本發(fā)明屬于氣象數(shù)值模擬與湍流參數(shù)化，涉及熱帶氣旋邊界層風場的高分辨率數(shù)值模擬，具體是一種面向灰區(qū)參數(shù)化的tcbl風場高分辨率les模擬方法、介質(zhì)及程序產(chǎn)品，通過構(gòu)建基于修正rankine渦模型的理想化les模擬框架，提供可靠基準數(shù)據(jù)以改進灰區(qū)分辨率參數(shù)化方案，為提升熱帶氣旋數(shù)值預測精度提供科學依據(jù)。
背景技術(shù)：
：：1、熱帶氣旋邊界層（tropical?cyclone?boundary?layer，tcbl）作為熱帶氣旋與海洋或陸地之間動量、熱量和水汽交換的主要區(qū)域，其風場分布、湍流特性及能量交換過程對氣旋的整體動力學行為具有決定性影響。然而，由于tcbl的復雜性和高度非線性特征，準確模擬其風場一直是數(shù)值天氣預報中的一大技術(shù)難題。隨著數(shù)值模式分辨率的提高，現(xiàn)代數(shù)值天氣預報模式的水平分辨率逐漸進入0.1-1公里的灰區(qū)（grey?zone）范圍。在該分辨率區(qū)間內(nèi)，數(shù)值模型難以同時解析湍流的顯式大尺度分量和參數(shù)化的次網(wǎng)格小尺度（subgrid-scale，sgs）分量，導致模擬結(jié)果的精度顯著下降?；覅^(qū)分辨率的核心問題在于：此尺度范圍既不能完全解析湍流結(jié)構(gòu)，又不能通過傳統(tǒng)的湍流參數(shù)化方案準確表征小尺度湍流特性。對于tcbl風場的模擬，灰區(qū)分辨率問題表現(xiàn)尤為突出，直接影響熱帶氣旋的強度模擬及路徑預測的精度。2、目前，針對灰區(qū)分辨率的研究多集中于開發(fā)適應不同大氣層次的尺度感知參數(shù)化方案，其核心思想是通過實驗擬合和理論分析構(gòu)建一個隨網(wǎng)格分辨率變化的次網(wǎng)格尺度湍流動能（subgrid-scale?turbulent?kinetic?energy，sgs-tke）比例函數(shù)，從而在灰色區(qū)間分辨率下動態(tài)調(diào)整次網(wǎng)格湍流的參數(shù)化強度，減少模型對次網(wǎng)格湍流的高估或低估，提高模擬的精度。然而，目前大多數(shù)尺度感知參數(shù)化方案的尺度依賴函數(shù)主要基于常規(guī)的對流邊界層（convective?boundary?layer，cbl）或中性剪切邊界層（stable?boundary?layer，sbl）的研究開發(fā)，缺乏針對tcbl特征的系統(tǒng)性驗證數(shù)據(jù)。特別是在tcbl強旋轉(zhuǎn)效應和高風切變環(huán)境下，由于缺乏可靠的高分辨率基準解，現(xiàn)有參數(shù)化方案的適用性和準確性難以得到有效評估。3、大渦模擬（large?eddy?simulation，les）作為一種解析大尺度湍流、參數(shù)化次網(wǎng)格湍流的小尺度模擬方法，其通過直接解析大尺度湍流渦旋，并對次網(wǎng)格尺度渦旋進行參數(shù)化來模擬湍流流動，能夠以較高分辨率捕捉湍流的空間分布特征和時間變化規(guī)律，是研究復雜邊界層湍流過程的重要手段。特別是在高分辨率下，les可以顯式分辨tcbl中的主要湍流結(jié)構(gòu)，為發(fā)展和改進灰區(qū)分辨率下的參數(shù)化方案提供重要參考。然而，目前針對tcbl的高分辨率les研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)：首先，現(xiàn)有l(wèi)es閉合模型主要針對常規(guī)邊界層開發(fā)，在tcbl強旋轉(zhuǎn)和高風切變環(huán)境下的適用性有待驗證；其次，計算資源需求巨大，限制了其在參數(shù)化方案發(fā)展中的廣泛應用；此外，缺乏系統(tǒng)的模擬框架來提供可靠的基準數(shù)據(jù)用于驗證和改進灰區(qū)分辨率下的參數(shù)化方案。4、綜上所述，tcbl的湍流結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)邊界層具有顯著差異，現(xiàn)有的數(shù)值模型和尺度感知相似性函數(shù)在灰區(qū)分辨率下無法有效模擬tcbl風場，存在參數(shù)化方案不適用、次網(wǎng)格尺度湍流表征不足、les閉合模型對強旋轉(zhuǎn)和風切變適應性差等問題。因此，為提高灰區(qū)分辨率下tcbl風場的模擬精度，開發(fā)一種面向灰區(qū)參數(shù)化的tcbl風場高分辨率les模擬方法，通過提供可靠的基準解，為改進灰區(qū)分辨率下的湍流參數(shù)化方案提供科學依據(jù)，是提高熱帶氣旋（tropical?cyclone，tc）數(shù)值預報精度亟待解決的技術(shù)問題。技術(shù)實現(xiàn)思路1、（一）發(fā)明目的2、針對現(xiàn)有技術(shù)在灰區(qū)分辨率（0.1-1km）下對熱帶氣旋邊界層（tropical?cycloneboundary?layer，tcbl）風場模擬存在的參數(shù)化方案適用性不足、缺乏可靠的高分辨率基準數(shù)據(jù)用于驗證和改進參數(shù)化方案、現(xiàn)有大渦模擬（large?eddy?simulation，les）湍流閉合模型在強旋轉(zhuǎn)和高風切變環(huán)境下適應性差以及高分辨率模擬計算資源需求巨大等缺陷和不足，為解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述以及其他方面的至少一種技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供一種面向灰區(qū)參數(shù)化的tcbl風場高分辨率les模擬方法、介質(zhì)及程序產(chǎn)品，通過構(gòu)建基于修正rankine渦旋模型的理想化tcbl風場高分辨率les模擬框架，以顯式解析大尺度湍流結(jié)構(gòu)并參數(shù)化次網(wǎng)格湍流動能，并結(jié)合熱力學和動力學廓線的大尺度傾向校正機制以優(yōu)化初始化風場和廓線結(jié)構(gòu)，同時通過改進les湍流閉合模型以適應tcbl中強旋轉(zhuǎn)和高風切變環(huán)境的湍流特性，最終通過高分辨率les模擬獲取可用于驗證和改進灰區(qū)分辨率尺度感知參數(shù)化方案的基準數(shù)據(jù)，為發(fā)展適用于tcbl特征的灰區(qū)分辨率湍流參數(shù)化方案提供科學依據(jù)，提升tcbl風場模擬精度和熱帶氣旋數(shù)值預報的精度和可靠性。3、（二）技術(shù)方案4、為實現(xiàn)該發(fā)明目的，解決其技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：5、本發(fā)明的第1個發(fā)明目的在于提供一種面向灰區(qū)參數(shù)化的tcbl風場高分辨率les模擬方法，用于通過高分辨率大渦模擬（large?eddy?simulation，les）生成灰區(qū)分辨率（0.1-1km）下熱帶氣旋邊界層（tropical?cyclone?boundary?layer，tcbl）風場的可靠基準數(shù)據(jù)，為灰區(qū)分辨率湍流參數(shù)化方案的優(yōu)化提供支持，所述方法在實施時至少包括如下步驟：6、ss1.?基于修正rankine渦旋模型構(gòu)建理想化風場7、基于修正rankine渦旋模型構(gòu)建tcbl理想化初始梯度風場，通過指定關(guān)鍵動力學參數(shù)來整合tcbl初始梯度風場的大尺度條件，其中所述關(guān)鍵動力學參數(shù)至少包括梯度風速 v、其徑向梯度、距氣旋中心的徑向距離 r、最大風速半徑 r max以及控制切向風速隨徑向距離衰減的冪律指數(shù) n，以保持tcbl初始梯度風場的受控條件，減少了整體熱帶氣旋渦旋反饋機制的復雜性，確保tcbl風場初始狀態(tài)的可控性和模擬穩(wěn)定性； 8、ss2.?構(gòu)建高分辨率les網(wǎng)格并設置邊界條件9、在高分辨率les框架下，構(gòu)建水平范圍為5~10km、垂直范圍為3~5km的三維計算域作為模擬區(qū)域，設置水平網(wǎng)格分辨率為10~100m，垂直網(wǎng)格分辨率為水平網(wǎng)格分辨率的一半，同時在兩個正交的水平方向上設置周期性邊界條件以避免因邊界效應導致的風場失真，在垂直方向上設置無滑移下邊界和位勢高度固定的上邊界，且頂部邊界設置為風速自由滑動邊界和恒定位溫邊界條件，并在2km以上區(qū)域設置 rayleigh阻尼層以抑制重力波反射； 10、ss3.?初始化熱力學廓線并進行大尺度傾向校正11、基于熱帶氣旋探空數(shù)據(jù)的合成分析獲取不同風速條件下的熱力學變量廓線并將其作為les模擬的初始熱力學條件和模擬過程中的參考廓線，其中所述熱力學變量至少包括位溫 θ和比濕 q，并在les模擬過程中引入大尺度傾向校正（nudging?term）動態(tài)調(diào)整模擬區(qū)域內(nèi)的熱力學變量向參考廓線演變以維持位溫和比濕廓線結(jié)構(gòu)，所述大尺度傾向校正項的表達式為： 12、13、其中， θ( z)和 q( z)分別是模擬區(qū)域內(nèi)指定高度 z上的水平平均位溫和比濕， θ r( z)和 q r( z)分別是對應的參考位溫和比濕廓線值， τ n為緩和時間尺度； 14、ss4.?解析大尺度湍流結(jié)構(gòu)并參數(shù)化次網(wǎng)格湍流動能15、基于les框架實施針對模擬區(qū)域中熱帶氣旋邊界層的湍流模擬和數(shù)值求解，顯式解析tcbl中的大尺度湍流渦旋結(jié)構(gòu)，采用次網(wǎng)格尺度湍流動能sgs-tke閉合模型，通過考慮tcbl強旋轉(zhuǎn)和高風切變對次網(wǎng)格尺度湍流輸運以及各向異性的影響，并根據(jù)局部風切變和穩(wěn)定度參數(shù)動態(tài)調(diào)整模型系數(shù)，以參數(shù)化處理未被解析的次網(wǎng)格尺度湍流，同時使用高階精度數(shù)值離散格式對控制方程進行離散，以確保湍流能量的準確傳遞與耗散，實現(xiàn)對湍流特性及能量分布的高精度模擬；16、ss5.?執(zhí)行l(wèi)es模擬積分并監(jiān)控狀態(tài)演變17、預設les模擬的總時長和時間步長，執(zhí)行時間積分以推進風場和熱力學變量的演變直至達到預設的模擬總時長，并在模擬過程中監(jiān)控tcbl風場關(guān)鍵變量的狀態(tài)演變以確保模擬達到準穩(wěn)態(tài)，所述關(guān)鍵變量的狀態(tài)演變至少包括邊界層高度和10米風速的變化，邊界層高度定義為動量通量降至地表值5%處的高度，準穩(wěn)態(tài)判據(jù)為邊界層高度和10米風速的變化率小于預設閾值；18、ss6.?輸出les模擬結(jié)果并進行后處理19、輸出基于高分辨率les模擬生成的tcbl風場數(shù)據(jù)，并對輸出結(jié)果進行后處理分析，生成包括tcbl三維風場、溫度場、濕度場以及各類湍流統(tǒng)計量的基準數(shù)據(jù)集，用于驗證和改進灰區(qū)分辨率下tcbl的湍流參數(shù)化方案。20、本發(fā)明的第2個發(fā)明目的在于提供一種計算機程序產(chǎn)品，包括計算機指令，用于執(zhí)行上述面向灰區(qū)參數(shù)化的tcbl風場高分辨率les模擬方法。21、本發(fā)明的第3個發(fā)明目的在于提供一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述計算機可讀存儲介質(zhì)上存儲有計算機程序，計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)上述面向灰區(qū)參數(shù)化的tcbl風場高分辨率les模擬方法。22、（三）技術(shù)效果23、同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的面向灰區(qū)參數(shù)化的tcbl風場高分辨率les模擬方法、介質(zhì)及程序產(chǎn)品，具有以下有益且顯著的技術(shù)效果：24、（1）本發(fā)明通過基于修正rankine渦旋模型構(gòu)建理想化tcbl初始梯度風場，并通過指定關(guān)鍵動力學參數(shù)（如梯度風速、徑向梯度和最大風速半徑等）來整合大尺度條件，有效減少了熱帶氣旋整體渦旋反饋機制的復雜性，同時增強了初始條件的可控性和穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明采用高分辨率les框架，通過合理設置計算域大小和網(wǎng)格分辨率，并配合周期性水平邊界條件和帶阻尼層的垂直邊界條件，有效避免了邊界效應對模擬結(jié)果的影響，同時通過分級網(wǎng)格設計顯著降低了計算資源需求，提高了模擬效率。25、（2）本發(fā)明采用高分辨率les框架，通過合理設置計算域大小和網(wǎng)格分辨率，并配合周期性水平邊界條件和帶阻尼層的垂直邊界條件，有效避免了邊界效應對模擬結(jié)果的影響，同時通過分級網(wǎng)格設計顯著降低了計算資源需求，提高了模擬效率。此外，通過引入結(jié)合探空觀測數(shù)據(jù)的熱力學變量廓線優(yōu)化方案，在邊界層底部采用二次函數(shù)和對數(shù)函數(shù)進行擬合，并對邊界層頂部的過渡區(qū)進行光滑處理，實現(xiàn)了對tcbl熱力學結(jié)構(gòu)的準確表征和有效維持，確保了模擬結(jié)果的物理合理性。26、（3）本發(fā)明采用次網(wǎng)格尺度湍流動能（sgs-tke）閉合模型處理未被解析的小尺度湍流，通過引入考慮tcbl強旋轉(zhuǎn)和高風切變環(huán)境的動態(tài)修正機制，優(yōu)化模型系數(shù)，增強了次網(wǎng)格湍流的參數(shù)化能力。同時，通過sullivan修正項對近地層的垂直剪切效應進行動態(tài)修正，更準確地捕捉地表摩擦層中湍流的各向異性特征。本發(fā)明在les模擬過程中，通過結(jié)合大尺度傾向校正動態(tài)調(diào)整熱力學變量向參考廓線演變，并通過實施les模擬積分監(jiān)控風場狀態(tài)演變，最終輸出高分辨率的tcbl三維風場和湍流統(tǒng)計量基準數(shù)據(jù)集。這些數(shù)據(jù)能夠直接用于驗證和改進灰區(qū)分辨率下的湍流參數(shù)化方案，為開發(fā)適用于tcbl的尺度感知參數(shù)化方法提供了科學依據(jù)。當前第1頁12當前第1頁12