一种基于目标系统扰动的热带气旋集合预报方法与流程

本发明属于数值天气预报技术领域，尤其涉及一种基于目标系统扰动的热带气旋集合预报方法。

背景技术：

对热带气旋数值预报而言，目前形成的共识是由于初值误差和模式误差的存在，单一初值单一模式的确定性预报难以做出稳定准确的预报结果。为了减小各种误差对预报结果的影响，集合预报的方法被应用于热带气旋的数值预报研究和业务预报中来。目前研究和业务中常见的热带气旋集合预报方法可分为三类，即扰动初始环境场、扰动热带气旋初始位置和强度、扰动模式。目前热带气旋的集合数值预报尚处在发展阶段，还存在一些亟待解决的问题，包括：(1)目前使用较多的初值扰动方法没有针对性，如bgm、sv方法等，主要用于中高纬度地区的中期天气预报，而低纬地区的天气系统，特别是热带气旋等，在动力和热力机制上与中高纬地区天气系统有很大差别，导致被应用到热带气旋的集合数值预报中效果大打折扣。(2)热带气旋路径数值预报对积云参数化方案敏感性不强，不同参数化方案之间的差异，不足以对热带台风内部对流结构造成决定性的影响，这导致基于物理过程扰动的集合预报发散度不够。(3)多模式多初值的超级集合预报方法在实际工作中还不便开展，对大多数业务机构来说，能够同时获取的初始场和数值模式是有限的。

对热带气旋的路径而言可以分为两类，一类是稳定的正常路径，其余是突然转向的异常路径，目前数值模式的发展水平对正常路径的热带气旋已经具有很好的预报能力，而应重点针对异常路径热带气旋的产生原因开展专门的设计，进而设计有针对性的热带气旋集合预报技术。从宏观角度来说，制约热带气旋运动过程的科学问题是两个方面：一是热带气旋系统自身的结构，包括大小、强度等；另一方面是环境场的引导作用。对环境场的扰动，如前所述主要是采用mcf、laf、bgm、sv等方法，这些方法适合全球模式，对热带气旋的预报来说缺乏针对性。台风由热带地区生成往中纬度运动过程中，主要受到中纬度环流系统的影响，因此相较于对整个初始场进行扰动，只对中纬度相关环流系统进行有针对性的扰动，可能会得到更合理的集合预报初始成员。

中纬度的环流系统可以分解为稳定的大尺度背景场和快变的中小尺度扰动场，而热带气旋路径的突变往往和热带气旋周边中小尺度扰动场的变化有关。因此可将热带气旋周边的中小尺度扰动场看作对热带气旋路径突变有重要影响的目标系统，通过对其进行分离合扰动，从而得到有针对性的基于目标系统扰动的热带气旋集合预报方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于目标系统扰动的热带气旋集合预报方法，用以解决目前还缺乏专门针对热带气旋数值预报的集合成员构造方法的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于目标系统扰动的热带气旋集合预报方法，包括下列步骤：

1)根据需要确定数值初始背景场，该背景场在水平方向为经纬网格，其水平分辨率为δφ；

2)对初始背景场进行尺度分离，得到大尺度背景场和中小尺度扰动场。假设某要素场f＝f^b+f^d，其中f^b为大尺度背景场，f^d为中小尺度扰动场，为了对初始背景场进行尺度分离，分别对初始场f在纬向和经向进行滤波，其滤波公式为：

其中，下标λ、分别为经向和纬向的某一格点，n＝1,2,3,......,m，m＝2,3,4,2,5,6,2,8,9,2。

3)利用步骤2)得到中小尺度扰动场f^d＝f-f^b，将f^d看作目标系统并对其进行扰动，其扰动方法为将目标系统乘以一系数s，该系数取值范围设定为-1≤s≤1。

4)将分离出的大尺度场与扰动后的中小尺度场进行叠加，得到基于目标系统扰动的热带气旋集合预报初始成员。其中某一集合成员计算式为f^e＝f+s×f^d。

5)假设通过步骤4)得到n个初始集合成员，则将这n个初始集合成员分别作为模式初始场，通过台风初始化后即可开展热带气旋路径和强度集合预报。

本发明具有如下有益效果：本发明提供了一种客观有效的方法，通过背景场尺度分离得到对热带气旋异常路径影响显著的中小尺度系统，即目标系统。并通过对该目标系统的合理扰动得到初始集合成员，解决了目前在初值扰动方法中多采用适用于全球模式中长期预报的集合成员构造方法，而没有专门针对热带气旋初值扰动的初始集合成员构造方法的问题。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是基于目标系统扰动的热带气旋集合预报方法流程图；

图2-1～图2-3是背景场尺度分离实例，该要素场为海平面气压场；其中：

图2-1为原始场背景；图2-2为分离出的大尺度环境场；图2-3为中小尺度扰动场；

图3是对中小尺度扰动场进行扰动后，500hpa高度场上5880和5820位势米等高线分布图；

图4是以0920号台风为例利用本发明提供的基于目标系统扰动的集合预报方法开展热带气旋路径集合预报的结果。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

本发明提供的基于目标系统扰动的热带气旋集合预报方法主要包括下列步骤：

1)根据需要确定数值初始背景场，该背景场在水平方向为经纬网格，背景场的水平分辨率为δφ；

2)对采用滤波方法对初始背景场进行尺度分离，得到大尺度背景场和中小尺度扰动场；

方法为：假设某要素场f＝f^b+f^d，其中f^b为大尺度背景场，f^d为中小尺度扰动场，为了对初始背景场进行尺度分离，分别对初始场f在纬向和经向进行滤波，其滤波方法为：

其中，下标λ、分别为经向和纬向的某一格点，n＝1,2,3,......,m，m＝2,3,4,2,5,6,2,8,9,2；

3)利用步骤2)得到中小尺度扰动场f^d＝f-f^b，将f^d看作目标系统并对其进行扰动，其扰动方法为将目标系统乘以扰动系数s，该系数取值范围设定为-1≤s≤1；

4)将分离出的大尺度场与扰动后的中小尺度场进行叠加，得到基于目标系统扰动的热带气旋集合预报初始成员，某一集合预报初始成员f^e＝f+s×f^d；

5)设通过步骤4)得到n个初始集合成员，则将这n个初始集合成员分别作为模式初始场，通过台风初始化后即可开展热带气旋路径和强度集合预报。

本例中，以0920号台风路径集合预报为例：

步骤1)以0920号台风路径集合预报为例，其预报背景场采用美国环境预报中心ncep再分析资料，其水平分辨率为1°。

步骤2)对初始场采用步骤2)提供的公式开展尺度分离，图2-1～2-3为2009年10月20日00时(世界时)海平面气压场尺度分离实例，图2-1为原始场背景；图2-2为分离出的大尺度环境场；图2-3为中小尺度扰动场。其中δφ＝1、m＝1。

步骤3)将分离出的中小尺度场看作是目标系统，并对其进行扰动。其中扰动系数s取值为-1.0、-0.9、-0.8、-0.7、-0.6、-0.5、-0.4、-0.3、-0.2、-0.1、0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0。图3是对目标系统进行扰动后，2009年10月20日00时(世界时)500hpa高度场上5880和5820位势米等高线分布图；

步骤4)将扰动场与大尺度背景场叠加，得到初始集合成员。

步骤5)将步骤4)得到的初始集合成员作为初始场开展热带气旋路径和强度预报，图4为采用基于目标系统扰动的热带气旋集合预报方法得到的0920号台风路径集合预报结果。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。