一种基于雷达外推和模式预报的同化融合方法技术

本发明专利技术公开了一种基于雷达外推和模式预报的同化融合方法，采用三维变分同化的方法，将雷达外推与数值预报进行融合，构建恰当的短临同化融合降水预测方法，解决了客观估计同化融合前外推估测与模式预报的误差分布特征的研制问题，具有便捷、客观地分配模式预报与雷达外推融合权重、以达到两者优势互补的优点，为合理分配两种预报方法的融合权重提供了一种新的解决方案。种新的解决方案。种新的解决方案。

【技术实现步骤摘要】
一种基于雷达外推和模式预报的同化融合方法


[0001]本专利技术属于气象
，具体涉及一种基于雷达外推和模式预报的同化融合方法。

技术介绍

[0002]我国地处东亚季风区，覆盖高中低纬度、地势起伏多变、自然条件复杂，这使得我国气象灾害的种类较多、发生频次高、分布地域广、持续时间长,遭受气象灾害影响严重；而其中强降水引发的气象灾害因其突发性强，社会危害大，因此对其进行准确的预报预警，对防灾减灾意义重大。
[0003]目前，0—6小时临近降水预报方法主要有外推预报、数值预报以及概念模型预报等方法。其中，中尺度数值模式预报受到模式Spin-up限制，前2小时难以输出理想的预报结果，但在2—6小时内准确率较高；而基于雷达观测和回波识别、追踪、外推的临近预报技术在0—2小时内的准确率要明显优于高分辨率的数值预报模式，却难以提供2小时以上的高质量预报。因而，本项目组拟用三维变分的方法将雷达外推临近预报和数值预报进行融合，结合两者优点、弥补相互间的不足，为对流尺度天气系统特别是对流强降水0—6小时的有效预报提供合理方案。
[0004]临近预报是一种预防紧急局地强风暴等灾害性天气的预报服务项目，其目的是尽可能地满足各类经济部门的特殊气象服务要求和为各种社会公众活动提供高质量的气象保障服务；而0—6h短时临近降水预报，主要方法包括运用实时雷达资料进行的外推预报、数值预报以及概念模型预报等；而当前主流的预报方法通常采取基于雷达观测数据的外推预报进行2h以内的降水预报，选取基于数值天气模式的降水预测进行数小时至几天后的预报。
[0005]然而，虽然有多种可供选择的预报方法，关于如何提高0—6h短临降水预报准确率，仍是一项复杂的世界性难题，需要长期研究。
[0006]在雷达外推预报领域，交叉相关法是雷达外推对降雨进行临近预报较常用的方法，其主要思想是：利用雷达回波等资料在相邻时间上的空间最优相关，得到对流系统在不同方位的移动矢量特征，以此对雷达回波的方位及强度进行预测回波未来位置及强度，再运用Z-R关系估算出未来时刻降水量；该算法最早始于Rinehart et al的开创性工作，之后，随着雷达资料分辨率等技术的提高, 众多学者在TＲEC算法的基础上做了进一步改进和发展；综合分析表明，TREC及其拓展方法虽然只需两个时间的雷达回波资料，且运行时间快，是一种简便的预报降水系统未来时刻位置的方法，但无法预测系统演变趋势，预报准确性随预报时效快速下降，预报时效一般不超过2h。
[0007]与之相对的，对于数值天气预报模式，其能够很好地模拟降水场随时间演变的过程，在未来数小时甚至数天的预报中，表现出雷达外推无法企及的优势。
[0008]然而，因为初始水物质场等输入因子难以反映真实的大气状态，加之其它一些技术难题，使得数值模式在起报的前2ｈ难以达到理想的预报效果。
[0009]因此，根据基于雷达观测的外推预报技术与基于数值模式的降水预报技术各有所长的特点，通过融合技术将两者的预报结果进行优势互补、形成0—6h定量降水的预报方案，是解决短时临近降水预报准确率的可行方案。
[0010]在2011年世界气象组织世界天气研究计划临近预报工作组(WMO-WWRP WGNR)会议上，各国专家讨论并强调，雷达外推技术与数值预报技术的融合是延长临近预报时效至2h以上的根本技术途径，应作为重要的技术发展方向予以推动。
[0011]目前，对于将雷达外推预报和数值模式预报两者相融合的技术，主要分三类：加权平均法、趋势调整法、AMOR方法。
[0012]第一类方法的核心思想是按时效区间确定外推预报和数值模式预报在融合系统中的权重，随着时间的推进，外推预报占融合系统的权重随之减小，而数值预报所占权重则随之增加，该类方法的代表系统有Golding研发的Nimrod等。
[0013]第二类方法的中心思想是要根据模式预报结果在落区、强度上的变化趋势来修正外推预报。
[0014]第三类AMOR方法的主要思想，首先是计算当前时刻模式预报在落区或强度上的误差，然后估计误差在时间上的变化趋势，最后再在此基础上对未来时刻的模式预报进行修正。
[0015]现如今，基于雷达临近预报和数值模式的融合降水预报模型正在迅速发展：诸如英国、美国、加拿大、澳大利亚、香港等国家和地区均已开展了众多基于融合技术的定量降水预报研究，发展了诸多已在业务中取得初步成效的短临预报系统。
[0016]然而在中国大陆地区，由于融合预报研究起步相对较晚，现有的工作成就较为有限。但随着近年来社会各界的逐步重视，也取得了值得称赞的成绩。例如程丛兰、陈明轩等提出了上文提及的AMOR方法，该方法具体是基于Cressman客观、分析快速傅里叶变换(FFT)、多尺度光流法、韦伯函数、正切动态权重融合法等技术,在Bj-C系统和j-RUC系统的基础上发展的短时定量降水预报融合技术方案。同时，他们运用此方法对京津冀地区2011年和2012年夏季的7次典型强降水个例进行检验，并表明该方法在0—6h时段里,对于5mm以上的较强降水的逐时累加定量降水预报在预报技巧上较临近预报和数值预报均具有显著的优势。薛峰、王兴等在2017年提出了一种基于动态权重的降水概率融合预报方法。他们首先建立了一个适用于权重分配的评分模型,再根据两种预报方法在不同预报时效内的评分,动态地分配两种预报方法在不同预报时效的权重，并通过 Brier等评分验证表明,融合后各个预报时效的预报都表现出与雷达外推或数值模式相近甚至更高的技术评分。
[0017]Wilson和 Roberts等在2010年的研究中，用统一的标准对对多种临近预报系统的预报能力进行了验证，其研究结果表明：总体而言，采用融合预报技的系统，其预测准确率优于单纯依靠雷达回波外推预报的系统。同时，Wilson也指出，提高短时预报能力的关键一方面在于不断优化外推临近预报技术，另一方面也需要依靠外推算法和数值模式融合技术的进步。

技术实现思路

[0018]本专利技术的目的在于提供一种基于雷达外推和模式预报的同化融合方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
[0019]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于雷达外推和模式预报的同化融合方法，其中，具体包括如下步骤：步骤1、选取同一目标区域的0—6h内K个降水个例，读取每个降水个例自动站观测的定量降水数据场；其中，k为降水个例的编号，k=1,2,
…
,K；st为自动站编号，st=1,2,
…
,ST；t为时次，t=0,1,2,
…
,60；再分别用雷达外推和模式预报对每个降水个例进行预报，对应得到各时次下雷达外推降水估计场和模式预报降水估计；其中，i为x方向上的格点编号，i=1,2,
…
,I；I为x方向上的格点总数；j为y方向上的格点编号，j=1,2,
…
,J；J为y方向上的格点总数；步骤2、将雷达外推降水估计场插值到该目标区域所在自动站站点上，得插值后的降水估计场,再使用Cre本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于雷达外推和模式预报的同化融合方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1、选取同一目标区域的0—6h内K个降水个例，读取每个降水个例自动站观测的定量降水数据场；其中，k为降水个例的编号，k=1,2,
…
,K；st为自动站编号，st=1,2,
…
,ST；t为时次，t=0,1,2,
…
,60；再分别用雷达外推和模式预报对每个降水个例进行预报，对应得到各时次下雷达外推降水估计场和模式预报降水估计；其中，i为x方向上的格点编号，i=1,2,
…
,I；I为x方向上的格点总数；j为y方向上的格点编号，j=1,2,
…
,J；J为y方向上的格点总数；步骤2、将雷达外推降水估计场插值到该目标区域所在自动站站点上，得插值后的降水估计场,再使用Cressman分析方法计算各降水个例中各时次下每个格点的偏差增量：=()；其中，为编号为st的站点与坐标为(i,j)的格点的间距；利用偏差增量修正雷达外推的降水估计场，得出每个降水个例中各时次下修正后的定量降水估计场：=并将作为每个降水个例中各时次下降水场的真值；步骤3、根据模式预报降水估计场、雷达外推降水估计场与修正后的定量降水估计场，按下式分别计算各时次下时模式预报降水估计值的方差和雷达外推降水估计值的方差：；步骤4、根据模式预报降水估计场与雷达外推降水估计场分别计算各时次下所有格点中任意格点m与任意格点n之间距离的相关系数，计算公式如下：；其中，r为任意格点m和任意格点n之间的距离；为任意格点m的坐标；为任意格点n的坐标；，，，步骤5、以各时次下所有格点中任意格点m与任意格点n之间距离的相关系数为
纵坐标、格点m与格点n间的距离r为横坐标，分别绘制各时次下的散点图；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：史冰颖，闵锦忠，张录军，叶万恒，张琦蓓，高语秋，
申请(专利权)人：南京满星数据科技有限公司，
类型：发明
国别省市：