的關(guān)鍵組成部分，在調(diào)節(jié)海洋與大氣之間的動(dòng)量、熱量與水汽交換方面起著至關(guān)重要的作用。準(zhǔn)確模擬熱帶氣旋邊界層tcbl中的湍流結(jié)構(gòu)，對(duì)于改進(jìn)氣象預(yù)報(bào)模型和提高熱帶氣旋路徑及強(qiáng)度預(yù)測(cè)具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的邊界層參數(shù)化方案主要是為典型的大氣條件設(shè)計(jì)的，在模擬熱帶氣旋時(shí)表現(xiàn)不佳。這種不適用性導(dǎo)致了模型在捕捉風(fēng)暴核心及其環(huán)境中的相互作用時(shí)出現(xiàn)顯著缺陷。此外，在灰色區(qū)間分辨率（0.1-1公里）下，卷渦等小尺度結(jié)構(gòu)的存在進(jìn)一步加劇了參數(shù)化的難度，導(dǎo)致不確定性增加。3、為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)提出了尺度感知邊界層參數(shù)化方案以應(yīng)對(duì)灰區(qū)問(wèn)題，通過(guò)大渦模擬（large?eddy?simulations,?les）研究不同時(shí)空尺度下的湍流特性，建立了經(jīng)驗(yàn)性的尺度依賴(lài)函數(shù)，用以區(qū)分模型中解析的湍流通量和次網(wǎng)格尺度湍流通量，從而減少在灰色區(qū)間分辨率下對(duì)次網(wǎng)格湍流過(guò)程的高估。然而，現(xiàn)有的尺度感知參數(shù)化方案主要基于理想化的對(duì)流邊界層（convective?boundary?layer,?cbl）和穩(wěn)定邊界層（stableboundary?layer,?sbl）條件發(fā)展而來(lái)，未能充分考慮tcbl的特殊動(dòng)力學(xué)特征，特別是在存在強(qiáng)烈風(fēng)切變和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的tcbl環(huán)境中，在不同風(fēng)速條件下，次網(wǎng)格湍流動(dòng)能（subgrid-scale?turbulent?kinetic?energy,?sgs-tke）表現(xiàn)出不同的尺度依賴(lài)性，這種變化需要通過(guò)改進(jìn)相似性函數(shù)來(lái)合理表征。4、大渦模擬（large?eddy?simulation,?les）是一種能夠顯式解析大尺度湍流渦旋，并參數(shù)化次網(wǎng)格湍流的小尺度模擬方法。les通過(guò)直接模擬大氣邊界層中的大尺度湍流結(jié)構(gòu)，能夠捕捉湍流的時(shí)空分布特征，并提供高分辨率的風(fēng)場(chǎng)和湍流數(shù)據(jù)。通過(guò)les模擬獲得的數(shù)據(jù)，不僅可以作為評(píng)估尺度感知邊界層參數(shù)化方案的基準(zhǔn)，還可以用于改進(jìn)次網(wǎng)格湍流動(dòng)能模型，優(yōu)化相似性函數(shù)的選取和調(diào)整策略。然而，目前的研究中尚缺乏利用les結(jié)果來(lái)改進(jìn)tcbl灰區(qū)尺度感知參數(shù)化方案的系統(tǒng)性方法。5、綜上所述，由于tcbl的特殊湍流特性以及現(xiàn)有尺度感知邊界層參數(shù)化方案的局限性，現(xiàn)有技術(shù)在灰區(qū)分辨率下難以準(zhǔn)確模擬tcbl風(fēng)場(chǎng)，特別是在強(qiáng)旋轉(zhuǎn)和風(fēng)切變條件下，次網(wǎng)格湍流動(dòng)能的生成和耗散模型存在顯著偏差，無(wú)法合理表征不同風(fēng)速條件下的湍流特性。因此，開(kāi)發(fā)一種基于les模擬優(yōu)化改進(jìn)tcbl灰區(qū)尺度感知參數(shù)化相似性函數(shù)的方法，以改進(jìn)和優(yōu)化相似性函數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整次網(wǎng)格湍流動(dòng)能（subgrid-scale?turbulent?kineticenergy,?sgs-tke）的生成和耗散模型，適應(yīng)灰區(qū)分辨率下的湍流特性，提高熱帶氣旋（tropical?cyclone,?tc）的預(yù)測(cè)精度和可靠性，是亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路1、（一）發(fā)明目的2、針對(duì)現(xiàn)有tcbl參數(shù)化方案在灰區(qū)分辨率（0.1-1km）下存在的次網(wǎng)格湍流動(dòng)能（sgs-tke）生成與耗散表征不準(zhǔn)確、現(xiàn)有尺度感知相似性函數(shù)主要基于常規(guī)邊界層開(kāi)發(fā)而對(duì)tcbl適用性較差以及難以動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)格尺度與邊界層特征尺度之間的能量傳遞等缺陷和不足，為解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述以及其他方面的至少一種技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種基于les模擬優(yōu)化改進(jìn)tcbl灰區(qū)尺度感知相似性函數(shù)的方法、介質(zhì)及程序產(chǎn)品，通過(guò)構(gòu)建高分辨率的tcbl理想化les模擬框架，對(duì)不同尺度分辨率下tcbl的湍流特性進(jìn)行精細(xì)化模擬和分析，獲取不同尺度分辨率下的次網(wǎng)格尺度湍流動(dòng)能（tke）比例，并基于les模擬結(jié)果優(yōu)化改進(jìn)尺度感知相似性函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)tcbl湍流特性的更準(zhǔn)確表征和參數(shù)化，最終提高灰區(qū)分辨率下tcbl風(fēng)場(chǎng)模擬精度和熱帶氣旋tc的預(yù)報(bào)水平。3、（二）技術(shù)方案4、為實(shí)現(xiàn)該發(fā)明目的，解決其技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：5、本發(fā)明的第1個(gè)發(fā)明目的在于提供一種基于les模擬優(yōu)化改進(jìn)tcbl灰區(qū)尺度感知相似性函數(shù)的方法，用于通過(guò)高分辨率大渦模擬（large?eddy?simulation,?les）生成的熱帶氣旋邊界層（tropical?cyclone?boundary?layer,?tcbl）風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，優(yōu)化和改進(jìn)灰區(qū)（0.1-1公里）尺度感知邊界層參數(shù)化相似性函數(shù)，以提高次網(wǎng)格尺度湍流動(dòng)能（subgrid-scale?turbulent?kinetic?energy,?sgs-tke）模型在灰區(qū)分辨率下的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提升熱帶氣旋路徑和強(qiáng)度預(yù)測(cè)的精度，所述方法在實(shí)施時(shí)至少包括如下步驟：6、ss1.?構(gòu)建tcbl高分辨率les模擬框架7、構(gòu)建基于修正rankine渦旋模型的理想化tcbl，其中：tcbl模擬區(qū)域的水平范圍設(shè)置為5~10km、垂直范圍設(shè)置為3~5km，水平網(wǎng)格分辨率設(shè)置為10~100m，垂直網(wǎng)格分辨率在2km以下設(shè)置為水平網(wǎng)格分辨率的一半并在2km以上采用10~15m的分級(jí)網(wǎng)格；根據(jù)預(yù)設(shè)的tc強(qiáng)度和大小，指定梯度風(fēng)速 v、徑向梯度、最大風(fēng)速半徑 rmax和控制切向風(fēng)速隨徑向距離衰減的冪律指數(shù) n并初始化切向風(fēng)速和徑向風(fēng)速廓線(xiàn)，并基于tc探空觀測(cè)數(shù)據(jù)復(fù)合分析結(jié)果初始化位溫和比濕廓線(xiàn)；在兩個(gè)水平方向采用周期性邊界條件，底部采用無(wú)滑移下邊界，頂部采用風(fēng)速自由滑移邊界條件和恒定位溫邊界條件，并在2公里以上區(qū)域設(shè)置rayleigh阻尼層以抑制重力波反射； 8、ss2.?生成不同強(qiáng)度tcbl的模擬數(shù)據(jù)集9、基于所構(gòu)建的tcbl高分辨率les模擬框架，針對(duì)10米高度風(fēng)速范圍為20~50m/s內(nèi)的多個(gè)不同風(fēng)速條件開(kāi)展les模擬，顯式解析tcbl中的大尺度湍流渦旋，采用sgs-tke閉合模型參數(shù)化處理未被解析的次網(wǎng)格尺度湍流，模擬時(shí)長(zhǎng)設(shè)為6~8小時(shí)并每5~10分鐘輸出一次三維場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)監(jiān)控邊界層高度和湍流統(tǒng)計(jì)量的演變確保模擬達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，并根據(jù)les模擬結(jié)果生成至少包含三維風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)及湍流特征量的用于優(yōu)化改進(jìn)灰區(qū)尺度感知相似性函數(shù)的高分辨率基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集；10、ss3.?構(gòu)建適用于tcbl灰區(qū)尺度感知相似性函數(shù)11、基于不同風(fēng)速?gòu)?qiáng)度tcbl的高分辨率les模擬數(shù)據(jù)集，計(jì)算高分辨率下tcbl風(fēng)場(chǎng)的解析尺度湍流動(dòng)能 e res和次網(wǎng)格湍流動(dòng)能 e sgs，之后使用二維高斯濾波器對(duì)高分辨率的les風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行多尺度濾波并分離出20m~2.56km范圍內(nèi)不同濾波尺度分辨率 δx下的解析風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并分別計(jì)算不同濾波尺度分辨率 δx下tcbl風(fēng)場(chǎng)的解析尺度湍流動(dòng)能 e res( δx)，之后計(jì)算不同濾波尺度分辨率 δx下的次網(wǎng)格湍流動(dòng)能 e sgs( δx)及其占總湍流動(dòng)能 e tot的比例 p sgs e，并基于計(jì)算結(jié)果擬合 p sgs e與 δx/ h之間的函數(shù)關(guān)系，其中 h為邊界層高度，構(gòu)建形成改進(jìn)的tcbl灰區(qū)尺度感知相似性函數(shù)； 12、ss4.?驗(yàn)證與實(shí)施改進(jìn)的tcbl灰區(qū)尺度感知相似性函數(shù)13、將步驟ss3中優(yōu)化改進(jìn)后的tcbl灰區(qū)尺度感知相似性函數(shù)集成到現(xiàn)有數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型中，并通過(guò)一系列tc事件的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回測(cè)，將采用改進(jìn)的相似性函數(shù)的模擬結(jié)果與采用現(xiàn)有相似性函數(shù)的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，比較改進(jìn)前后的模型在預(yù)測(cè)tc路徑和強(qiáng)度方面的表現(xiàn)差異，評(píng)估改進(jìn)的相似性函數(shù)對(duì)tcbl風(fēng)場(chǎng)模擬精度和熱帶氣旋預(yù)報(bào)水平的提升效果，確保其在灰區(qū)分辨率下的適用性和準(zhǔn)確性。14、本發(fā)明的第2個(gè)發(fā)明目的在于提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)指令，用于執(zhí)行上述基于les模擬優(yōu)化改進(jìn)tcbl灰區(qū)尺度感知相似性函數(shù)的方法。15、本發(fā)明的第3個(gè)發(fā)明目的在于提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述基于les模擬優(yōu)化改進(jìn)tcbl灰區(qū)尺度感知相似性函數(shù)的方法。16、（三）技術(shù)效果17、同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的基于les模擬優(yōu)化改進(jìn)tcbl灰區(qū)尺度感知相似性函數(shù)的方法、介質(zhì)及程序產(chǎn)品，具有以下有益且顯著的技術(shù)效果：18、（1）本發(fā)明通過(guò)高分辨率大渦模擬（les）生成不同強(qiáng)度tcbl的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，并基于les模擬結(jié)果改進(jìn)灰區(qū)（0.1-1公里）尺度感知相似性函數(shù)。通過(guò)明確解析湍流動(dòng)能（tke）與次網(wǎng)格湍流動(dòng)能的分布特征，并擬合次網(wǎng)格湍流動(dòng)能比例與分辨率參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，有效解決了現(xiàn)有參數(shù)化模型在處理灰區(qū)尺度時(shí)的局限性。改進(jìn)后的相似性函數(shù)能夠更準(zhǔn)確地捕捉邊界層湍流特性，尤其是在復(fù)雜風(fēng)剪切和強(qiáng)旋轉(zhuǎn)條件下的表現(xiàn)顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法。19、（2）本發(fā)明通過(guò)將改進(jìn)的相似性函數(shù)集成到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型中，并對(duì)歷史熱帶氣旋事件進(jìn)行回測(cè)，本發(fā)明驗(yàn)證了改進(jìn)模型在路徑和強(qiáng)度預(yù)測(cè)中的可靠性。具體表現(xiàn)為邊界層高度和湍流動(dòng)能的模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)更為一致，路徑偏差和強(qiáng)度誤差明顯減少。這一效果對(duì)于提高熱帶氣旋預(yù)報(bào)的科學(xué)性和時(shí)效性具有重要意義，特別是在減少災(zāi)害性影響方面具有顯著應(yīng)用價(jià)值。20、（3）本發(fā)明通過(guò)對(duì)多源數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和對(duì)不同海域熱帶氣旋事件的敏感性分析，驗(yàn)證了改進(jìn)的相似性函數(shù)在不同環(huán)境條件下的適用性。且本發(fā)明為參數(shù)化方案的優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)，尤其是在灰區(qū)尺度分辨率下，通過(guò)引入湍流特性數(shù)據(jù)的多尺度濾波分析及數(shù)據(jù)擬合技術(shù)，提出了一種具有動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力的相似性函數(shù)模型。這一方法不僅推動(dòng)了les模擬技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用，還為未來(lái)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型中復(fù)雜邊界層問(wèn)題的研究提供了參考。當(dāng)前第1頁(yè)12當(dāng)前第1頁(yè)12