[发明专利]一种应用于四维变分同化系统的扰动模式构建方法

说明书

本发明涉及气象数据处理和预测技术领域，提出一种应用于四维变分同化系统的扰动模式构建方法，包括以下步骤：从一组大气扰动方程出发，得到以扰动气压Π′supgt;n+1/supgt;为变量的亥姆霍兹方程，从n＝0时刻开始，依次求解亥姆霍兹方程得到n+1时刻的扰动变量集合x′supgt;n+1/supgt;；判断当前时刻是否到达观测时刻t，若否，则令求解得到的n+1时刻的扰动变量x′supgt;n+1/supgt;替代扰动变量x′supgt;n/supgt;，然后继续求解其亥姆霍兹方程；若是，则将到达观测时刻t的扰动变量x′supgt;t/supgt;输入四维变分同化系统，计算其观测余差及极小化结果，判断极小化结果是否满足预设的计算精度，若否，则回到n＝0时刻对初始扰动变量集合x′supgt;0/supgt;中各个变量进行调整，然后重新依次求解其亥姆霍兹方程；若是，则结束扰动模式积分过程。

技术领域

本发明涉及气象数据处理和预测技术领域，更具体地，涉及一种应用于四维变分同化系统的扰动模式构建方法。

背景技术

现代天气预报是以数值天气预报为基础开展的，而数值天气预报则是根据当前气象观测数据，利用高性能计算机数值求解大气运动数学物理方程组，进而计算出未来指定日期内的天气。数值天气预报系统包括数值模式和资料同化系统，其中，资料同化系统针对各种观测数据进行资料分析处理，形成数值模式所必需的网格化初始大气要素场；数值模式是根据资料同化系统的初始场求解大气运动方程组的数学计算方法或程序。

GRAPES系统(Global/Regional Assimilation PrEdiction System)是中国气象局自主研发的新一代全球/区域通用数值天气预报系统。为提高区域GRAPES模式系统的预报准确率和区域观测资料的利用率需要构建可应用于四维变分同化系统的切线性模式。而为构建与GRAPES模式物理过程相互协调合理的切线性模式，需要发展基于GRAPES基本运动方程组的扰动模式。

发明内容

本发明为提高区域模式尤其是区域GRAPES数值模式的预报准确率和观测资料利用率，提供一种应用于四维变分同化系统的扰动模式的构建方法。

本发明的技术方案如下：

一种应用于四维变分同化系统的扰动模式构建方法，包括以下步骤：

S1：从GRAPES系统相关的一组大气扰动方程出发，由扰动纬向风速u′、扰动经向风速v′、扰动垂直风速w′、扰动比湿q′和扰动位温θ′组成扰动变量集合x′，并构造以n+1时刻扰动气压Π′ⁿ⁺¹为变量的亥姆霍兹方程；其中，扰动变量集合x′为包含所有待求解扰动变量的集合，即x′＝{u′,v′,w′,Π′,q′,θ′}；

S2：求解所述亥姆霍兹方程，由n时刻扰动气压Π′ⁿ得到n+1时刻的扰动气压Π′ⁿ⁺¹，再由n+1时刻的扰动气压Π′ⁿ⁺¹分别计算n+1时刻的扰动纬向风速u′ⁿ⁺¹、扰动经向风速v′ⁿ⁺¹、扰动垂直风速w′ⁿ⁺¹、扰动比湿q′ⁿ⁺¹、扰动位温θ′ⁿ⁺¹，得到n+1时刻的扰动变量集合x′ⁿ⁺¹；

S3：从n＝0时刻开始，对扰动模式进行连续积分：将S2步骤计算得到的n+1时刻的扰动变量集合x′ⁿ⁺¹更替为扰动变量集合x′ⁿ，并设置n＝n+1，然后跳转执行S2步骤，直到当前计算的时刻n为观测时刻t；