一种考虑1波涡旋非对称性的热带气旋动力初始化方法

本发明涉及数值天气预报，特别是涉及一种考虑1波涡旋非对称性的热带气旋动力初始化方法。

背景技术：

1、热带气旋数值预报依赖模式初始涡旋结构，初始场质量直接决定气旋路径、强度预报精度。当前主流热带气旋动力初始化方案仅优化轴对称涡旋分量，缺失对涡旋非对称结构的定量约束，存在如下核心技术缺陷：

2、非对称分量振幅无标准化约束：非对称振幅过大会破坏气旋主体环流，振幅偏小易造成弱热带气旋强度预报系统性高估；

3、非对称分量相位无客观校正手段：相位错位会放大涡旋与大尺度环境场相互作用带来的预报误差；

4、未区分不同强度气旋的非对称结构差异：强气旋趋近轴对称、弱气旋非对称特征显著，现有统一处理方式无法适配全等级热带气旋；

5、缺少基于卫星观测的定量统计约束依据，纯模式积分生成的非对称涡旋与真实气旋云系、风圈分布匹配度低。

6、现有研究证实1波分量是热带气旋非对称结构的主导组分，但尚无一套完整、可业务化运行、定量约束1波涡旋振幅与相位的动力初始化流程，导致72小时路径、强度预报误差偏高，弱气旋强度高估问题难以根治。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种考虑1波涡旋非对称性的热带气旋动力初始化方法。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、本发明提供一种考虑1波涡旋非对称性的热带气旋动力初始化方法，包括以下步骤：

4、s1、完成全部输入数据源与模式参数的标准化导入，构建统一计算基准：输入基础数据与数值模式配置参数；所述基础数据包含全球背景场、热带气旋实况观测数据、卫星亮温观测数据；所述数值模式为多层双向嵌套网格wrf数值模式；

5、s2、完成涡旋场分离与谐波分解，解耦轴对称结构和1波非对称结构：基于wrf数值模式开展多轮6小时循环积分运算，得到积分全场；将积分全场分离为大尺度环境场与限定半径范围的总涡旋场；对所述总涡旋场采用柱坐标傅里叶分解，拆分得到0波轴对称分量场与多阶傅里叶谐波非对称分量场，并提取作为非对称结构主导组分的1波分量场；

6、s3、依托卫星观测统计结果定量约束1波分量幅值，消除振幅不合理偏差：基于所述卫星亮温观测数据，统计不同强度热带气旋对应的1波分量与轴对称分量气候平均比值；基于所述气候平均比值构建1波分量振幅订正系数，采用所述振幅订正系数对原始1波分量场全域做乘性校正，得到振幅校正1波分量场；

7、s4、基于实况风圈客观校准1波相位，匹配真实气旋空间非对称分布：基于所述热带气旋实况观测数据中的多象限风圈半径，按照预设多类相位调整规则旋转所述振幅校正1波分量场的相位，使1波分量正相位对应大风圈分布象限、负相位对应小风圈分布象限，输出振幅、相位双重校正后的1波分量场；

8、s5、融合轴对称与校正1波分量并统一强度匹配实况，保留非对称相对结构不变：将所述0波轴对称分量场与振幅相位双重校正后的1波分量场线性叠加，生成初步校正涡旋场；基于热带气旋实况最大风速计算整体缩放系数，采用同一缩放系数同步缩放轴对称分量场与双重校正1波分量场，得到维持1波相对占比不变的最终校正涡旋场；

9、s6、依据强度偏差循环迭代优化或直接输出预报初始场，兼顾初始场精度与业务效率：对比所述最终校正涡旋场的气旋中心最大风速与热带气旋实况风速，判定强度偏差大小；若强度偏差超出预设阈值，则将最终校正涡旋场回代wrf数值模式，重复执行步骤s2至步骤s5；若强度偏差处于预设阈值内，则将最终校正涡旋场替换全球背景场中的原始涡旋场，生成热带气旋完整初始场，并基于该初始场开展热带气旋多小时数值预报。

10、进一步的，步骤s2中，分离总涡旋场时采用三点平滑联合圆柱滤波算法，涡旋场计算范围限定为热带气旋中心固定半径以内区域，大尺度环境场直接复用输入的全球背景场，仅对总涡旋场开展后续校正运算。

11、进一步的，步骤s2中柱坐标傅里叶分解将涡旋要素拆分为轴对称项与各阶谐波项，分解阶数至少覆盖4阶谐波，4阶以上谐波直接舍弃不参与后续校正。

12、进一步的，步骤s3中，单一样本比值用于表征1波分量相对轴对称分量的动能占比；统计气候平均比值时，仅选取远离陆地、无地形干扰的开阔洋面热带气旋样本，单一样本比值取气旋中心固定半径区域平均值；气旋强度越高，对应气候平均比值数值越小。

13、进一步的，步骤s3中振幅订正系数由轴对称分量10m最大风速、原始1波分量10m最大风速、当前气旋匹配的气候平均比值共同计算得到；采用振幅订正系数全域相乘的方式完成原始1波分量场校正。

14、进一步的，步骤s4中预设相位调整规则包含四类：

15、规则一：四象限风圈半径仅存在一处最大值，将1波分量正相位旋转至该最大风圈象限；

16、规则二：四象限风圈半径存在多处最大值、仅单处最小值，将1波分量负相位旋转至最小风圈象限；

17、规则三：两组相邻象限风圈半径为最大值、另外两组相邻象限为最小值，正相位置于最大两象限中间方位，负相位置于最小两象限中间方位；

18、规则四：不满足前三类分布特征的特殊场景，保留振幅校正1波分量原始相位不做旋转。

19、进一步的，步骤s5中同步缩放轴对称分量场与双重校正1波分量场，使1波分量与轴对称分量的相对比值在缩放前后保持恒定，不破坏步骤s3的振幅校正结果。

20、进一步的，步骤s1中输入的热带气旋实况观测数据至少包含6小时间隔的气旋中心经纬度、近地面最大持续风速、四象限34节风圈半径；卫星亮温观测数据为静止气象卫星高分辨率亮温数据，用于表征热带气旋云雨空间分布。

21、进一步的，步骤s2中wrf数值模式循环积分仅启用粗、中两层嵌套网格开展运算，校正变量包含气压、位势高度、风场、温度、比湿；内层高分辨率网格仅用于最终72小时数值预报阶段。

22、进一步的，步骤s6中预设强度偏差阈值为人工校核参数，当判定需要重复循环积分时，每一轮循环积分均完整执行步骤s2至步骤s5的涡旋拆分、振幅校正、相位校正、分量叠加流程。

23、与现有技术相比，本发明所公开的技术方案，具有以下有益效果：

24、本发明通过s3卫星观测统计比值定量约束1波振幅、s4实况风圈校正1波相位两大核心特征，构建贴合真实热带气旋结构的初始涡旋，预报精度显著优于仅优化轴对称涡旋的传统方案；

25、s3中不同强度气旋匹配差异化1波/轴对称比值，弱气旋对应高比值、强气旋对应低比值，针对性解决传统方案弱热带气旋强度预报系统性高估的技术痛点，同时不加剧强台风强度低估问题；

26、s4依托jtwc多象限风圈实况客观校正1波相位，让初始涡旋大风区分布与观测一致，模拟降水云系呈现符合卫星观测的1波非对称分布，大幅提升初始场气旋内核结构真实性；

27、s6分级判定积分/预报流程，兼顾初始涡旋动力平衡与业务预报效率，观测稀缺洋面无需额外密集同化观测，仅依托wrf循环积分即可生成高精度初始场，可直接用于气象业务化运行；

28、整体流程实现标准化、定量化，全部校正参数基于多年卫星观测统计得到，无人工主观调参环节，预报结果稳定性高，改进效果好，适配西北太平洋全等级远洋热带气旋。