大气环境仿真建模方法研究精.docx
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大气环境仿真建模方法研究精
第18卷增刊2系
统仿真学报©Vol.18Suppl.2
2006年8月JournalofSystemSimulationAug.,2006
•24•
大气环境仿真建模方法研究
许丽人,徐幼平,李鲲,成巍,程锐,邓志武
（北京市应用气象研究所,北京100029
摘要:
大气环境仿真模型是大气环境仿真试验及大气环境仿真系统建设的基础和前题,是综合自然环境仿真的重要组成部分。
阐述了大气环境仿真模型的三种设计方法,即理想化模型、统计特征模型和数值模型,并着重以统计特征模型为例,提出了统计建模的具体步骤和方法,最后指出了大气环境仿真模型的关键技术及其发展中应注意的问题。
关键词:
大气环境仿真;综合自然环境;仿真模型;关键技术
中图分类号:
TP391.9文献标识码:
A文章编号:
1004-731X（2006S2-0024-04
ResearchonModelingMethodsofAtmosphericEnvironmentSimulation
XULi-ren,XUYou-ping,LIKun,CHENGWe,CHENGRu,DENGZhi-wu
（BeijingInstituteofAppliedMeteorology,Beijing100029
Abstract:
Theatmosphericenvironmentsimulationmodelisbasisandpropositionforatmosphericenvironmentsimulation
experimentandatmosphericenvironmentsimulationsystem,isoneofimportantpartsofsyntheticnaturalenvironment（SNEsimulateion.Firstly,threedesignmethodsofatmosphericenvironmentsimulationmodelarediscussed,suchasidealizedmodel,statisticalcharacteristicmodelandnumericalmodel.Secondly,bytakingstatisticalcharacteristicmodelasanexample,theprocessandmeansofstatisticalmodelingarepresented.Finally,thekeytechnologiesofatmosphericenvironmentsimulationmodelandattentivequestionsduringtheprocessofdevelopingarepointedout.
Keywords:
atmosphericenvironmentsimulation;syntheticnaturalenvironment（SNE;simulationmodel;keytechnologies
引言
综合自然环境（SyntheticNaturalEnvironment,简称SNE仿真是包括地形、大气、海洋和空间在内的整个自然环境,其研究对象包括了整个自然环境仿真领域,目标是为国防和军事领域的建模和仿真应用提供权威、一致的综合自然环境数据和模型。
大气环境是SNE的重要组成部分,对社会活动、作战过程以及武器装备的性能等具有重要影响。
1995年美国国防部发布了建模与仿真主计划（ModelingandSimulationMasterPlan,MSMP[1]。
该计划提出了基本发展战略和设想,以及要努力实现的6大目标,其中第二大目标就是提供自然环境适时而权威的表示。
大气的动态和静态物理特性对武器系统性能及作战效能的影响,一直是武器系统设计和作战使用所必需考虑的重要问题[2-3]。
利用大气环境仿真手段深入研究大气环境特征及其模型,对于优化武器系统设计、提高武器系统环境适应性能及其作战能力,都是非常必要的[4-6]。
大气环境仿真模型是以计算机和各种物理效应设备为技术手段,对实际大气环境要素和各种天气现象进行描述,建立各主要因素之间的逻辑关系和数学关系,使其反映实际大气的最本质的机理和物理过程,最大可能地表征真实大
收稿日期:
2006-05-12
修回日期:
2006-06-10
作者简介:
许丽人（1972-,女,黑龙江人,博士,高工,研究方向为大气环境建模与仿真、边界层气象学等;徐幼平（1963-,男,江西人,研究员,研究方向为大气环境建模与仿真、中尺度数值模拟等。
气。
大气环境仿真模型是武器装备仿真模型体系的一个有机组成部分,是开展大气环境对各种高技术武器系统作战影响数值仿真试验的重要技术基础。
1大气环境仿真对象及模型设计方法
1.1大气环境仿真对象
由于大气运动包含了各种时间和空间尺度运动,因此其产生的机理和发展过程各不相同。
大气环境仿真的对象包括:
1气温、气压、大气密度、空气湿度和风的时空分布;2云、雨、雪和雾的宏微观结构及其时空分布和演变;3雷暴、台风和暴雨等危险天气系统生成、移动、发展和消亡的四维演变过程;
4大气能见度、昏暗度和照明度的场景描述;5霾、沙尘和烟尘污染（包括核、生、化武器的再生环境环境定量描述。
1.2仿真模型设计方法
开展大气环境对实体模型影响的仿真研究,需要建立描述大气特征的仿真模型。
就目前国内外发展现状看,建立大气环境仿真模型主要有三种方式:
一是通过对大气最基本特征的理论分析和数学简化提出的理想化模型;二是基于大量观测资料和观测事实进行分析和统计,所建立的统计特征模型;三是按照流体力学和大气运动规律建立并求解大气运动的非线性方程组,并进行数值模拟,从中给出的大气环境数值模型。
2006年8月许丽人,
等:
大气环境仿真建模方法研究Aug.,2006
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1.2.1理想化模型
大气扰动的复杂性使得在工程应用中对它难于进行全面且恰当的表示,因此在武器系统研制仿真中通常采用简化的模型。
这些模型只能表征大气变化的简单规律,难于反映大气复杂变化的基本事实和基本规律,如标准大气仅把大气表示为无空间和时间变化的常态大气。
为提高武器装备系统仿真的逼真性,有必要采用最新的科学理论和技术不断地改进理想化的大气环境仿真模型,使其能够更加准确地反映大气扰动的特征,不断满足现代武器装备系统对环境仿真的需求。
1.2.2统计特征模型
利用大量的外场观测资料进行大气环境结构及特征分析,寻找大气环境的运动规律及变化特征,是大气环境研究最基本的方法。
它不仅对揭示大气运动的时空变化规律具有重要作用,而且也将为数值仿真模式及模型设计、模式参数调整、模式修正和结果验证等提供观测基础。
利用观测资料进行统计建模的步骤如下:
1资料收集
收集和处理各种常规和非常规气象观探测资料,包括NCEP再分析资料、地面资料、探空资料、卫星资料、近地层铁塔资料、湍流超声资料、雷达探测资料、飞机探测资料、GPS资料及火箭资料等。
2资料质量控制
通过对各种资料的解报、检误、连续性和一致性检验等,进行质量控制。
3统计建模
根据研究问题的需要选择各种数理统计和概率论方法
[7,8]
（包括回归分析、判别分析、聚类分析、相关分析、因
子分析、小波分析、人工神经网络、信息论、统计决策和模糊数学等,对各种气象观探测数据进行统计分析,通过对信息的综合提取,建立相关统计特征模型:
（1平均气象要素场模型
利用观测资料,分析平均气象要素场（风、气温、气压、湿度的时空变化特征,给出各月及四季环流配置,建立典型的平均风、温、湿度场的日、月和年季变化曲线及其统计模型,得出典型风场垂直分布廓线、温湿廓线和层结稳定度指标等。
如图1和图2分别为某测站近地层平均风速、平均温度及标准差日变化模型,图中V为平均风速、vσ为风速标准差;T为平均温度、Tσ为温度标准差。
从图中可以看出:
平均风速和平均温度都具有明显的日变化特征。
图中实线表示平均要素值（风速、温度,虚线为平均值上的标准差的分布状况。
（2极值气象要素场模型
利用多年（10年以上气象观测资料,分析极端最大风速、极端最高和最低气温、极端最大湿度、极端最高气压和最低气压等,建立相应的极值气象要素场模型。
图1平均风速及其标准差分布
图2平均温度及其标准差分布
（3湍流特征量模型
湍流的随机性使得湍流属性很难确定,但从统计学观点来说可以分析出各方向上的湍流脉动方差和协方差、湍流强度和相关系数、湍流动能、湍流通量廓线等特征量,以及湍流各方向的速度谱、温度谱和湿度谱。
通过对这些湍流微结构的分析,归纳出相应下垫面类型的湍流属性特征和统计模型。
图3和图4分别为某下垫面下的u方向湍流脉动速度自相关系数及归一化湍谱模型。
020*********
-0.2
0.00.20.40.60.81.0Ru
08160145u
τ（s
图3u方向脉动速度自相关系数
（4地表特征量模型
利用边界层和辐射观测资料,可分析地表动量通量、热
T,σT（o
C
t（h
V,σv（m/s
t（h
2006年8月系
统仿真学报Aug.,2006
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1E-4
1E-3
0.01
0.1
1
1E-51E-41E-30.010.11
10100Su（n/σu2
n
图4u方向脉动速度谱
量通量和水汽通量的日变化特征,并计算摩擦速度、摩擦温度、摩擦湿度等,建立相应的地表特征量模型。
（5其它特征量模型
还可以对风切变、阵风、大气波导、低云、能见度、湍流扩散参数等进行统计分析,并建立相应的模型。
利用观测资料进行统计建模的方法具有较好的真实性,但受到观测样本量的严重制约,该方法还存在很大局限性。
如:
常规观测数据时空分辨率比较低,观测的物理量比较少（通常只有风、温、压、湿;非常规的观测可获得的物理量比较多,时空分辨率高,但观测的时间和地点缺乏普遍性;有些地区尤其是山脉、海岸或沙漠区的资料可用性很差,对于湍流、积冰及雪盖等的观测更为稀少,甚至不可能实现有效观测。
1.2.3数值模型
大气环境仿真数值模型,是按照流体力学和热力学规律建立并求解大气动力学方程的方法,模拟再现大气环境中的各种天气现象、气象要素的基本特征和演变规律,给出逼真的大气环境。
军事行动的仿真必须包含对大气环境的真实表述。
大气运动是多尺度的,从微小尺度系统（如烟羽运动,地形诱生的湍流等影响到大、中尺度天气影响,都必须包含在模式中。
因此,建模时要根据数值仿真应用的实际,按不同分辨率建立相应数值模式,如对中小尺度天气现象[9-10]的描述可建立区域中尺度模式、风暴环境模式、云模式、雾模式、边界层模式、扩散模式等来再现大气环境。
有时根据研究问题的需要,还可将几种模式进行耦合,建立多尺度的耦合数值模式。
各种模式主要功能如下:
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