一種關於氣旋狀態的統計分析預報系統及調節方法與流程

2023-08-07 18:57:16

●技術領域

本發明涉及一種關於氣旋狀態的統計分析系統，尤其是涉及依據氣旋與磁擾的密切關係來對氣旋及其相關的天氣和氣候狀態進行分析預報的系統及調節方法。

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背景技術：

伴隨人類發射飛行器的不斷增多，對空間天氣及氣候的探索與研究逐漸深入，這不但為空基與地基通訊、導航等提供必要的支持，而且為人類更深入地掌握行星天氣及氣候變化規律創造了便利和保障條件。依據soho太陽觀測平臺關於太陽活動的各種參數的詳細記錄，為人類研究分析太陽系內行星氣候變化奠定了從未有過的極好基礎。通過世界各國建立的地基和空基之觀測平臺，對氣旋生成及其發展的整個生命史的詳細觀測記錄為人類預報相關的天氣狀態等提供了有利條件。太陽光輻射及太陽高能粒子流是太陽系內行星天氣及氣候變化的主源。地球及其它星體上氣旋變化相關整個星體天氣及氣候變化，而且對於地球上人類的生存與發展而言，若對氣旋的發展狀態能夠有一可靠準確的提前預報，可在一定程度上減小氣旋帶給人類的危害或使氣旋帶給人類的益處最大化。另外人為能夠調節氣旋強度也是人類夢寐以求的事情。

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技術實現要素：

本發明的目的就是為了提供一種關於氣旋狀態變化的分析預報系統及調節方法，通過對空間天氣信息的統計分析來預報氣旋發展狀態及適時人為調節來降低災害性天氣及氣候的危害程度。

本發明關於一種氣旋變化的統計分析預報系統，依據磁擾引發行星大氣運動中的氣旋變化以及磁擾對氣旋的助弱抑強作用的統計規律，在對磁擾的主源-太陽高能粒子流的生成發展狀態以及相應磁擾強度的分析預報基礎上，或者在正在生成的磁擾基礎上，對氣旋生成發展狀態和相關的天氣及氣候變化狀態做相應的分析預報。

一種對氣旋的人為調節方法，通過高空核爆或者高功率電磁波照射電離層來實現人為觸發(強)磁擾，利用(強)磁擾對氣旋實現助弱抑強，來助力增強對人類有益的弱氣旋，或者抑制削弱對人類存在危害的強氣旋。

磁擾對氣旋的助弱抑強作用疊加在影響氣旋變化的其它因素之中。

由於木星大紅斑屬於強氣旋，磁擾對其產生抑制削弱作用，尤其強磁擾對大紅斑的減弱作用強。即大紅斑縮小速率與強磁擾的發生率正相關。而強磁擾的發生率又因為同cme的發生率正相關，則大紅斑的縮小速率同cme的發生率正相關。

決定氣旋強度之三要素：能量，科裡奧利因數，擾動。氣旋強度與能量供應及科裡奧利因數正相關。雖然對比地球，對木星的太陽輻射強度較低，但木星內能釋放強，且木星科裡奧利因數較高，則大紅斑氣旋可達到的峰值強度遠高於地球上氣旋的峰值強度。

磁擾動是擾動中的一種。磁擾動對氣旋助弱抑強。磁擾動是氣旋由低強度向高強度或從高強度向低強度(包括消失)發展的加速器或生長激素。在氣旋生命史中，其強度快速大幅增加與快速大幅降低過程皆分別明顯地對應強磁擾過程。即氣旋強度的變化幅度與磁擾強度正相關。

在氣旋其強度到達峰值之前，磁擾高几率助氣旋強度大幅增加；在氣旋強度到達峰值之後，磁擾則高几率抑制削弱氣旋，使氣旋強度大幅降低。也低機率存在反相的，即在氣旋強度到達峰值之前磁擾削弱氣旋，或者在氣旋強度達到峰值之後及在氣旋強度的下降期間磁擾助力增強氣旋。

氣旋增強主要由多段強磁擾引發氣旋強度不斷大幅提升中累積而成；反之，氣旋減弱主要由多段強磁擾引發氣旋強度不斷大幅降低下累計而成。弱磁擾所起作用相對弱化，屬於次要作用。同一段磁擾，對某些氣旋明顯地提升其強度，而對其它氣旋明顯地降低其強度。

木星大紅斑氣旋超強及持久存在的成因：雖然對木星的太陽輻射強度低於對地球，但是木星內能釋放遠超高於地球內能釋放；大紅斑氣旋僅僅緯向移動，始終處於內能釋放的強區以及接受太陽輻射的強區；同緯度木星的科裡奧利因數是地球的近2.4倍；對於來自太陽高能粒子流所觸發的木星強磁擾與地球強磁擾，木星強磁擾時的極光的緯度範圍小於地球強磁擾時的極光的緯度範圍，這就使木星大紅斑所在緯度位置所感受到的磁擾的影響程度相對弱於地球上同緯度位置的氣旋所感受到的磁擾的影響程度。削弱大紅斑的主因是擾動，而磁擾又是長期擾動的主源。極強氣旋-大紅斑在相對較弱的磁擾的伴隨及作用下，雖不斷減弱但可持續時間極長。

利用磁擾對氣旋高几率所呈現的助弱抑強作用，對氣旋狀態進行人為調控，從而獲得效益或減災。在高空核爆或者對高空電離層進行高功率電磁波照射來人為觸發較強磁擾，用磁擾來助力增強弱氣旋或抑制削弱強氣旋。人為觸發強磁擾的具體作業區域也可選在磁兩極上空。

依照氣旋與磁擾，磁擾與太陽高能粒子流之間的關係，建立一套統計分析預報系統。對已有強磁擾(磁暴)相關信息的歷史記錄或者在有關強磁擾生成的預報基礎上，或者在強磁擾正在發生的同時，對有關區域中氣旋的狀態及其相關的天氣、氣候狀態等進行分析，可回溯當時的氣旋狀態及相關的天氣、氣候狀態，或預報將來的氣旋狀態及相關的天氣、氣候狀態，或及時地對氣旋強度及相關天氣、氣候狀態進行調節。

一種關於行星表面狀態的分析預報方法，利用行星表面大氣狀態與氣旋的密切關係，對行星表面狀態進行分析預報。

●附圖說明

下面將結合附圖和非限制性的實施例對本發明作進一步的詳細說明。

圖1，圖2，圖3，圖4，圖5，圖6和圖7示出本發明的關於氣旋狀態的統計分析預報系統及調節方法的實施例的示意圖。每一圖中皆標明氣旋強度變化與地磁指數(dst)變化的對應關係。

●具體實施方式

↑↓：分別表示氣旋強度的上升與下降。

2016年2、3、4月內無氣旋，雖磁擾較強。在2016年氣旋和磁擾的對比統計分析表中，所選取的氣旋：

(1)太平洋颱風季和太平洋颶風季及大西洋颶風季中氣旋強度各前三名，共計9個氣旋(7、8、9、10月為氣旋強度峰值較高月)

(2)6月上旬連續3個氣旋(6月為氣旋強度峰值較低月)；

(3)9月下旬連續三個氣旋(9月為氣旋強度峰值較高月)。

(4)未登陸氣旋2個

對於氣旋強度的簡寫字母說明：

熱帶低氣壓～td；熱帶風暴～ts；

對於颱風與颶風的級別這裡僅以cn簡化表達。

2016年氣旋和磁擾的對比統計分析表

綜合統計分析結果，即統計規律為：

1.在氣旋生命史中，其強度快速大幅增加與快速大幅降低過程皆分別明顯地對應強磁擾過程。即氣旋強度的變化幅度與磁擾強度正相關。

2.在氣旋其強度到達峰值之前，磁擾高几率助氣旋強度大幅增加；在氣旋強度到達峰值之後，磁擾則高几率抑制削弱氣旋，使氣旋強度大幅降低。也低機率存在反相的，即在氣旋強度到達峰值之前磁擾削弱氣旋，或者在氣旋強度達到峰值之後及在氣旋強度的下降期間磁擾助力增強氣旋。

3.氣旋增強主要由多段強磁擾引發氣旋強度不斷大幅提升中累積而成；反之，氣旋減弱主要由多段強磁擾引發氣旋強度不斷大幅降低下累計而成。弱磁擾所起作用相對弱化，屬於次要作用。

4.同一段磁擾，對某些氣旋明顯地提升其強度，而對其它氣旋明顯地降低其強度。

2016年2、3、4月內無氣旋，雖然磁擾較強；5、6、11、12月內氣旋峰值強度低；7、8、9、10月氣旋峰值強度高。這對應著太陽對地球不同區域的輻射強度季節變化及相關區域中對氣旋的能量供應變化。在對氣旋的能量供應上，地球內能釋放和太陽輻射能量相比，後者佔優勢。氣旋強度與能量供應流量(功率)正相關。這包括氣旋峰值強度與對其能量供應流量(功率)正相關。

氣旋的生成與發展由能量，科裡奧利因數(ω為地球自轉速度；為緯度)，擾動三方面決定。

磁擾是擾動的一種，氣旋強度變化的幅度與磁擾強度正相關。

氣旋是一種能量釋放過程或反應，氣旋強度正相關於其反應速率。該反應速率可正相關於擾動強度，也可負相關於擾動強度。磁擾作為一種擾動對大氣運動及氣旋活動起調節作用。對於任一個氣旋，在氣旋強度到達峰值之前，高几率呈現磁擾對氣旋強度的提升作用，也低機率存在磁擾對氣旋強度的削弱作用；在氣旋強度到達峰值及其之後，高几率呈現磁擾對氣旋強度的削弱作用，也低機率存在著磁擾對氣旋強度增強作用。磁擾是氣旋生命史中的生長加速器或類似生長激素。強(弱)磁擾是氣旋生命中的強(弱)加速器或強(弱)類似生長激素。

在氣旋強度到達峰值之前，氣旋強度上升幅度高几率與擾動強度正相關；在氣旋強度到達峰值之後，氣旋強度下降幅度高几率與擾動強度正相關。氣旋強度的峰值與能量供應正相關。

木星大紅斑是一個極強氣旋，磁擾尤其強磁擾高几率對其產生抑制削弱作用。大紅斑的縮小速率與強磁擾的發生率高几率正相關。cme是強磁擾之源，cme不但可單獨作用於星體磁層觸發強磁擾，而且它混合或耦合於太陽風中，也增加太陽風與星體磁層作用時觸發強磁擾的機率。強磁擾的發生率正相關於cme的發生率，則木星大紅斑的縮小速率高几率正相關於cme的發生率。

對氣旋的能量供應：內能和太陽能。供應木星大紅斑等氣旋的能量遠比供應地球上強氣旋的能量高。雖然對木星的太陽輻射強度僅為對地球的1/25，但是木星是太陽系中的「小太陽」，其內能釋放及供應其表面大氣活動的能量流量或功率遠高於地球；木星科裡奧利因數高於地球。這就決定了木星上氣旋的峰值強度極高。即大紅斑氣旋的曾經峰值強度極高。

木星磁場遠比地球磁場強。星體磁場具有維持其上大氣運動狀態穩定的能力，則木星大氣運動狀態包括氣旋的穩定性(此相關氣旋生命周期)要遠高於地球大氣運動包括氣旋狀態的穩定性。木星大紅斑氣旋僅僅緯向運動，而地球上氣旋經向、緯向運動範圍廣。

在木星空間位置，太陽高能粒子的流量遠低於地球空間位置的流量，僅約為後者的4％，且由磁擾產生時的平均木星極光緯度範圍小於平均地球極光的緯度範圍，則平均木星磁擾強度相對低於平均地磁擾強度，

磁擾對於木星上氣旋的作用：

磁擾在氣旋強度到達峰值之前，對氣旋高几率呈現助力增強作用，在氣旋強度到達峰值之時及之後，磁擾對氣旋高几率呈現抑制削弱作用。但因磁擾平均較弱，氣旋強度(或氣旋尺寸)的增加與降低的速率皆是緩慢的；又由於大紅斑氣旋曾經所到達的峰值強度極高，則造成大紅斑氣旋的生長周期極長。即大紅斑氣旋由小變大的過程和由大變小的過程皆是緩慢的且是時間極長的。這就是大紅斑氣旋從17世紀被人類發現至今能夠持續300多年且仍健在的根本原因。

除非出現超強cme衝擊木星磁層或者較大的彗星衝擊木星或者較小彗星直接衝擊大紅斑，這些事件可能會迅速地大大改變大紅斑的狀態，但是這些事件發生的機率極低。

對金星表面高溫成因的診斷：

(1)由於金星自轉過慢，導致科裡奧利因數過低，則金星表面低中緯大氣中氣旋(或渦旋)的生成機率極小；(2)金星磁場極弱，雖然距太陽較近，但是太陽高能粒子流作用於金星磁層所產生的磁擾極弱，則極弱磁擾對低中緯大氣中的弱氣旋(或渦旋)的助力生成及加強作用皆極弱；(3)金星內能極弱，低、中緯度區域的火山噴發與地震發生率極低。即金星依賴強烈擾動-火山噴發及地震能夠引發大氣中出現強烈的垂直對流運動的機率極低；(4)金星離太陽較近，且大氣層的透光性好，則可達金星表面的太陽光輻射強度較高；大氣的主要成分是二氧化碳。金星表面大氣濃厚，大氣壓是地球大氣壓的90倍；二氧化碳粒子對熱輻射中紅外線具有強吸收作用。這些因素導致高強度的太陽光輻射作用於金星表面，其表面吸收太陽能轉化為熱能後，向外熱輻射的紅外光子無法有效地跑到大氣層的外面。即金星表面熱輻射受阻。(5)中性氣體的熱傳導率極低。

綜上所述，金星表面吸收太陽能轉化為熱能後，其低、中緯度區域大氣中無(或即使有也極弱)氣旋(或渦旋)這種高效的對流-傳輸-釋放熱量的運動形式，同時熱輻射的效率極低，又中性大氣本身的熱傳導率極低，則造成金星表面異常高溫。

金星大氣成分的演變：由於低中緯大氣缺乏氣旋等強烈攪動，則大氣層尤其下層處於相對靜穩狀態，即使金星兩極有強氣旋及大氣上層有高速環流存在。在大氣層之下層處於相對靜穩狀態態下，重力對大氣粒子的沉析作用明顯，即輕質粒子上浮而重質粒子下沉。二氧化碳大氣粒子沉積並排擠其它粒子而成為金星表面大氣的主要成分。

與上述同理分析地球狀態：

地球自轉速度日益降低，而且地磁場日益變弱下，這將引發氣旋尤其低中緯氣旋這種高效對流-傳輸-釋放能量的運動日益減弱。這將導致地球表面大氣尤其低層大氣的靜穩性與溫度以及二氧化碳的含量日益提高。這種對地球表面大氣的升溫效應疊加在引發地球表面大氣溫度變化的其它因素中。

除了太陽光輻射之外，通過太陽高能粒子流引發磁擾，行星天氣及氣候變化與太陽活動之間實現耦合。

磁擾引發氣旋強度大幅快速變化的可能機制：

對於一個正在進行某種反應的物質體系，擾動的作用是既可增大整體系統反應速率，但同時也會降低已存在的局部的或分系統的較高的反應速率。與能量釋放反應的反應速率正相關的物理量是功率或能量流量。

對流是能量釋放反應的一種形式，而氣旋是由垂直對流形成的。即氣旋是一種能量釋放反應。氣旋是能量釋放的通道。

依靠磁擾-荷電粒子擾動-中性大氣粒子擾動，即形成磁層-電離子層-中性大氣層乃至整個地球大氣的波動。

波動對大氣中的物體-氣旋體系具有攪拌作用。氣旋處於磁擾-波動攪拌的大容器-地球大氣中，磁擾-波動攪拌氣旋即可改變其狀態。當磁擾-波動可觸發大氣中氣旋生成以及對弱氣旋助力加強時，由於各氣旋對於局地能量供應的汲取或利用是並聯關係，且因局地能量供應有上限，則磁擾-波動對弱氣旋助力加強時必出現對強氣旋的削弱抑制。

波動對物體的作用因其尺寸不同而不同，對於物體尺寸近於或小于波長的物體則衍射繞行，對於尺寸大于波長的物體則直接強力作用。磁擾觸發大氣中各種波長的波生成尤其中長尺寸波。這些波對弱小氣旋系統的衍射繞行中可形成對其助力增強，而對強大氣旋的直接作用中形成對其削弱抑制。

利用磁擾對氣旋高几率所呈現的助弱抑強作用，對氣旋狀態進行人為調控，從而獲得效益或減災。例如：對於旱區或重霧霾區，氣旋能夠帶來降水與風力增強來減輕旱情或霾情，則可在旱區或霾區上空進行核爆或者對旱區上空的高空電離層用雷達發射高功率電磁波照射，從而可觸發較強磁擾生成，用磁擾來觸發氣旋生成或大幅提高氣旋的強度。同樣對於危害大的強氣旋，用核爆或者對高空電離層進行雷達高功率照射來人為觸發較強磁擾，用磁擾來抑制削弱該氣旋。人為觸發強磁擾的具體作業區域也可選在磁兩極上空。

依照氣旋與磁擾，磁擾與太陽高能粒子流之間的關係，建立一套統計分析預報系統。對已有強磁擾(磁暴)相關信息的歷史記錄或者在有關強磁擾生成的空間天氣預報基礎上，或者在強磁擾正在發生的同時，對有關區域中氣旋的狀態及其相關的天氣、氣候狀態等進行分析，回溯當時的氣旋狀態及相關的天氣、氣候狀態，或預報將來的氣旋狀態及相關的天氣、氣候狀態，或及時地對氣旋強度及相關天氣、氣候狀態進行調節。例如依據www.spaceweather.com中關於太陽風和cme及磁暴等狀態的觀測預報信息，對磁暴可相應引發的氣旋狀態變化做出分析及預報，可使氣旋途徑區域減免災害或利用氣旋擴大收益。

本發明已經根據具體的實施例和附圖進行了詳細描述，但這些描述並非用於限制本發明，在不偏離本發明的精神和範圍內，可以對其進行修改和改進。