一种基于雷达观测物理约束数值模式的天气预报改进方法技术

本发明专利技术公开了一种基于雷达观测物理约束数值模式的天气预报改进方法，涉及数值天气预报技术领域，解决了现有的微物理方案简化了冰雪融化过程，导致融化后产生的小雨滴偏多，反射率异常减小的问题，现提出如下方案，其包括以下步骤：S1：确定严格约束因子m1和m2，如下式：其中ΔZ1和ΔZ2分别是历史雷达观测的和原始天气预报模式模拟的在融化层附近的雷达反射率变化值，k1和k2是与不同天气系统有关的常数，对于台风而言k1通常取0.006，k2通常取0.001；S2：确定融雪产生的雨滴数量，如下式：S3：云冰到雪的修正自动转换方案如下式：本方法能够更好地改进数值模式对台风等灾害性天气的模拟和预报，有效提高了模拟和预报的精确性。有效提高了模拟和预报的精确性。有效提高了模拟和预报的精确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于雷达观测物理约束数值模式的天气预报改进方法


[0001]本专利技术涉及数值天气预报
，尤其涉及一种基于雷达观测物理约束数值模式的天气预报改进方法。

技术介绍

[0002]数值天气预报技术是现代天气预报的基础，数值天气预报模式的好坏直接决定了天气预报的准确度。气象雷达、卫星的气象观探测资料可以用于提高模式预报质量，比如常用的雷达观测资料同化技术。然而，资料同化技术只是减少了模式预报的初始场误差，对于模式本身的误差基本没有任何影响，这大大制约了观测资料在数值模式中的应用价值。数值模式中物理过程的合理描述直接关系到模拟的效果，如何建立完善的物理过程参数化方案是数值模式发展的关键科学和技术问题，不完善的参数化方案可以导致数值天气预报模式和气候预测模式的不确定性。
[0003]目前亚太地区各国气象局(如韩国气象局)多采用WDM7(WRF double
‑
moment 7
‑
class)云微物理方案对强降水进行模拟和预报，对WDM7方案的评估发现，该方案在刻画冰雪粒子的融化过程时误差较大。通过对微物理过程源汇项和降水粒子分布进行分析发现，冰雪粒子融化产生过多的小雨滴，导致融化层附近的雷达反射率急剧减小，与实际雷达观测偏差较大。这是因为现实中融雪极有可能发生粘连，使得体积增大，后向散射增强。而WDM7方案简化了融化过程，认为冰雪粒子数量与融化产生的云雨粒子数量相等，导致融化后产生的小雨滴偏多，雷达反射率异常减小。因此提出一种基于雷达观测物理约束数值模式的天气预报改进方法。<br/>
技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于雷达观测物理约束数值模式的天气预报改进方法，解决了现有的微物理方案简化了冰雪融化过程，认为冰雪粒子数量与融化产生的云雨粒子数量相等，导致融化后产生的小雨滴偏多，反射率异常减小的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于雷达观测物理约束数值模式的天气预报改进方法，包括以下步骤：
[0006]S1：确定严格约束因子m1和m2，如下式：
[0007][0008]其中ΔZ1和ΔZ2分别是历史雷达观测的和原始天气预报模式模拟的在融化层附近的雷达反射率变化值，k1和k2是与不同天气系统有关的常数，对于台风而言k1通常取0.006，k2通常取0.001；
[0009]S2：修正融雪产生的雨滴数量，对于WDM7方案如下式：
[0010][0011]S3：修正云冰到雪的自动转换速率，对于WDM7方案如下式：
[0012][0013]特别的，所述S2与S3中nr和qr为雨滴数浓度和混合比，qi和qs分别为冰、雪的混合比，Tc为开尔文温度，T
0c
为零度温度(273.15K)，Δt为时间步长，q
i0
与空气密度有关：8
×
10
‑
5/ρ
air
(kg kg
‑1)。
[0014]特别的，所述S1约束因子m1和m2的数值为可变数值，随着雷达观测的在融化层附近的反射率变化值ΔZ1和原始天气预报模式模拟的在融化层附近的反射率变化值ΔZ2的变化而变化。
[0015]特别的，所述S2与S3中通过减少粒子融化的数量来增加融雪产生的雨滴直径，以及考虑到产生的大雨滴的拖曳效应可能会减弱上升气流，从而使得向上输送的小粒子数量减少，进而降低从云冰到雪的自动转化率，以保持模式中不同微物理过程间的整体平衡。
[0016]与相关技术相比较，本专利技术提供的一种基于雷达观测物理约束数值模式的天气预报改进方法具有如下效益：
[0017]本专利技术提供一种基于雷达观测物理约束数值模式的天气预报改进方法，首先，为了改善对冰雪融化过程的模拟，可通过人为减少雪融化产生的雨滴数量，进而增大雨滴尺寸；其次，考虑到更多的大雨滴拖曳会抑制小粒子的向上输送，导致高云中冰晶的数量减少，比如台风外围螺旋云系明显减弱消散，与实际观测不符，因此还需要人为减小冰雪转化效率。这样，不仅能减少雪融化产生的雨滴数量，还能从源头上减少雪的形成，从而增强暖云过程并减弱冷云过程，有效改善模式模拟效果。在调整这两项微物理过程时，我们引入约束因子m，并通过历史雷达观测来确定约束因子m，进而对微物理过程进行观测约束。相比于传统的雷达资料同化技术，这种微物理约束的方法能够更好地改进模式模拟与预报。
[0018]使得本方法相比于传统的雷达资料同化技术，这种微物理约束的方法能够更好地改进数值模式对台风等灾害性天气的模拟和预报，有效提高了模拟和预报的精确性。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的一种基于雷达观测物理约束数值模式的天气预报改进方法的微物理约束的控制试验和敏感性试验设计方案的流程图。
[0020]图2为本专利技术的一种基于雷达观测物理约束数值模式的天气预报改进方法对亚太地区八个台风模拟的泰勒图。
具体实施方式
[0021]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的具体实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术；基于本专利技术中的实施例，
本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0022]请参阅图1
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2，本专利技术提供一种技术方案：一种基于雷达观测物理约束数值模式的天气预报改进方法，包括以下步骤：
[0023]S1：确定严格约束因子m1和m2，如下式：
[0024][0025]其中ΔZ1和ΔZ2分别是历史雷达观测的和原始天气预报模式模拟的在融化层附近的雷达反射率变化值，k1和k2是与不同天气系统有关的常数，对于台风而言k1通常取0.006，k2通常取0.001；
[0026]S2：修正融雪产生的雨滴数量，对于WDM7方案如下式：
[0027][0028]S3：修正云冰到雪的自动转换速率，对于WDM7方案如下式：
[0029][0030]S2与S3中nr和qr为雨滴数浓度和混合比，qi和qs分别为冰、雪的混合比，Tc为开尔文温度，T
0c
为零度温度(273.15K)，Δt为时间步长，q
i0
与空气密度有关：8
×
10
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5/ρ
air
(kg kg
‑1)。
[0031]S1约束因子m1和m2的数值为可变数值，随着雷达观测的在融化层附近的反射率变化值ΔZ1和原始天气预报模式模拟的在融化层附近的反射率变化值ΔZ2的变化而变化。
[0032]S2与S3中通过减少粒子融化的数量来增加融雪产生的雨滴直径，以及考虑到产生的大雨滴的拖曳效应可能会减弱上升气流，从而使得向上输送的小粒子数量减少，进而降低从云冰到雪的自动转化率，以保持模式中不同微物理过程间的整体平衡。
[0033]本实施方式中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于雷达观测物理约束数值模式的天气预报改进方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：确定严格约束因子m1和m2，如下式：其中ΔZ1和ΔZ2分别是历史雷达观测的和原始天气预报模式模拟的在融化层附近的雷达反射率变化值，k1和k2是与不同天气系统有关的常数，对于台风而言k1通常取0.006，k2通常取0.001；S2：修正融雪产生的雨滴数量，对于WDM7方案如下式：S3：修正云冰到雪的自动转换速率，对于WDM7方案如下式：2.根据权利要求1所述的一种基于雷达观测物理约束数值模式的天气预报改进方法，其特征在于，所述S2与S3中nr和qr为雨滴数浓度和混合比，qi和qs分别为冰、雪的混合比，Tc为开尔文温度，T
0c
为零度温度(273.15K)，Δt为时间步长，q
i0
与...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴祖航，张云，郑鹤鹏，
申请(专利权)人：吴祖航，
类型：发明
国别省市：