中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運集合擴散模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大氣擴散模擬技術(shù)，具體涉及一種中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運集合擴 散模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 過去十年，天氣的集合預(yù)報方法有了很大的發(fā)展，集合預(yù)報比單個的數(shù)值天氣預(yù) 報表現(xiàn)出了更大的準(zhǔn)確性。將這個方法引入大氣擴散模擬也能產(chǎn)生相似的益處。大氣擴散 模式模擬包含復(fù)雜的非線性過程，動力學(xué)過程，熱力過程，輻射，積云微物理，湍流等過程。 不同模式由于側(cè)重點的不同，對某些過程的參數(shù)化處理不同，或初始邊界條件不同，集合擴 散模擬技術(shù)就是將不同模式的特性都考慮進來。
[0003]在應(yīng)急狀態(tài)并且沒有監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況下，同時考慮多模型結(jié)果有兩個可能性：允 許模型間檢查其主要不同，允許決策者隨著事態(tài)的發(fā)展有更多的基于模擬結(jié)果的決策(如， 基于大量的數(shù)值預(yù)報)。在此基礎(chǔ)上，集合（ENSEMBLE)的概念被提出并且不斷發(fā)展和改進。 它是一種能夠使我們減少對單一模型結(jié)果依賴的方法學(xué)。集合方法同時對同一事件的多個 預(yù)測結(jié)果進行分析，綜合所有的可能的方法得到一個大氣擴散預(yù)測的集合結(jié)果。不同的模 式有不同的原創(chuàng)的模式特點，所有的模擬結(jié)果均被考慮來進行決策。分析不同的模型產(chǎn)生 的大量的預(yù)測結(jié)果，結(jié)果間具有互補性，因此可提供了一種更全面的演化過程和更多的可 能的基本決策。當(dāng)沒有監(jiān)測數(shù)據(jù)可用于評估時，集合模式在應(yīng)急決策領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢就更 加明顯。
[0004]目前，在國內(nèi)集合模式大部分應(yīng)用于天氣預(yù)報及空氣質(zhì)量評價領(lǐng)域，在國外集合 擴散模擬主要用于大尺度大氣擴散模擬研究，在中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運集合擴散模擬 方面尚未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有大氣擴散模擬技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供一種中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸 運集合擴散模擬方法，運用集合擴散模擬技術(shù)解決單一模式及確定參數(shù)模擬的不確定性， 提供一個更加綜合、全面的擴散模擬結(jié)果。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運集合擴散模擬方法，包 括如下步驟：
[0007](1)根據(jù)模擬對象確定源項特征、模擬范圍、模擬時間、模擬精度；
[0008](2)確定氣象場模式與擴散場模式，集合成員由氣象場模式與擴散場模式組成；
[0009](3)根據(jù)具體情況考慮氣象場擾動、湍流擾動和大氣擴散物理過程參數(shù)化方案，分 析這些不確定因素對模擬結(jié)果的影響；
[0010](4 )與現(xiàn)場試驗觀測數(shù)據(jù)進行比對分析，按照集合分析方法對集合成員內(nèi)部、集合 成員模擬結(jié)果與現(xiàn)場觀測結(jié)果進行分析；
[0011](5)根據(jù)集合成員間集合平均、離散度、均方根誤差、距平相關(guān)系數(shù)及相對作用特 征曲線的檢驗結(jié)果，考察各集合成員的模擬有效性與準(zhǔn)確度。
[0012] 進一步，如上所述的中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運集合擴散模擬方法，步驟（2)中所 述的氣象場模式包括質(zhì)量守恒三維客觀診斷風(fēng)場模式、風(fēng)場預(yù)報模式。
[0013] 進一步，如上所述的中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運集合擴散模擬方法，步驟（2)中所 述的擴散場模式包括高斯類擴散模式、粒子隨機游走模式及煙團模式
[0014] 進一步，如上所述的中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運集合擴散模擬方法，步驟（3 )中所 述的大氣擴散物理過程參數(shù)化方案包括混合層高度計算方法、大氣穩(wěn)定度計算方法、水平 和垂直的拉格朗日時間尺度計算方法。
[0015] 進一步，如上所述的中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運集合擴散模擬方法，步驟（4)中所 述的集合分析方法包括時間分析、空間分析以及整體分析，其中，時間分析包括：煙云到達 時間的概率、濃度時間變化分析；空間分析包括：閾值協(xié)同水平、百分比協(xié)同水平及空間特 征參數(shù)分析；整體分析包括預(yù)測最大值趨勢。
[0016] 本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明運用集合分析的方法對同一事件的多個預(yù)測結(jié)果 進行分析，綜合所有可能的方法得到一個大氣擴散預(yù)測的集合結(jié)果。不同的模式有不同的 的模式特點與側(cè)重點，所有的模擬結(jié)果均被考慮來進行決策。分析不同的模型產(chǎn)生的大量 的預(yù)測結(jié)果，結(jié)果間具有互補性，因此可提供了一種更全面的大氣擴散演化過程和更多的 可能的基本決策。當(dāng)沒有監(jiān)測數(shù)據(jù)可用于評估時，集合擴散模擬技術(shù)在應(yīng)急決策領(lǐng)域應(yīng)用 的優(yōu)勢就更加明顯。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合實施過程對本發(fā)明進行詳細的描述。
[0018] 本發(fā)明所提供的中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運集合擴散模擬方法，包括如下步驟：
[0019] -、根據(jù)模擬對象確定源項特征、模擬范圍、模擬時間、模擬精度等。
[0020] 二、確定氣象場與擴散場模式，集合成員由氣象場模式與大氣擴散場模式組成，可 以通過各種方法獲得，包括：（1)單流場模式與單擴散模式；（2)多流場模式與單擴散模式； (3)單流場模式和多擴散模式；(4)多流場模式與多擴散模式。
[0021] 氣象場模式包括質(zhì)量守恒三維客觀診斷風(fēng)場模式、風(fēng)場預(yù)報模式等，各種模式均 進行計算，得到的結(jié)果作為集合成員之一；擴散場模式包括高斯類擴散模式、粒子隨機游走 模式及煙團模式等，各種模式均進行計算，得到的結(jié)果作為集合成員之一。
[0022] 三、根據(jù)具體情況考慮氣象場擾動、湍流擾動和大氣擴散物理過程參數(shù)化方案來 分析以上多種不確定因素對模擬結(jié)果的影響。
[0023] 若需要考察以上不確定因素對擴散模擬結(jié)果的影響可以分別或統(tǒng)一進行考慮；若 無需考察以上不確定因素，而僅考慮模式間的模擬結(jié)果差異則可省略該步驟。
[0024] 氣象場擾動主要是通過對流場進行擾動來實現(xiàn)的，例如在氣象場計算結(jié)果的基礎(chǔ) 上分別在水平（X，Y)與垂直（Z)方向上添加一個隨機擾動量（如設(shè)置規(guī)定的偏移量）等方 法。
[0025] 湍流擾動是通過在擴散模型湍流項中引入隨機擾動因子來實現(xiàn)。
[0026] 大氣擴散物理過程參數(shù)化方案包括：混合層高度計算方法、大氣穩(wěn)定度計算方法、 水平和垂直的拉格朗日時間尺度計算方法等。
[0027] 四、與現(xiàn)場試驗觀測數(shù)據(jù)進行比對分析，按照集合分析方法對集合成員內(nèi)部、集合 成員模擬結(jié)果與現(xiàn)場觀測結(jié)果進行分析，包括時間分析、空間分析與整體分析。時間分析包 括：煙云到達時間的概率、濃度時間變化分析；空間分析包括：閾值協(xié)同水平、百分比協(xié)同 水平及空間特征參數(shù)分析；整體分析包括預(yù)測最大值趨勢。
[0028] 主要集合分析方法如下：
[0029] ( 1)閾值協(xié)同水平（ATL)
[0030] 閾值協(xié)同水平（ATL)可以用一個圖總結(jié)幾種模式結(jié)果的空間分布一致性。ATL定 義為歸一化模型給定的表面（K=l，2，……，M)，對于給定的時間，預(yù)測值大于給定的閾值 (CT，例如干預(yù)水平）：
【主權(quán)項】
1. 一種中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運集合擴散模擬方法，包括如下步驟： (1) 根據(jù)模擬對象確定源項特征、模擬范圍、模擬時間、模擬精度； (2) 確定氣象場模式與擴散場模式，集合成員由氣象場模式與擴散場模式組成； (3) 根據(jù)具體情況考慮氣象場擾動、湍流擾動和大氣擴散物理過程參數(shù)化方案，分析這 些不確定因素對模擬結(jié)果的影響； (4) 與現(xiàn)場試驗觀測數(shù)據(jù)進行比對分析，按照集合分析方法對集合成員內(nèi)部、集合成員 模擬結(jié)果與現(xiàn)場觀測結(jié)果進行分析； (5) 根據(jù)集合成員間集合平均、離散度、均方根誤差、距平相關(guān)系數(shù)及相對作用特征曲 線的檢驗結(jié)果，考察各集合成員的模擬有效性與準(zhǔn)確度。
2. 如權(quán)利要求1所述的中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運集合擴散模擬方法，其特征在于： 步驟（2)中所述的氣象場模式包括質(zhì)量守恒三維客觀診斷風(fēng)場模式、風(fēng)場預(yù)報模式。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運集合擴散模擬方法，其特征在 于：步驟（2)中所述的擴散場模式包括高斯類擴散模式、粒子隨機游走模式及煙團模式。
4. 如權(quán)利要求1所述的中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運集合擴散模擬方法，其特征在于： 步驟（3)中所述的大氣擴散物理過程參數(shù)化方案包括混合層高度計算方法、大氣穩(wěn)定度計 算方法、水平和垂直的拉格朗日時間尺度計算方法。
5. 如權(quán)利要求1所述的中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運集合擴散模擬方法，其特征在于： 步驟（4)中所述的集合分析方法包括時間分析、空間分析以及整體分析，其中，時間分析包 括：煙云到達時間的概率、濃度時間變化分析；空間分析包括：閾值協(xié)同水平、百分比協(xié)同 水平及空間特征參數(shù)分析；整體分析包括預(yù)測最大值趨勢。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運集合擴散模擬方法，其將集合的思想引入大氣擴散模擬，考慮了中小尺度各種模式的本質(zhì)多樣性和與使用不同的氣象數(shù)值預(yù)測結(jié)果的事實，同時綜合集合分析方法及集合擴散模擬的檢驗方法，通過與現(xiàn)場實驗的比對分析，提供一套多模式集合擴散模擬結(jié)果。本發(fā)明解決了單一模式模擬的不確定性，其集合分析結(jié)果可以提供一個更加綜合、全面的結(jié)果，滿足中小尺度氣載物質(zhì)大氣輸運擴散模擬的要求。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104750953
【申請?zhí)枴緾N201310731930
【發(fā)明人】姚仁太, 范丹, 徐向軍, 閆江雨, 崔慧玲, 黃莎, 李繼祥, 呂明華, 張新騫
【申請人】中國輻射防護研究院
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2013年12月26日