专利名称：基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报系统和方法
技术领域：
本发明涉及气象业务部门5至15天中期极端温度(高温热浪和低温冷害)天气预报系统，尤其涉及一种区域持续性低温雨雪冰冻天气过程的异常信号分离方法和预报技术。
背景技术：
基于全球常规高空观测气象变量资料和中期数值天气预报模式产品资料绘制逐日常规天气图来预示未来5至10天区域极端天气事件的可能出现仍然是目前国内外气象业务部门的主要预报方法。现有传统预报方法对多维气象变量的分解存在误区。大气多变量(一维)在空间上(三维)随时间(一维)的变化和相互作用构成了大气运动的五维形式。在简单的由二维空间和一维时间构成的三维系统中，一个大气变量如温度，区域上的数学分解方法可用经验正交函数展开(EOF)得到多个空间模态和对应的时间系数序列。这些空间模态只是满足数学上的正交和收敛，但大部分模态不具有物理意义。大气是在球面三维空间中的无边界运动。对大气变量的球谐函数展开是当前短期(1-4天)和中期(5-15天)，以及气候 (月至年)预测模式中分解变量的基本方法。随着计算机容量和速度的提升，满足正交性的球谐函数变量展开波数越来越多(可高达几百，如T639就有639个正交的谐波分量)，相对于空间分辨率越来越高。这些分解的波缺少物理含义。由于大气运动的复杂性(非线性相互作用)，无物理意义的波作为初始场进入计算机运算，可产生出新的虚假波，导致几天到 10天后数值天气预报模式结果会与实况相反，失去预报意义。目前国内外业务部门对中期 (或延伸期)极端天气事件的预报方法上的不足可以归纳为下列三点。1、预报极端天气事件首先需要确定事件的标准。目前科研与业务中对极端天气事件的定义较多，没有统一的标准，或不确定。于是，对一个低温雨雪事件发生后，不同的研究人员和业务单位给媒体发布的事件强度、影响范围和持续时间会不一样。极端事件的标准不能确定，预报方法就无法制作，预报效果也就无法检验。无的放矢，也就无从检验。2、目前中期预报方法沿用了过去半个多世纪以来长期使用的短期(1至3天)常规天气图方法，只是延长使用了未来10天左右的数值天气预报模式产品资料。常规天气图上混杂包含了天气扰动信号和气候变化信号，而极端天气事件的发生必然是天气扰动的产物。在目前国内外的业务短期天气预报流程中，把气候变化分量与瞬时天气扰动分量混在一起作为未来极端天气事件预报的信号，极大地削弱了大气中天气扰动对极端天气事件预报的信号指示能力。3、气象科研和业务预报中的区域和球面大气波动信号的获取仅仅满足正交收敛的数学分解，缺乏物理含义。在非线性数学模型，如短期和中期以及气候预报模型中，无物理意义的波动必然产生出新的虚假波动，从而缩短可预报时效。
发明内容
本发明要解决的技术问题是设计一种更为合理的大气变量的四分量物理分解方法并提供一种低温雨雪冰冻天气的中期预报系统和方法。本发明采用如下技术方案解决上述技术问题设计一种基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报系统，包括气象资料的收集和对接子系统，用于收集气象观测过去的和当前的以及中期数值天气预报模式的气象资料，所述气象资料包括温度、湿度、风和降水的气象变量，对变量进行前后时间和空间分辨率的插值对接得到四维同化变量，并把所述气象变量进行极端天气事件识别获得不同指标量的事件数据集；气象变量的四分量数理分解子系统，利用至少N年逐日实测的气象变量的资料序列把所述气象变量分解成为表征太阳辐射季节变化引起的纬圈气候分量和表征海陆、地形热力差异引起的气候分量以及行星尺度纬圈距平扰动分量和瞬时天气扰动分量，由此形成四分量物理分解的数据库，所述四分量物理分解数据库被储存起来，提供其他系统调用；中期数值天气预报模式子系统，用于根据当前实测气象资料经过模式定量计算输出未来设定时刻的天气预报产品，该数值天气预报模式产品包含预报区域内未来设定时刻的气象变量，如温度、湿度、风和降水的时空分布；低温雨雪冰冻天气预报信号的识别子系统，该识别子系统调用所述四分量物理分解数据库，从当前实测的气象变量资料和所述中期数值天气预报模式子系统输出的天气预报产品中的气象变量中分离出瞬时天气扰动分量，然后绘制出等气压面上的或垂直剖面上的瞬时天气扰动分量的分布图，根据所述瞬时天气扰动分量的分布图和事件指标阈值作出所述预报区域是否出现低温雨雪冰冻天气的预报。所述气象变量的四分量物理分解子系统至少利用10年以上(本发明的实施例使用30年历史资料)的气象变量的时间序列进行四分量物理分解。所述气象资料的收集和对接子系统包括计算机系统通过气象数据传输系统对过去观测的、当前观测的气象数据和各国气象部门中期数值天气预报模式产品资料的收集和先后时间及空间网格点的四维同化对接系统。本发明解决技术问题所采用的技术方案还包括设计一种基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报方法，该方法包括如下步骤步骤A 分析预报区域的所有气象观测站的一段最够长的N年逐日最低温度Tmin的数据集，制定低温极端事件的定量指标；步骤B 对全球或北半球N年的连续气象变量资料序列进行四分量物理分解，即把所述气象变量分解成为表征太阳辐射季节变化引起的纬圈气候分量和表征海陆、地形热力差异引起的气候分量以及行星尺度纬圈距平扰动分量和瞬时天气扰动分量，形成可供系统调用的四分量物理分解的数据库；步骤C 调取当前实测的气象变量资料或/和中期数值天气预报模式输出的气象变量预报场并分离出所述瞬时天气扰动分量，绘制特征层等气压面上的或垂直剖面上的瞬时天气扰动分量的分布图，根据所述瞬时天气扰动分量的低温中心位置和强度阈值的分布图自动或人工作出所述预报区域是否出现低温雨雪冰冻天气的预报。所述步骤A制定低温极端事件的定量指标包括如下步骤
Al、单站低温极端事件的定义日最低气温低于多年平均值且日最低温度Tmin小于第10个百分位值，连续日数超过5天为单站低温极端事件，所述日最低气温的多年平均值等于当日前、后5天，共11天的气候平均值，所述Tmin小于第10个百分位值的图解见图 1 ；A2、区域低温极端事件的定义在同一时间段内至少5天有相邻5个站同时发生单站低温极端事件为区域低温极端事件，按照如下距离公式，相邻站之间的距离D小于5个经纬度
权利要求
1.一种基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报系统，包括气象资料的收集和对接子系统(1)，用于收集气象观测站及空间格点的过去、当前和中期数值天气预报模式输出的气象资料，所述气象资料包括温度、湿度、风和降水的气象变量，并把所述气象变量进行时间对接以获得全球或北半球及覆盖预报区域的逐日连续的空间格点气象变量的数据集；中期数值天气预报模式子系统，用于根据当前实测气象资料模式定量计算输出未来设定时刻的天气预报产品，该天气预报产品包括预报区域内未来设定时刻的气象变量， 如温度、位势高度、湿度和风的时空分布；其特征在于还包括气象变量的四分量物理分解子系统O)，利用N = 10年以上逐日实测的气象变量的资料序列把所述气象变量分解成为表征太阳辐射季节变化引起的纬圈气候分量和表征海陆、 地形热力差异引起的海陆气候分量以及行星尺度纬圈距平扰动分量和瞬时天气扰动分量， 由此形成四分量物理分解的数据库(3)，所述四分量物理分解数据库C3)被储存起来供系统调用；低温雨雪冰冻天气预报信号的识别子系统(5)，该识别子系统( 调用所述四分量物理分解数据库(3)，从当前实测的气象变量资料和所述中期数值天气预报模式子系统(4) 输出的天气预报产品中的气象变量中分离出天气扰动分量，然后绘制出等气压面上的或垂直剖面上的天气扰动分量的分布图，根据所述天气扰动分量的分布图作出所述预报区域是否出现低温雨雪冰冻天气的预报。
2.根据权利要求1所述的基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报系统，其特征在于所述气象变量的四分量物理分解子系统(2)至少利用10年或以上的气象变量的时间序列进行四分量物理分解。
3.根据权利要求1所述的基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报系统，其特征在于所述中期数值天气预报模式子系统(4)可采用欧洲中期(0至240小时) 数值天气预报模式系统，以及日本、美国和中国(T639)等气象业务部门的中期(0至240小时)数值天气预报模式系统产品资料，包括各气压层的格点温度、位势高度、相对湿度和风寸。
4.根据权利要求1所述的基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报系统，其特征在于所述气象资料的收集和对接子系统(1)包括计算机系统通过气象数据传输系统对过去观测的、当前观测的气象数据和各国气象部门中期数值天气预报模式产品资料的收集和先后时间及空间网格点的四维同化对接系统。
5.一种基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报方法，其特征在于该方法包括如下步骤步骤A 分析预报区域的所有气象观测站的一段足够长的N = 10年以上逐日最低温度 Tfflin的数据集，制定低温极端事件的定量指标；步骤B 对全球或北半球N年的连续气象变量资料序列进行四分量物理分解，即把所述气象变量分解成为表征太阳辐射季节变化的气候分量和表征海陆、地形热力差异的海陆气候分量以及行星尺度纬圈距平扰动分量和瞬时天气扰动分量，形成可供系统调用的四分量物理分解的数据库；步骤C 调取当前实测的气象变量资料或/和中期数值天气预报模式输出的气象变量预报场并分离出所述天气扰动分量，绘制等气压面上的或垂直剖面上的天气扰动分量的分布图，根据所述天气扰动分量的中心位置和强度的分布图及与所述步骤B中获得的气候流场自动或人工作出所述预报区域是否出现低温雨雪冰冻天气的预报。
6.根据权利要求5所述的基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报方法，其特征所述步骤A制定低温极端事件的定量指标包括如下步骤Al、单站低温极端事件的定义日最低气温低于多年平均值且日最低温度Tmin小于第 10个百分位值，连续日数超过5天为单站低温极端事件，所述日最低气温的多年平均值等于当日前、后5天，共11天的气候平均值；A2、区域低温极端事件的定义在同一时间段内至少5天有相邻5个站同时发生单站低温极端事件为区域低温极端事件，按照如下距离公式，相邻站之间的距离D小于5个经纬度D = sj[lat{i) - lat(j)f + [lonii) - lon(j)f, * j.其中Iat (i)和Ion (j)是第i个站点和第j个站点的纬度和经度；A3、区域低温极端事件的定量指标包括持续时间、影响范围和低温强度；所述持续时间为整个事件从开始到结束的日数，所述影响范围为单日所影响到的格点距为1° Xl0的最多经纬格点数，所述低温强度为事件中单日所达到的最低温度最大的气候距平；由此可定义低温极端事件的综合强度指数Cl，CI = ID+IE-II，其中ID、IE和II分别为经过标准化后的持续时间指数、范围指数和低温强度指数；A4、区域低温事件的地理中心位置(Lat，Lon)确定如下κκX ,lat(0Σ",1οη(0Lat = ^-’ Lon=-^7-Σ",Σ",/=1 i=l其中lat(i)和lon(i)是第i个站点的纬度和经度，Lat和Lon是事件的中心纬度和经度，η,是第i个站点在该次事件中的累计总天数，如果该站点不受这次低温事件影响，则 Iii为O ;K是总站点数。
7.根据权利要求5所述的基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报方法，其特征在于所述步骤B对气象变量资料序列进行四分量物理分解的具体方案包括如下过程Bi、用最近N =10年以上全球或北半球对流层至平流层大气观测的站点或格点温度Τ、 位势高度H、风V和湿度Q进行四分量物理分解，以温度T为例的分解式如下Τ(λ, φ, )γ= [Τχφ)] + Τ: (Λ, φ) + [Τ(φ, OlV + Τ(λ, φ, t)；上述分解式等号左边的变量是第γ年从1月1日起算第t日随经度λ和纬度P变化的温度场；Β2、步骤Bl中的分解式等号右边第一项[巧鉍)]是对应N年内第t日气候平均及沿纬圈平均后只随纬度变化的温度，其数学表达式如下该[巧(树]分量是太阳辐射季节变化确定的气候变量(如温度)场，τ是第t日从第1 年至第N年，λ是纬圈等距格点数从第1点至最后第P点；Β3、步骤Bl中的分解式等号右边第二项是相对第t日用第1年至第N年时间平均的空间格点温度减去相对第t日太阳辐射纬圈季节变化⑦⑷]后的气候逐日空间变量场，
8.根据权利要求5所述的基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报方法，其特征在于所述步骤C的具体方法包括扰动历史相似性预报方法、沿气候气流移动预报方法和数值模式产品预报方法；Cl、所述扰动历史相似性预报方法包括如下步骤用当前日、昨日和前日连续三天实测的气象变量资料分离出所述天气扰动分量并绘制特征层等气压面上的或垂直剖面上的天气扰动分量的逐日分布图，把当前实测天气扰动分量分布图与系统存储的四分量物理分解数据库中的相同季节历史天气扰动分量分布图进行相似性对比分析，如果当前扰动分量在强度、地理位置和传播方向上都与历史上的相似，则当前天气扰动分量的移动及其未来出现低温雨雪冰冻事件将与历史上出现的情况相似；C2、所述沿气候气流移动预报方法是用当前日实测的气象变量资料分离出所述天气扰动分量并绘制特征层等气压面上的或垂直剖面上的天气扰动分量的分布图，根据天气学原理，天气扰动分量未来的运动方向将会受到大尺度基本气流的引导，那么可以认为当前日天气扰动分量将沿气候风场的运动方向移动，由此就可以用当前日瞬时天气扰动分量沿气候风场的运动方向外推做出未来低温雨雪冰冻事件的预报；C3、所述数值模式产品预报方法是读取中期数值天气预报模式输出的气象变量预报场并分离出所述瞬时天气扰动分量，绘制特征层等气压面上的或垂直剖面上的瞬时天气扰动分量的分布图，根据所述瞬时天气扰动分量的低温中心位置和强度的分布图作出所述预报区域是否出现低温雨雪冰冻天气的预报。
9.根据权利要求8所述的基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报方法，其特征在于单独使用所述扰动历史相似性预报方法，或单独使用扰动沿气候气流移动预报方法，或单独使用中期数值天气产品扰动预报方法作出低温雨雪冰冻天气的中期预报。
10.根据权利要求8所述的基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报方法，其特征在于组合使用所述扰动历史相似性预报方法、扰动沿气候气流移动预报方法和中期数值天气预报模式产品扰动预报方法中的两种预报方法或三种预报方法作出低温雨雪冰冻天气的中期预报。
11.根据权利要求10所述的基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报方法，其特征在于所述组合使用两种预报方法或三种预报方法作出低温雨雪冰冻天气的中期预报包括对多种预报方法的预报结果以设定的权重系数进行加权平均，或对两种以上预报方法分别作出预报，然后对各预报结果互相验证。
全文摘要
本发明公开一种基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报系统和方法。所述方法利用过去观测的、当前观测的和中期数值天气预报模式输出的大气空间三维多变量与时间连续的格点资料，通过气候与天气扰动量的物理分解，建立前期和同期天气扰动与区域持续性低温雨雪冰冻极端事件之间的因果关系。本发明对近30年北半球对流层至平流层大气逐日三维空间格点温度、高度、风等资料进行了气候季节变化场和逐日天气扰动场的物理分解，建立了大气气候场和天气扰动场的数据库；用中国气象观测站的近50年逐日温度和降水量资料建立了中国南方低温雨雪冰冻历史资料库；本发明既是一个历史低温雨雪冰冻事件查询系统，又是一个中期低温雨雪冰冻事件预报系统。
文档编号G01W1/10GK102221714SQ201110061438
公开日2011年10月19日 申请日期2011年3月11日 优先权日2011年3月11日
发明者钱维宏 申请人:钱维宏