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申请/专利权人：中国科学院大气物理研究所;北京师范大学

摘要：本发明提供了一种用于集合预报的区域数值模式的集合初始扰动产生方法、系统、应用及可读存储介质，包括以下步骤：S1：获取初始分析场；S2：在初始分析场上叠加一组随机扰动；S3：通过NLLV方法计算误差增长率获取误差增长模态；S4：对S3中误差增长率进行排序，选出最快误差增长模态并进行正交化处理；S5：将正交化和标准化处理之后的误差增长模态重新叠加到新的初始分析场上，并利用区域数值模式进行非线性向前积分；S6：重复S3‑S5进行积分，获取不同方向的误差增长模态；S7：在不同方向的误差增长模态中选择具有动力学结构特征的误差非线性增长模态作为集合初始扰动，本发明计算量小、计算时间短且方便移植。

主权项：1.一种用于集合预报的区域数值模式的集合初始扰动产生方法，其特征在于，所述集合初始扰动产生方法包括以下步骤：S1：通过全球大气再分析数据获取某一时刻下包含多个大气预报变量的初始分析场；S2：在初始分析场上的任意一个或者多个大气预报变量上叠加一组随机扰动，构造最初的集合成员；S3：利用数值模式将初始分析场向前非线性数值积分到下一个时刻，通过NLLV方法计算该时刻最初的集合成员中大气预报变量的误差增长率从而获取每个集合成员所对应大气预报变量的误差增长模态；S4：对S3中不同集合成员的大气预报变量误差增长率进行排序，筛选出误差增长率最快的误差增长模态并进行正交化和标准化处理；S5：将正交化和标准化处理之后的大气预报变量所对应的误差增长模态重新叠加到S3时刻相对应的初始分析场上，并利用区域数值模式进行非线性向前积分；S6：预设繁殖循环轮数并按照预设的繁殖循环轮数重复S3-S5进行积分，获取不同方向的误差增长模态；S7：在不同方向的误差增长模态中选择具有动力学结构特征的误差非线性增长结构态作为集合初始扰动；所述S1具体为：从NCEP和NCAR提供的全球大气再分析数据作为初始分析场，所述初始分析场中大气预报变量包括但不限于U变量、V变量、T变量和Q变量，所述U为东西方向矢量风场变量，V为南北方向矢量风场变量，T为温度变量，Q为湿度变量；所述S2具体为：在初始分析场叠加一组随机扰动且各个随机扰动模的大小一致；随机扰动直接由随机扰动方法生成，可由以下数学表达式得到， RrandomriN∈[-1,1]，其中，是初始扰动场；考虑到集合初始扰动的量级大小对集合预报效果产生明显的影响，特别加入ω作为调整初始扰动大小的系数；RrandomriN是一组服从[-1,1]的均一分布随机数；ri是模式的第i个格点数值；N是初始扰动场的区域空间格点总数，ERMSEz为初始扰动的大小且其随着模式等压层z而变化,初始扰动的大小ERMSEz通过计算状态变量气候态的标准差得到；所述S3具体为：预设积分时间，借助区域数值模式在预设积分时间内对所有的大气预报变量进行非线性数值积分，对叠加初始扰动的大气预报变量，使用NLLV方法，获得相应预报变量反映热带气旋初始不确定性的误差非线性增长结构并计算得到对应的误差增长率；所述S4具体为：S41：根据误差增长率的大小进行重新排序，选出快速非线性增长的误差结构：S42：对快速非线性增长的误差结构进行施密特正交化和标准化处理，获得模的大小与初始叠加的随机扰动模的大小一致，且相互正交、独立的误差增长模态；所述S5具体为：将与正交化和标准化到初始时刻叠加的随机扰动模大小相同的扰动重新叠加到新一个时刻的初始分析场上，借助区域数值模式向前进行非线性数值积分；所述S3中的非线性局部Lyapunov向量NLLV方法具体为：在复杂的高维非线性系统中，初始误差向量δt0有多个不同的增长方向；基于误差非线性增长理论框架，不同方向的误差增长情况可利用一组包含m个相互独立正交的非线性局部Lyapunov向量组NLLVs及其指数谱NLLEs来表示；对于一个复杂的n维非线性系统，若将误差增长最快方向δ1t0定义为主导NLLV，又称为最大NLLV，即LNLLV或NLLV01；其它方向的NLLVs可以通过对误差向量进行周期性的施密特G-S正交化和标准化处理获得；具体的计算处理流程如下：首先，令主导NLLV向量方向不变，让其独立向前演化；其次，将第二个误差向量投影到第一个误差向量的子空间中，从而获得NLLV02；然后，逐步将第m个向量正交投影到前m-1个误差向量的子空间中；假设给定一组初始误差向量为δ′t0＝δ′1t0，δ′2t0，...δ′nt0T，通过G-S方法和标准化处理可获得另一组相互正交独立向量组δt0＝δ1t0，δ2t0，...δnt0T，其处理过程的详细数学表达式如下：δ1t0＝δ'1t0 其中,为向量间内积；每一个周期的正交化处理结束之后，所有这些相互独立的扰动将会被重新标准化到同一个量级大小；通过周期性的正交化和标准化循环处理过程，最终可以获得非线性系统中相互独立NLLVs，可依次表示相空间中误差的增长最快方向到收缩最快的方向；在获得NLLVs的基础上，该向量组中每一个方向上的误差增长率的数学表达式如下， NLLV方法得到的扰动从水平空间上和垂直剖面上看更具有多样性，而且其不仅能够抓住热带气旋中心的斜压不稳定，也能描述热带气旋外围其他区域的不稳定增长。

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百度查询： 中国科学院大气物理研究所 北京师范大学 用于集合预报的区域数值模式的集合初始扰动产生方法、系统、应用及可读存储介质