中小尺度氣載物質大氣輸運集合擴散模擬方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及大氣擴散模擬技術，具體涉及一種中小尺度氣載物質大氣輸運集合擴 散模擬方法。
【背景技術】
[0002] 過去十年，天氣的集合預報方法有了很大的發(fā)展，集合預報比單個的數值天氣預 報表現出了更大的準確性。將這個方法引入大氣擴散模擬也能產生相似的益處。大氣擴散 模式模擬包含復雜的非線性過程，動力學過程，熱力過程，輻射，積云微物理，湍流等過程。 不同模式由于側重點的不同，對某些過程的參數化處理不同，或初始邊界條件不同，集合擴 散模擬技術就是將不同模式的特性都考慮進來。
[0003]在應急狀態(tài)并且沒有監(jiān)測數據的情況下，同時考慮多模型結果有兩個可能性：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果的決策(如， 基于大量的數值預報)。在此基礎上，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果依賴的方法學。集合方法同時對同一事件的多個 預測結果進行分析，綜合所有的可能的方法得到一個大氣擴散預測的集合結果。不同的模 式有不同的原創(chuàng)的模式特點，所有的模擬結果均被考慮來進行決策。分析不同的模型產生 的大量的預測結果，結果間具有互補性，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。當沒有監(jiān)測數據可用于評估時，集合模式在應急決策領域應用的優(yōu)勢就更 加明顯。
[0004]目前，在國內集合模式大部分應用于天氣預報及空氣質量評價領域，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大氣輸運集合擴散模擬 方面尚未見報道。

【發(fā)明內容】

[0005]針對現有大氣擴散模擬技術，本發(fā)明的目的是提供一種中小尺度氣載物質大氣輸 運集合擴散模擬方法，運用集合擴散模擬技術解決單一模式及確定參數模擬的不確定性， 提供一個更加綜合、全面的擴散模擬結果。
[0006]本發(fā)明的技術方案如下：一種中小尺度氣載物質大氣輸運集合擴散模擬方法，包 括如下步驟：
[0007](1)根據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化方案，分 析這些不確定因素對模擬結果的影響；
[0010](4 )與現場試驗觀測數據進行比對分析，按照集合分析方法對集合成員內部、集合 成員模擬結果與現場觀測結果進行分析；
[0011](5)根據集合成員間集合平均、離散度、均方根誤差、距平相關系數及相對作用特 征曲線的檢驗結果，考察各集合成員的模擬有效性與準確度。
[0012] 進一步，如上所述的中小尺度氣載物質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量守恒三維客觀診斷風場模式、風場預報模式。
[0013] 進一步，如上所述的中小尺度氣載物質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：閾值協同水平、百分比協同水平及空間特 征參數分析；整體分析包括預測最大值趨勢。
[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測結果 進行分析，綜合所有可能的方法得到一個大氣擴散預測的集合結果。不同的模式有不同的 的模式特點與側重點，所有的模擬結果均被考慮來進行決策。分析不同的模型產生的大量 的預測結果，結果間具有互補性，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。當沒有監(jiān)測數據可用于評估時，集合擴散模擬技術在應急決策領域應用 的優(yōu)勢就更加明顯。
【具體實施方式】
[0017] 下面結合實施過程對本發(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大氣輸運集合擴散模擬方法，包括如下步驟：
[0019] -、根據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] 氣象場模式包括質量守恒三維客觀診斷風場模式、風場預報模式等，各種模式均 進行計算，得到的結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，得到的結果作為集合成員之一。
[0022] 三、根據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化方案來 分析以上多種不確定因素對模擬結果的影響。
[0023] 若需要考察以上不確定因素對擴散模擬結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的，例如在氣象場計算結果的基礎 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。
[0026] 大氣擴散物理過程參數化方案包括：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、與現場試驗觀測數據進行比對分析，按照集合分析方法對集合成員內部、集合 成員模擬結果與現場觀測結果進行分析，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：閾值協同水平、百分比協同 水平及空間特征參數分析；整體分析包括預測最大值趨勢。
[0028] 主要集合分析方法如下：
[0029] ( 1)閾值協同水平（ATL)
[0030] 閾值協同水平（ATL)可以用一個圖總結幾種模式結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，預測值大于給定的閾值 (CT，例如干預水平）：
【主權項】
1. 一種中小尺度氣載物質大氣輸運集合擴散模擬方法，包括如下步驟： (1) 根據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化方案，分析這 些不確定因素對模擬結果的影響； (4) 與現場試驗觀測數據進行比對分析，按照集合分析方法對集合成員內部、集合成員 模擬結果與現場觀測結果進行分析； (5) 根據集合成員間集合平均、離散度、均方根誤差、距平相關系數及相對作用特征曲 線的檢驗結果，考察各集合成員的模擬有效性與準確度。
2. 如權利要求1所述的中小尺度氣載物質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量守恒三維客觀診斷風場模式、風場預報模式。
3. 如權利要求1或2所述的中小尺度氣載物質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. 如權利要求1所述的中小尺度氣載物質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. 如權利要求1所述的中小尺度氣載物質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：閾值協同水平、百分比協同 水平及空間特征參數分析；整體分析包括預測最大值趨勢。
【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多樣性和與使用不同的氣象數值預測結果的事實，同時綜合集合分析方法及集合擴散模擬的檢驗方法，通過與現場實驗的比對分析，提供一套多模式集合擴散模擬結果。本發(fā)明解決了單一模式模擬的不確定性，其集合分析結果可以提供一個更加綜合、全面的結果，滿足中小尺度氣載物質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