雷达反射率湿度相关估计的集合三维变分同化方法及系统技术方案

本申请提出了一种雷达反射率湿度相关估计的集合三维变分同化方法及系统，涉及大气科学数值天气预报领域。一种雷达反射率湿度相关估计的集合三维变分同化方法包括：基于WRFDA3DEnVar混合同化方法，通过编写程序增加能够综合利用观测反射率、分析垂直速度和温度合理估计相对湿度的模块；选取至少一个合适的强对流天气个例，对相应雷达资料进行质量控制，拟同化径向速度和雷达反射率相对湿度和水凝物估计。能够拟针对能够考虑流依赖背景误差协方差的集合三维变分混合同化方法，发展基于雷达反射率、分析垂直速度和温度的相对湿度合理估计方案，建立一套反射率湿度相关估计的有效同化方法。效同化方法。效同化方法。

【技术实现步骤摘要】
雷达反射率湿度相关估计的集合三维变分同化方法及系统


[0001]本申请涉及大气科学数值天气预报领域，具体而言，涉及一种雷达反 射率湿度相关估计的集合三维变分同化方法及系统。

技术介绍

[0002]东北冷涡是我国东北地区独有地形和环流相互作用形成的特殊系统。 在天气图上，常表现为对流层中高层上具有冷心或冷槽的闭合低压中心。 当对流层低层被加热时，高层冷涡控制下的大气往往会出现很强的对流不 稳定，并产生暴雨、冰雹等灾害性天气。因此提高东北冷涡形势背景下强 对流天气预报的准确率，对防灾减灾、保障我国东北地区人民生命财产安 全具有重要意义。
[0003]随着大型计算机的发展，数值预报已成为预测强对流天气的重要途径。 作为典型的初边值问题，制约数值天气预报准确率的一个重要因素在于所 使用的初始场在温度、湿度以及微物理状态方面存在误差。资料同化是充 分利用一切观测信息来改进模式初始场的有效手段。雷达反射率直接和水 凝物相联系，且能够提供相对湿度的关键观测信息。近几十年来，雷达反 射率同化一直是强对流天气数值预报领域的研究热点。
[0004]东北冷涡属于冷性涡旋，其形势背景下产生的强对流天气通常以包含 复杂冰相的冷云过程为主。这容易使得反射率直接同化中观测算子的线性 化过程产生较大误差。为此，通常需要使用将反射率反演为湿度相关估计 后再同化的间接同化方法。早期雷达反射率湿度相关估计的同化研究大多 使用四维变分(4DVar)方法。4DVar借助切线性和伴随模式的时间积分能 够实现雷达反射率对全部模式变量的观测更新，得到与强对流天气生消发 展密切相关的变量场。最早建立了基于4DVar的反射率同化系统VDRAS。 这一系统通过简化的暖云方案同化反射率估计的雨水含量，并利用分析结 果对突发性强对流天气进行即时预报。随后的研究基于WRFDA 4DVar同化 框架发展了类似的间接反射率同化方法。但4DVar方法依赖于复杂的切线 性和伴随模式，程序设计和维护难度较大，且存在极小化求解过程的收敛 等问题。
[0005]相比之下，三维变分(3DVar)方法编码简单、占用资源少，且容易 在目标函数中额外增加大气连续性、反射率守恒、水平平滑等弱约束条件。 已有研究表明，利用3DVar同化雷达发射率估计的水凝物含量能够提高模 式对强对流的预报效果。为了使生成的强对流系统得以更好地维持，很多 研究在间接同化中加入云分析方案，即除了同化反射率估计的水凝物，还 要对估计的相对湿度进行同化。研究表明，云分析可以热启动模式，并显 著减少起转过程的耗时，利用间接3DVar方法同化反射率估计的相对湿度, 能够将模式对夏季短时强降水预报的稳定正效果延长到7h的预报时效。 但是间接3DVar方法同化湿度相关估计使用的背景误差协方差是静态的， 不随时间和天气流型而变化，难以准确地反映预报误差的统计特征。
[0006]为了弥补变分同化中静态背景误差协方差的不足，有研究开始将理论 上更为完善的集合变分混合方法应用于湿度相关估计的同化。目前的混合 同化大多使用集合三维
变分(3DEnVar)和集合卡尔曼滤波(EnKF)耦合 而成的hybrid EnKF
‑
3DEnVar方法。其中3DEnVar提供集合平均场，EnKF 辅助更新集合扰动。申请人的研究发现，利用hybrid EnKF
‑
3DEnVar方法 同化反射率估计的湿度相关资料能够改善中低层的温度场，并提高模式的 定量降水预报技巧评分。但这一方法需要使用EnKF来更新集合协方差， 计算代价较高。因此，本研究将使用集合三维变分方法(hybrid EnKF
‑ꢀ
3DEnVar)开展反射率湿度(相对湿度和水凝物)相关估计的同化研究。 国内也开展了一些雷达反射率的集合三维变分同化研究。
[0007]然而，目前的间接反射率同化研究在相对湿度估计方案、最优同化方 案设计等方面存在问题，具体如下：
[0008](1)相对湿度的合理估计方案：相对湿度直接影响模式对强对流强 度、范围和结构的预报效果，因此相对湿度的合理估计非常重要。当前相 对湿度估计方案通常将云内观测反射率高于设定域值以上的空气强迫为饱 和。这种方案根据云内观测反射率估计相对湿度，未考虑强对流系统内部 不同区域的相对湿度差异(如云内下沉气流区域空气并不饱和)。因此容 易在降水区域增加过多的水汽，导致模式对强对流系统的高估，甚至出现 虚假对流的问题。最近有学者提出通过综合考虑观测反射率、分析垂直速 度和温度来更准确地估计云内相对湿度，初步研究显示具有较好的应用前 景。但这一方案在云内垂直速度不同区域的相对湿度估计方法上还存在问 题。在增加上升气流区域的相对湿度时，仅考虑分析垂直速度为正的格点。 这容易使得同化在建立空气饱和的对流区域过程中受到周围格点混合作用 的影响。并且，在估计云中下沉区域的相对湿度时，直接将相对湿度降低 为预先指定的较低湿度，这容易产生过度减湿的问题。此外，这一方案仅 在云分析中进行初步研究，而针对能够考虑流依赖背景误差协方差的 3DEnVar方法的相关研究尚未开展。
[0009](2)适用于冷云过程的最优同化方案设计尚不明确：夏季东北地区 冷涡频发，容易出现气温异常偏低的“冷夏”。这使得包含冰相的冷云微 物理过程在准确模拟上述背景形势下的强对流天气十分关键。因此同化方 案中初始化冷云过程使用的相对湿度和水凝物含量方差和特征尺度及尺度 化因子对强对流的同化和预报效果具有重要影响。尽管集合三维变分能够 利用流依赖的背景误差协方差同化反射率的湿度相关估计，但其同化效果 受相对湿度和水凝物方差和特征尺度及尺度化因子、集合协方差权重和成 员数等参数的影响。因此，需要有针对性地选取东北区域多个强对流天气 个例，研究这些参数的敏感度规律并设计适用于冷云过程的最优同化方案。 此外，本研究拟发展的反射率湿度相关估计同化对东北冷涡形势背景下强 对流预报准确度的作用也完全不清楚。

技术实现思路

[0010]本申请的目的在于提供一种雷达反射率湿度相关估计的集合三维变分 同化方法，其能够拟针对能够考虑流依赖背景误差协方差的集合三维变分 混合同化方法，发展基于雷达反射率、分析垂直速度和温度的相对湿度合 理估计方案，建立一套反射率湿度相关估计的有效同化方法。并研究适用 于冷云过程的最优同化方案设计以及对东北地区强对流预报准确度的作用。
[0011]本申请的另一目的在于提供一种雷达反射率湿度相关估计的集合三维 变分同化系统，其能够运行一种雷达反射率湿度相关估计的集合三维变分 同化方法。
[0012]本申请的实施例是这样实现的：
[0013]第一方面，本申请实施例提供一种雷达反射率湿度相关估计的集合三 维变分同化方法，其包括基于WRFDA 3DEnVar混合同化方法，通过编写程 序增加能够综合利用观测反射率、分析垂直速度和温度合理估计相对湿度 的模块；选取至少一个合适的强对流天气个例，对相应雷达资料进行质量 控制，拟同化径向速度和雷达反射率相对湿度和水凝物估计。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种雷达反射率湿度相关估计的集合三维变分同化方法，其特征在于，包括：基于WRFDA 3DEnVar混合同化方法，通过编写程序增加能够综合利用观测反射率、分析垂直速度和温度合理估计相对湿度的模块；选取至少一个合适的强对流天气个例，对相应雷达资料进行质量控制，拟同化径向速度和雷达反射率相对湿度和水凝物估计。2.如权利要求1所述的一种雷达反射率湿度相关估计的集合三维变分同化方法，其特征在于，所述基于WRFDA 3DEnVar混合同化方法，通过编写程序增加能够综合利用观测反射率、分析垂直速度和温度合理估计相对湿度的模块包括：首先找出观测反射率高于预定阈值的降水区域，再根据背景场温度将这些区域分为冻结层0摄氏度以上和0摄氏度及以下两个垂直层结。3.如权利要求2所述的一种雷达反射率湿度相关估计的集合三维变分同化方法，其特征在于，还包括：对于冻结层0摄氏度以上部分，将上升气流区域的相对湿度估计为第一预设百分比，为避免受到周围格点混合作用的影响，将附近一定范围内格点的相对湿度也估计为第一预设百分比，冻结层0摄氏度以上的云区中不饱和区域通常与下沉气流具有较好的对应关系，因此将下沉气流区域的相对湿度中超过第二预设百分比的部分减少为原来的一定比例。4.如权利要求2所述的一种雷达反射率湿度相关估计的集合三维变分同化方法，其特征在于，还包括：对于冻结层0摄氏度及以下部分，将垂直下沉气流区域的相对湿度超过第三预设百分比的部分减小为原来的一定比例，垂直上升气流区域及其周围格点的相对湿度增加为第四预设百分比。5.如权利要求4所述的一种雷达反射率湿度相关估计的集合三维变分同化方法，其特征在于，包括：对于垂直上升或下沉运动不明显区域的相对湿度则估计为RH
o
＝
‑
1.29w2+6.28w+77.43，接着计算相对湿度RH
o
对应的水汽含量并与估计的雨、雪和冰雹含量通过以下代价函数同化进模式背景...

【专利技术属性】
技术研发人员：高士博，吴钰欣，周立宏，韩亚东，朱盛杰，
申请(专利权)人：沈阳农业大学，
类型：发明
国别省市：