[发明专利]基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及气象业务部门5至15天中期极端温度(高温热浪和低温冷害)天气预报系统，尤其涉及一种区域持续性低温雨雪冰冻天气过程的异常信号分离方法和预报技术。

背景技术

基于全球常规高空观测气象变量资料和中期数值天气预报模式产品资料绘制逐日常规天气图来预示未来5至10天区域极端天气事件的可能出现仍然是目前国内外气象业务部门的主要预报方法。

现有传统预报方法对多维气象变量的分解存在误区。大气多变量(一维)在空间上(三维)随时间(一维)的变化和相互作用构成了大气运动的五维形式。在简单的由二维空间和一维时间构成的三维系统中，一个大气变量如温度，区域上的数学分解方法可用经验正交函数展开(EOF)得到多个空间模态和对应的时间系数序列。这些空间模态只是满足数学上的正交和收敛，但大部分模态不具有物理意义。大气是在球面三维空间中的无边界运动。对大气变量的球谐函数展开是当前短期(1-4天)和中期(5-15天)，以及气候(月至年)预测模式中分解变量的基本方法。随着计算机容量和速度的提升，满足正交性的球谐函数变量展开波数越来越多(可高达几百，如T639就有639个正交的谐波分量)，相对于空间分辨率越来越高。这些分解的波缺少物理含义。由于大气运动的复杂性(非线性相互作用)，无物理意义的波作为初始场进入计算机运算，可产生出新的虚假波，导致几天到10天后数值天气预报模式结果会与实况相反，失去预报意义。目前国内外业务部门对中期(或延伸期)极端天气事件的预报方法上的不足可以归纳为下列三点。

1、预报极端天气事件首先需要确定事件的标准。目前科研与业务中对极端天气事件的定义较多，没有统一的标准，或不确定。于是，对一个低温雨雪事件发生后，不同的研究人员和业务单位给媒体发布的事件强度、影响范围和持续时间会不一样。极端事件的标准不能确定，预报方法就无法制作，预报效果也就无法检验。无的放矢，也就无从检验。

2、目前中期预报方法沿用了过去半个多世纪以来长期使用的短期(1至3天)常规天气图方法，只是延长使用了未来10天左右的数值天气预报模式产品资料。常规天气图上混杂包含了天气扰动信号和气候变化信号，而极端天气事件的发生必然是天气扰动的产物。在目前国内外的业务短期天气预报流程中，把气候变化分量与瞬时天气扰动分量混在一起作为未来极端天气事件预报的信号，极大地削弱了大气中天气扰动对极端天气事件预报的信号指示能力。

3、气象科研和业务预报中的区域和球面大气波动信号的获取仅仅满足正交收敛的数学分解，缺乏物理含义。在非线性数学模型，如短期和中期以及气候预报模型中，无物理意义的波动必然产生出新的虚假波动，从而缩短可预报时效。

发明内容

本发明要解决的技术问题是设计一种更为合理的大气变量的四分量物理分解方法并提供一种低温雨雪冰冻天气的中期预报系统和方法。

本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：设计一种基于大气变量物理分解的低温雨雪冰冻天气的中期预报系统，包括：

气象资料的收集和对接子系统，用于收集气象观测过去的和当前的以及中期数值天气预报模式的气象资料，所述气象资料包括温度、湿度、风和降水的气象变量，对变量进行前后时间和空间分辨率的插值对接得到四维同化变量，并把所述气象变量进行极端天气事件识别获得不同指标量的事件数据集；

气象变量的四分量数理分解子系统，利用至少N年逐日实测的气象变量的资料序列把所述气象变量分解成为表征太阳辐射季节变化引起的纬圈气候分量和表征海陆、地形热力差异引起的气候分量以及行星尺度纬圈距平扰动分量和瞬时天气扰动分量，由此形成四分量物理分解的数据库，所述四分量物理分解数据库被储存起来，提供其他系统调用；

中期数值天气预报模式子系统，用于根据当前实测气象资料经过模式定量计算输出未来设定时刻的天气预报产品，该数值天气预报模式产品包含预报区域内未来设定时刻的气象变量，如温度、湿度、风和降水的时空分布；

低温雨雪冰冻天气预报信号的识别子系统，该识别子系统调用所述四分量物理分解数据库，从当前实测的气象变量资料和所述中期数值天气预报模式子系统输出的天气预报产品中的气象变量中分离出瞬时天气扰动分量，然后绘制出等气压面上的或垂直剖面上的瞬时天气扰动分量的分布图，根据所述瞬时天气扰动分量的分布图和事件指标阈值作出所述预报区域是否出现低温雨雪冰冻天气的预报。

所述气象变量的四分量物理分解子系统至少利用10年以上(本发明的实施例使用30年历史资料)的气象变量的时间序列进行四分量物理分解。