中小尺度气载物质大气输运集合扩散模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及大气扩散模拟技术，具体涉及一种中小尺度气载物质大气输运集合扩 散模拟方法。
【背景技术】
[0002] 过去十年，天气的集合预报方法有了很大的发展，集合预报比单个的数值天气预 报表现出了更大的准确性。将这个方法引入大气扩散模拟也能产生相似的益处。大气扩散 模式模拟包含复杂的非线性过程，动力学过程，热力过程，辐射，积云微物理，湍流等过程。 不同模式由于侧重点的不同，对某些过程的参数化处理不同，或初始边界条件不同，集合扩 散模拟技术就是将不同模式的特性都考虑进来。
[0003]在应急状态并且没有监测数据的情况下，同时考虑多模型结果有两个可能性：允 许模型间检查其主要不同，允许决策者随着事态的发展有更多的基于模拟结果的决策(如， 基于大量的数值预报)。在此基础上，集合（ENSEMBLE)的概念被提出并且不断发展和改进。 它是一种能够使我们减少对单一模型结果依赖的方法学。集合方法同时对同一事件的多个 预测结果进行分析，综合所有的可能的方法得到一个大气扩散预测的集合结果。不同的模 式有不同的原创的模式特点，所有的模拟结果均被考虑来进行决策。分析不同的模型产生 的大量的预测结果，结果间具有互补性，因此可提供了一种更全面的演化过程和更多的可 能的基本决策。当没有监测数据可用于评估时，集合模式在应急决策领域应用的优势就更 加明显。
[0004]目前，在国内集合模式大部分应用于天气预报及空气质量评价领域，在国外集合 扩散模拟主要用于大尺度大气扩散模拟研究，在中小尺度气载物质大气输运集合扩散模拟 方面尚未见报道。
【发明内容】
[0005]针对现有大气扩散模拟技术，本发明的目的是提供一种中小尺度气载物质大气输 运集合扩散模拟方法，运用集合扩散模拟技术解决单一模式及确定参数模拟的不确定性， 提供一个更加综合、全面的扩散模拟结果。
[0006]本发明的技术方案如下：一种中小尺度气载物质大气输运集合扩散模拟方法，包 括如下步骤：
[0007](1)根据模拟对象确定源项特征、模拟范围、模拟时间、模拟精度；
[0008](2)确定气象场模式与扩散场模式，集合成员由气象场模式与扩散场模式组成；
[0009](3)根据具体情况考虑气象场扰动、湍流扰动和大气扩散物理过程参数化方案，分 析这些不确定因素对模拟结果的影响；
[0010](4 )与现场试验观测数据进行比对分析，按照集合分析方法对集合成员内部、集合 成员模拟结果与现场观测结果进行分析；
[0011](5)根据集合成员间集合平均、离散度、均方根误差、距平相关系数及相对作用特 征曲线的检验结果，考察各集合成员的模拟有效性与准确度。
[0012] 进一步，如上所述的中小尺度气载物质大气输运集合扩散模拟方法，步骤（2)中所 述的气象场模式包括质量守恒三维客观诊断风场模式、风场预报模式。
[0013] 进一步，如上所述的中小尺度气载物质大气输运集合扩散模拟方法，步骤（2)中所 述的扩散场模式包括高斯类扩散模式、粒子随机游走模式及烟团模式
[0014] 进一步，如上所述的中小尺度气载物质大气输运集合扩散模拟方法，步骤（3 )中所 述的大气扩散物理过程参数化方案包括混合层高度计算方法、大气稳定度计算方法、水平 和垂直的拉格朗日时间尺度计算方法。
[0015] 进一步，如上所述的中小尺度气载物质大气输运集合扩散模拟方法，步骤（4)中所 述的集合分析方法包括时间分析、空间分析以及整体分析，其中，时间分析包括：烟云到达 时间的概率、浓度时间变化分析；空间分析包括：阈值协同水平、百分比协同水平及空间特 征参数分析；整体分析包括预测最大值趋势。
[0016] 本发明的有益效果如下：本发明运用集合分析的方法对同一事件的多个预测结果 进行分析，综合所有可能的方法得到一个大气扩散预测的集合结果。不同的模式有不同的 的模式特点与侧重点，所有的模拟结果均被考虑来进行决策。分析不同的模型产生的大量 的预测结果，结果间具有互补性，因此可提供了一种更全面的大气扩散演化过程和更多的 可能的基本决策。当没有监测数据可用于评估时，集合扩散模拟技术在应急决策领域应用 的优势就更加明显。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合实施过程对本发明进行详细的描述。
[0018] 本发明所提供的中小尺度气载物质大气输运集合扩散模拟方法，包括如下步骤：
[0019] -、根据模拟对象确定源项特征、模拟范围、模拟时间、模拟精度等。
[0020] 二、确定气象场与扩散场模式，集合成员由气象场模式与大气扩散场模式组成，可 以通过各种方法获得，包括：（1)单流场模式与单扩散模式；（2)多流场模式与单扩散模式； (3)单流场模式和多扩散模式；(4)多流场模式与多扩散模式。
[0021] 气象场模式包括质量守恒三维客观诊断风场模式、风场预报模式等，各种模式均 进行计算，得到的结果作为集合成员之一；扩散场模式包括高斯类扩散模式、粒子随机游走 模式及烟团模式等，各种模式均进行计算，得到的结果作为集合成员之一。
[0022] 三、根据具体情况考虑气象场扰动、湍流扰动和大气扩散物理过程参数化方案来 分析以上多种不确定因素对模拟结果的影响。
[0023] 若需要考察以上不确定因素对扩散模拟结果的影响可以分别或统一进行考虑；若 无需考察以上不确定因素，而仅考虑模式间的模拟结果差异则可省略该步骤。
[0024] 气象场扰动主要是通过对流场进行扰动来实现的，例如在气象场计算结果的基础 上分别在水平（X，Y)与垂直（Z)方向上添加一个随机扰动量（如设置规定的偏移量）等方 法。
[0025] 湍流扰动是通过在扩散模型湍流项中引入随机扰动因子来实现。
[0026] 大气扩散物理过程参数化方案包括：混合层高度计算方法、大气稳定度计算方法、 水平和垂直的拉格朗日时间尺度计算方法等。
[0027] 四、与现场试验观测数据进行比对分析，按照集合分析方法对集合成员内部、集合 成员模拟结果与现场观测结果进行分析，包括时间分析、空间分析与整体分析。时间分析包 括：烟云到达时间的概率、浓度时间变化分析；空间分析包括：阈值协同水平、百分比协同 水平及空间特征参数分析；整体分析包括预测最大值趋势。
[0028] 主要集合分析方法如下：
[0029] ( 1)阈值协同水平（ATL)
[0030] 阈值协同水平（ATL)可以用一个图总结几种模式结果的空间分布一致性。ATL定 义为归一化模型给定的表面（K=l，2，……，M)，对于给定的时间，预测值大于给定的阈值 (CT，例如干预水平）：
【主权项】
1. 一种中小尺度气载物质大气输运集合扩散模拟方法，包括如下步骤： (1) 根据模拟对象确定源项特征、模拟范围、模拟时间、模拟精度； (2) 确定气象场模式与扩散场模式，集合成员由气象场模式与扩散场模式组成； (3) 根据具体情况考虑气象场扰动、湍流扰动和大气扩散物理过程参数化方案，分析这 些不确定因素对模拟结果的影响； (4) 与现场试验观测数据进行比对分析，按照集合分析方法对集合成员内部、集合成员 模拟结果与现场观测结果进行分析； (5) 根据集合成员间集合平均、离散度、均方根误差、距平相关系数及相对作用特征曲 线的检验结果，考察各集合成员的模拟有效性与准确度。
2. 如权利要求1所述的中小尺度气载物质大气输运集合扩散模拟方法，其特征在于： 步骤（2)中所述的气象场模式包括质量守恒三维客观诊断风场模式、风场预报模式。
3. 如权利要求1或2所述的中小尺度气载物质大气输运集合扩散模拟方法，其特征在 于：步骤（2)中所述的扩散场模式包括高斯类扩散模式、粒子随机游走模式及烟团模式。
4. 如权利要求1所述的中小尺度气载物质大气输运集合扩散模拟方法，其特征在于： 步骤（3)中所述的大气扩散物理过程参数化方案包括混合层高度计算方法、大气稳定度计 算方法、水平和垂直的拉格朗日时间尺度计算方法。
5. 如权利要求1所述的中小尺度气载物质大气输运集合扩散模拟方法，其特征在于： 步骤（4)中所述的集合分析方法包括时间分析、空间分析以及整体分析，其中，时间分析包 括：烟云到达时间的概率、浓度时间变化分析；空间分析包括：阈值协同水平、百分比协同 水平及空间特征参数分析；整体分析包括预测最大值趋势。
【专利摘要】本发明涉及一种中小尺度气载物质大气输运集合扩散模拟方法，其将集合的思想引入大气扩散模拟，考虑了中小尺度各种模式的本质多样性和与使用不同的气象数值预测结果的事实，同时综合集合分析方法及集合扩散模拟的检验方法，通过与现场实验的比对分析，提供一套多模式集合扩散模拟结果。本发明解决了单一模式模拟的不确定性，其集合分析结果可以提供一个更加综合、全面的结果，满足中小尺度气载物质大气输运扩散模拟的要求。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104750953
【申请号】CN201310731930
【发明人】姚仁太, 范丹, 徐向军, 闫江雨, 崔慧玲, 黄莎, 李继祥, 吕明华, 张新骞
【申请人】中国辐射防护研究院
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2013年12月26日