[发明专利]移动台风边界层三分量风速解析方法

说明书

本发明提供了一种一种移动台风边界层三分量风速解析方法，首先，将竖向风速方程添加到Yan Meng模型初始的微分方程中，通过Smith台风模型的处理方法进行化简，然后选用迭代的方法对上述计算结果进行修正。本发明的有益效果是：通过在现有风场模型中引入竖向风速，将两变量的台风边界层模型扩展至三变量，对研究台风导致的强降雨模拟提供了驱动风场。

技术领域

本发明涉及风速解析方法，尤其涉及一种移动台风边界层三分量风速解析方法。

背景技术

边界层台风模型是进行台风模拟、气象预报和灾害风险分析必要的工具，其本质为Navier-Stokes台风方程(N-S方程)的求解。物理学家、气象学家发展了一系列描述台风风场的模型，这些模型包括Shapiro台风模型(1983)、Yan Meng台风模型(1996)、Kepert台风模型(2001)和Smith台风模型(2003)等。除Yan Meng模型之外的其他模型均描述的是地球表面自由大气层空气的流动，通过边界层模型得到影响人类活动的大气边界层(近地层)的台风风场。Yan Meng模型则是一种直接描述台风边界层风场的模型。

已有技术问题及缺陷为：

(1)目前已有的边界层台风模型基本为二分量台风模型，即方程中的变量为边界层内台风风速的水平径向风速与水平切向风速。这些模型缺乏竖向风速分量，因而不能完整地描述风场。

(2)风速竖向分量对描述地表热量和水汽的垂直输运是一个重要参数，是模拟台风边界层强降雨的关键因子。目前的台风风场模型由于缺乏竖向风速分量而不能用于强降雨模拟。

(3)Smith台风模型虽然是一个三分量的台风模型，但其描述的是静止台风，无法刻画真实的台风移动风场；而且该模型需要进行偏微分方程的求解，无法得到解析解。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种移动台风边界层三分量风速解析方法，

首先，将竖向风速方程添加到Yan Meng模型初始的微分方程中，如下所示，

上式中，v表示广义水平向风速的矢量和，即v＝v_r+v_θ，w表示竖向风速大小，v_r表示广义水平径向风速，为Yan Meng模型边界层内水平径向风速的大小v_rs，v_θ表示水平切向风速，为Yan Meng模型边界层内水平切向风速大小v_θs，其含义与Yan Meng模型里的含义相同；

对于式(2)，通过Smith台风模型的处理方法进行化简，对于静止的台风，即移动速度c＝0，水平向风速(v_θ,v_r)均没有方位角的变化，因此，式(2)可以简化为

对式(3)从z＝0到z＝δ即边界层顶部进行积分，并假设边界层厚度δ为固定值，可得

对上式积分，两边同除以边界层厚度δ，得到

进一步变形得到

上式v_rb表示边界层厚度δ处的水平径向风速大小，即Yan Meng模型中v_θs|_z＝_δ的大小，w_δ表示边界层厚度δ处的竖向风速大小，而对于任意高度处的竖向风速w的大小，对式(3)从z＝0到z＝Z处积分，整理得