一种基于边界层伸缩思想的ecmwf水汽空间加密算法
【技术领域】
[0001] 本发明属于气象技术领域，涉及一种基于边界层伸缩思想的ECMWF水汽空间加密 算法。
【背景技术】
[0002] 大气可降水量（PWV)是气象预报中的一个重要元素，大气水汽的环流异常是气象 灾害的重要原因，因此研宄大气水汽空间分布及其变化对气象灾害预报具有极其重要的意 义。欧洲中尺度气象预报中心（ECMWF)代表着世界上中短期数值天气预报的最高水平，可 以每天提供四次的全球网格点数值气象水汽数据，在区域气象预报发挥着越来愈重要的作 用，也被越来越多的人研宄。
[0003] Hengchun Ye和Eric J. Fetzer等人对南极地区无线电探空仪数据和ECMWF水汽 进行了研宄，发现两者相关程度达〇.8以上。2009年0. Bock和M. Nuret利用ECMWF和地 基GPS水汽数据对非洲季风气候进行了研宄，发现两者在5天至一个月的平均趋势上具有 很好的一致性。在国内，任晓燕等研宄了ECMWF数据在亚洲中炜度地区的预报精度，文彩虹 等研宄了利用ECMWF预报产品对全球季节平均气候异常的可预报性分布和影响因素，陈权 亮等利用ECMWF和HALOE资料研宄了平流层温度的变化规律。然而ECMWF格网点水汽数据 空间密度较为稀疏，对外开放的数据空间网格间距为0. 7°~2. 5°之间，使得ECMWF格网 点气象数据在研宄小区域如市级气象预报中的受到限制，更无法研宄单个点的水汽变化规 律。
[0004] 常规插值方法，如逆距离权倒数、Kriging、双线性内插等，可以进行ECMWF水汽的 空间加密，但该类空间加密方法主要是在二维空间范围内，考虑距离和地形的影响对已知 数据点分配权值，进而求解待插值点水汽值，该类加密算法模型相对简单，且不具备算法的 物理意义。而ECMWF提供了不同气压面下的水汽密度、大气温度、重力位势高等剖线数据， 因此ECMWF数据的空间插值是三维的空间加密问题。同时ECMWF每一网格点上的气象数 据值代表了该分辨单元内不同地形上气象数据值的平均值，而不是指某具体位置上的数据 值。因此，常规空间加密算法在此受到了极大的限制。如何利用这些剖线数据以符合大气 空间分布特性的方式进行空间加密将是不同于以往空间加密算法的新课题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述技术存在的ECMWF格网点气象数据在研宄小区域气 象预报时，由于空间分辨率较低缺点，提供一种基于边界层伸缩思想的ECMWF水汽空间加 密算法。
[0006] 其具体技术方案为：
[0007] 一种基于边界层伸缩思想的ECMWF水汽空间加密算法，包括以下步骤：
[0008] 1)由待加密点的点位坐标计算确定该点所属ECMWF网格分辨单元，并提取所属 ECMWF网格单元及其周围网格单元的各气压层水汽密度和大气温度剖线数据；
[0009] 2)提取待加密点所属ECMWF网格分辨单元的重力位势高，并由重力位势高截取水 汽密度和温度的原始剖线Original;
[0010] 3)根据气压和温度的空间加密方法，结合（5)和（6)式以及加密点高程计算获取 加密点地表温度和气压估算值：
[0011] 结合地表温度和气压经验公式先求得ECMWF网格点上地表温度和气压的经验值 Texp和Pexp:
[0012] Texp= 288. 15-0. 0065Xhs (I)
[0013]Pexp=P0 ? (1-0. 0000226 ? (hs_h0)) 5.225 (2)
[0014] 其中Iitl为0米，P^为1013. 25hpa，hs代表加密点海拔高，单位为米，本发明计算时 则用到ECMWF提供的格网点位势高。将ECMWF提供的网格点地表温度和气压值Tranwf, 3和 P6MWf,s与它们经验值T6XP和P6XP进行比较获取不符值：
[0015]AT=Tecfflwfjs-Texp (3)
[0016] ^P = Pecmwf, s_Pexp ⑷
[0017] 并将此不符值作为分辨单元内各地面点地表温度和气压经验值的补偿值，对加密 点的温度Ti和气压P1进行补偿：
[0018]Ti=Tijexp+AT (5)
[0019]Pi=Piexp+AP (6)
[0020]计算Tuxp和P Uxp是用加密点海拔高h i代替⑴和⑵中h s，通过（5)和（6)式 即可求出加密点上的地表温度Ti和气压Pi;
[0021] 4)利用加密点地表温度和气压估算值以及加密点高程信息，对ECMWF初始水汽密 度和温度剖线进行伸缩得到调整后的剖线数据Stretched;
[0022] 5)利用线性平滑函数对边界层以下Original水汽密度和温度剖线与Stretched 水汽密度和温度剖线分别进行平滑处理，得到联合的水汽密度和温度剖线Combined;
[0023] 6)分别对边界层以上的原始剖线和边界层以下的Combined剖线分别按公式（8) 进行积分，对积分结果求和即得到待插值点的水汽值：
【主权项】
1. 一种基于边界层伸缩思想的ECMWF水汽空间加密算法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 由待加密点的点位坐标计算确定该点所属ECMWF网格分辨单元，并提取所属ECMWF 网格单元及其周围网格单元的各气压层水汽密度和大气温度剖线数据； 2) 提取待加密点所属ECMWF网格分辨单元的重力位势高，并由重力位势高截取水汽密 度和温度的初始剖线Original ; 3) 根据气压和温度的空间加密方法，结合（5)和（6)式以及加密点高程计算获取加密 点地表温度和气压估算值： 结合地表温度和气压经验公式先求得ECMWF网格点上地表温度和气压的经验值Texp和 Pexp: Texp= 288. 15-0. 0065Xhs (1) Pexp= P0 ·(卜〇· 0000226 · (hs-h0)) 5 225 (2) 其中&为0米，P ^为1013. 25hpa，h s代表加密点海拔高，单位为米，将ECMWF提供的网 格点地表温度和气压值T_wf,dP P _wf,s与它们经验值T εχρ和P εχρ进行比较获取不符值： ^T = Tecmwfjs-Texp (3) Δ P = Pecmwf, S-Pexp (4) 并将此不符值作为分辨单元内各地面点地表温度和气压经验值的补偿值，对加密点的 温度Ti和气压P ,进行补偿： Ti=Tiiexp+Λ T (5) Ρ?=Ρ?,βχρ+ΔΡ (6) 计算Tuxp和P &χρ是用加密点海拔高hi代替（1)和（2)中、，通过（5)和（6)式即可 求出加密点上的地表温度Ti和气压P i; 4) 利用加密点地表温度和气压估算值以及加密点高程信息，对ECMWF初始水汽密度和 温度剖线进行伸缩得到调整后的剖线数据Stretched ; 5) 利用线性平滑函数对边界层以下Original水汽密度和温度剖线与Stretched水汽 密度和温度剖线分别进行平滑处理，得到联合的水汽密度和温度剖线Combined ; 6) 分别对边界层以上的原始剖线和边界层以下的Combined剖线分别按公式（8)进行 积分，对积分结果求和即得到待插值点的水汽值：
其中，ew表示水汽偏压，Rv为水汽特定气体常数，其值为461. 495J · IT1 · kg' RH为相 对湿度，百分比表示，T为开尔文绝对温度，z表示积分高度。
2. 根据权利要求1所述的基于边界层伸缩思想的ECMWF水汽空间加密算法，其特征在 于，ECMWF数据包括格网点地表层温度、地表层气压、地表层重力位势高、各气压层的温度、 各气压层水汽密度、各气压层位势高、Theta-Sigma混合垂直坐标系a和b参数。
【专利摘要】本发明公开了一种基于边界层伸缩思想的ECMWF水汽空间加密算法，由待加密点的点位坐标计算确定该点所属ECMWF网格分辨单元，并提取所属ECMWF网格单元及其周围网格单元的各气压层水汽密度和大气温度剖线数据；提取待加密点所属ECMWF网格分辨单元的重力位势高，并由重力位势高截取水汽密度和温度的初始剖线；根据气压和温度的空间加密方法以及加密点高程计算获取加密点地表温度和气压估算值。本发明建立了基于边界层伸缩算法的空间插值模型SBLM，并编制了相应的软件，同时结合实测GPS以及地面气象数据对算法结果进行验证。结果表明基于SBLM计算得到的PWV、P和T具有很高的精度。
【IPC分类】G01W1-10
【公开号】CN104765076
【申请号】CN201410381498
【发明人】杨成生, 张勤, 赵超英, 李振洪
【申请人】长安大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2014年8月2日