一种提高海洋模型精度的台风风场模拟仿真系统及方法与流程

本发明属于气象数据融合处理，尤其涉及一种提高海洋模型精度的台风风场模拟仿真系统及方法。

背景技术：

1、近年来，全球气候变化引发的自然灾害频繁发生，其中台风是最为常见的一种，给人们的生命财产安全带来了巨大威胁。

2、在海洋模式中，风场驱动对模式结果的准确性有着至关重要的作用，而实测风场远远满足不了模式运行的需求。因此，在本领域普遍采用风场的再分析产品为模式提供海表面驱动，或通过专业的大气数值模型（如wrf等）与编程技术利用经验公式对台风进行构造，但这些方式所需的相关系数难以获得且花费时间较长，对多条台风的构造更需要大量的步骤与数据收集。不同的风场再分析产品之间存在差异，而在不同的海域，风场在模式中的适用性也存在差异。

3、目前利用海洋模式对海域开展的工作还主要局限在结构性和规律性的研究，适用的风场选择和高精度海洋模式的优化还需要进一步探索。

4、台风通常指形成于热带海洋大气中强烈的暖低压涡旋（热带低压），经过时往往伴随着强风、强降雨和巨浪等灾害现象。台风灾害严重危害了财产安全。台风的数量多、强度大，对区域的海洋水体运动有着不可忽视的影响。

5、风场吹过海面时会产生能量传递，驱动海洋形成各种水体运动，无论是小尺度的波浪还是大尺度的环流，几乎都是由海表面风场所驱动的。因此，风场的准确性直接影响海洋模式的可靠性，而选择合适的海面风场对海洋数值模式至关重要。然而，由于直接获取观测数据的条件严苛，成本极高，难以获得完整的大范围、长时间序列资料，使得基于有限的观测数据获得的再分析数据成为了海洋数值模式中难以取代的大气驱动风场。目前，已经推出了许多海面风场的再分析数据集，也研究分析了不同数据集的质量，比如不同数据集的分辨率差异、风矢量场差异以及对海洋模式的影响等。其中，ncep cfsr/cfsv2与era5两种风场再分析数据集被广泛应用到海洋模式当中。

6、ncep cfsr数据为某国环境预报中心（national centers for environmentalprediction，简称ncep）的气候预报系统再分析（climate forecast system reanalysis，简称cfsr）数据，提供了1979年至2010年的大气风场数据，有着0.313°×0.312°的水平分辨率和1h的时间分辨率。而cfsv2（climate forecast system version 2）数据则是cfsr的全面升级产品，提供了2011年至今的风场数据，且将水平分辨率提高到了0.205°×0.204°，时间分辨率则保持为1h。era5数据集利用先进的数值模式和数据同化技术，将大量观测资料结合到模式计算中，提供了1950年至今的包括大气、地表和海洋的大量数据产品，其水平分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1h。

7、针对这两款再分析数据的准确性以及在数值模式中的适用性，已有部分研究在不同海域进行过验证分析。era5的海表面风场和海浪在印度洋与观测结果更为接近；在大西洋中，necp cfsr/cfsv2的再分析产品会产生比era5更强烈的气旋；现有研究认为era5风场作为海洋模式的驱动风场总体上会得到更好的模拟结果，且在此区域对台风这种剧烈天气的模拟也是era5占据优势。由此可见，在不同的海域中，不同的风场在分析数据的准确性以及在海洋模式中的适用性是有所不同的。

8、以往的研究中，台风场数据一般使用全球再分析风场数据，但在中小尺度的海洋模型中，再分析风场的网格精度不足以支撑高精度的海洋模型，在这种情况下，前人多利用专业的大气数值模型（如wrf等）或通过编程技术利用经验公式对台风进行构造，但这些方式所需的输入系数难以获得且花费时间较长，对多条台风的构造需要大量的步骤与数据收集。

9、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为。（1）在海洋的模式研究中，对cfsr/cfsv2与era5等风场再分析数据产品的准确性与适用性进行了较为全面的评估；而再分析数据的台风风场在模式中的适用性评估明显不足。（2）中小尺度海洋结构在海洋热量输运中起着重要的作用，而由于缺少对海区域的高精度模式研究，导致对中小尺度结构的精确变化研究也较为缺乏。（3）现有的大气模型对台风的模拟过程所需的实际参数多，多数数据难以获得，且模型构造台风所需时间长，输入到海洋水动力数值模型难以实现。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种提高海洋模型精度的台风风场模拟仿真系统及方法。具体涉及一种提高海洋模型精度的台风场模拟器。

2、所述技术方案如下：一种提高海洋模型精度的台风风场模拟仿真方法，包括以下步骤。s1，在台风期间的风场，选用mike 21气旋风场生成工具中的young and sobey台风经验公式，构建台风风场模型。s2，通过mike 21气旋风场生成工具构建台风的风，将构建的台风风场风速小于era5风场风速的地区定义为离台风中心远的地区，利用编程方式将era5风场与构造的台风风场模型进行风速的对比，在构造的风场风速小于era5风场的区域选用era5风场数据；mike 21气旋风场生成工具重构的气旋风场外侧与era5风场平滑过渡，在风向差异超过90度时，对era5风场按时空变化趋势特征进行渐变风向修正。s3，根据研究区域与台风路径位置，利用经验系数、与进行最大风速半径的计算，根据计算后的最大风速半径获取风场台风结构关键系数。s4，根据研究区域所需范围，获取包括完整台风风场的风速、风向以及分解出的东分量u、北分量v。

3、在步骤s1中，young and sobey台风经验公式将收集到的实际台风参数构造为台风风场；实际台风参数包括：中心气压与外围气压之差，最大风速半径，台风中心移动速度，台风移动路径的方向与角度，观测点到台风中心的距离。

4、在步骤s1中，构建台风风场模型前，还需对水深地形资料的采集、风场资料采集，以及构建台风风场模型中使用的每小时风眼位置、中心气压、周围气压以及最大风速的台风轨迹数据的采集。

5、在步骤s3中，根据研究区域与台风路径位置，利用经验系数、与进行最大风速半径的计算中，最大风速半径与中心气压差呈显著负相关，并对最大风速半径和中心气压差的经验线性模型计算：；式中，为最大风速半径，均为经验系数，为随机误差项，为中心气压差。

6、在步骤s3中，风场台风结构关键系数包括：风眼经度、风眼纬度、最大风速、台风中心气压、环境气压、中心气压差。

7、在步骤s4中，根据获取的完整的台风风场获取十级风圈和十二级风圈的准确位置；所述十级风圈风速为24.5m/s-28.4m/s，十二级风圈风速为32.7m/s-36.9m/s。

8、本发明的另一目的在于提供一种提高海洋模型精度的台风风场模拟仿真系统，实施所述的提高海洋模型精度的台风风场模拟仿真方法，该系统包括：台风风场构建模块，用于在台风期间的风场，选用mike 21气旋风场生成工具中的young and sobey台风经验公式，构建台风风场模型；era5风场渐变风向填补模块，用于通过mike 21气旋风场生成工具构建台风的风，将构建的台风风场风速小于era5风场风速的地区定义为离台风中心远的地区，利用编程方式将era5风场与构造的台风风场模型进行风速的对比，在构造的风场风速小于era5风场的区域选用era5风场数据；mike 21气旋风场生成工具重构的气旋风场外侧与era5风场平滑过渡，在风向差异超过90度时，对era5风场按时空变化趋势特征进行渐变风向修正； 风场台风结构关键系数获取模块，用于根据研究区域与台风路径位置，利用经验系数、与进行最大风速半径的计算，根据计算后的最大风速半径获取风场台风结构关键系数；完整台风风场获取模块，用于根据研究区域所需范围，获取包括完整台风风场的风速、风向以及分解出的东分量u、北分量v。进一步，利用该系统搭建提高海洋模型精度的台风场模拟器，获取十级风圈和十二级风圈位置。

9、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明获得了高精度的海洋模式，通过观测数据和模式结果综合分析，进一步对海域中的中小尺度结构进行更为详细的剖析。探索出一条优化改进海洋模式的新途径，对某海域的精细化研究结果也有实际应用价值。精简了台风构造过程中的步骤与时间，提高了构造台风场与实际台风场的符合度。实验表明，通过era5风场与重新构建的风场来看，像某台风这种最大风速超过40m/s的强台风，重新构建的风场台风结构完整，与实际台风对比风眼位置准确。最大风速可以达到实际数据所显示的48m/s，且出现了再分析风场所缺失的十级风圈和十二级风圈。

10、本发明提供的能够提高海洋模型精度的台风风场模拟仿真系统及方法，通过对台风场进行模拟仿真，从而提高海洋模型的模拟精度，可以为相关部门和公众提供更好的预警和决策支持服务，预期的社会效益和经济效益巨大。该系统和方法在海洋科学、气象科学等领域发挥更加重要的作用。

11、本发明提供的提高海洋模型精度的台风风场模拟仿真系统及方法，利用先进的计算机技术和大量实测数据，对台风场进行模拟仿真，可以更加准确地获得台风的风眼位置、路径和强度，从而提高了海洋模型的精度。具体体现在：传统的台风预测方法主要依靠气象卫星和气象雷达等设备进行实时监测和分析，覆盖范围有限；而本发明可以在融合era5风场基础上模拟仿真，覆盖更广泛的区域，提高了再分析数据的全面性和准确性。

12、本发明利用容易获得的台风真实数据，对全球再分析风场数据台风的高风速数据缺失进行了补充，方法高效准确，本发明所构造的台风场在海洋三维水动力与沉积动力模型中验证准确；并且本发明通过收集在公开网站上发布的台风真实数据，配合全球再分析风场的大面积数据，高效构造出精度高、风眼位置准确的台风场。