一种基于尺度化集合变换的混合扰动方法技术

本发明专利技术涉及一种基于ETR的混合扰动方法，包括如下步骤：Ⅰ）每隔一段时间一次从网上下载最近的集合预报数据，通过对所述集合预报数据进行统计，以设定ETR的初始集合成员与尺度化系数；Ⅱ）设定繁殖过程中的循环的时间间隔与周期T；Ⅲ）通过敏感性实验以及根据使用者的运行环境确定不同类型风暴中能够快速增长的扰动的波长范围；Ⅳ）在确定了最优繁殖周期和最优扰动波长段后，得到滤波后的初始集合；Ⅴ）根据所述设定的循环间隔，使用所述初始集合进行集合预报，使用ETR技术和最优扰动波长更新集合，直至完成所述设定的繁殖周期；Ⅵ）进行blending混合，得到初始扰动ICblend。有益效果为：能够有机的结合大尺度扰动结构和区域集合预报系统中的小尺度扰动结构，并且使集合成员的扰动信息与侧边界扰动互相匹配。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及气象预报领域，尤其设及一种基于ETR的混合扰动方法。
技术介绍
过去的一系列研究表明，风暴尺度集合预报是可行和有效的，但是目前各风暴尺 度集合预报系统的扰动方法还有待完善。如美国风暴分析和预报中屯、（CAP巧的风暴尺度 集合预报系统，通过提高成员数和分辨率能够提高预报评分，但是其集合扰动方案是固定 的，即各集合成员的初值扰动采用固定的扰动振幅，并且与特定的物理方案匹配；部分集合 成员的侧边界条件由NAM模式短期预报提供，成员间相同的侧边界条件将在一定程度上限 制离散度的发展；另一方面，该系统未考虑侧边界扰动与初值扰动间扰动尺度的不匹配问 题。上述典型问题在各风暴尺度集合预报系统中均有所体现，初值扰动、物理（参数）扰 动、侧边界扰动与初值扰动间的有机结合问题均对于风暴尺度集合预报的成功与否起到关 键作用。 由于初始误差随时间的演变在斜压不稳定和对流不稳定中具有显著地差异，中期 集合扰动方法构造的初始扰动无法在对流系统中快速的增长，也即初始扰动结构与风暴系 统的发展不相适应，进而导致集合成员离散度低于合理的水平；另一方面，风暴尺度的初值 扰动和侧边界扰动的尺度不相适应也将限制初始扰动和集合离散度的增长。多物理过程和 多模式集合有助于改善离散度问题，但是模式的微物理方案中的降水预报变量和微物理过 程的阔值条件判断是不同的，对降水强度和落区范围预报均有显著地影响，针对实时发生 的不同类型风暴系统，采用固定不变的集合配置组合性地选取不同模式微物理方案是盲目 的。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服W上现有技术之不足，提供一种基于ETR的混合扰动方法， 具体有W下技术方案实现： 所述基于ETR的混合扰动方法，包括如下步骤： I)每隔一段时间一次从网上下载最近的集合预报数据，通过对所述集合预报数 据进行统计，W设定ETR的初始集合成员与尺度化系数； II)设定繁殖过程中的循环的时间间隔与周期T;[000引III)通过敏感性实验W及根据使用者的运行环境确定不同类型风暴中能够快速 增长的扰动的波长范围； IV)在确定了最优繁殖周期和最优扰动波长段后，基于ETR技术和谐波分析与谱 分析的混合技术得到滤波后的初始集合； V)根据所述设定的循环间隔，使用所述初始集合进行集合预报，在每个循环中 使用ETR技术和最优扰动波长更新集合，直至完成所述设定的繁殖周期； /1)根据1(；16。<1=3-1?15。+沪。进行61611山叫混合后，得到初始扰动1(\16。<1，其中， ICbkw是混合后的初始扰动结构，R是区域扰动结构，Rise是区域集合预报较大尺度的扰动 结构，Gisp是全球集合预报较大尺度的扰动结构。 所述基于ETR的混合扰动方法的进一步设计在于，所述步骤I)中下载集合预报 数据，仅需下载最新一个时次的21个成员的数据W及从预报时刻的当前时次的集合成员。[001引所述基于ETR的混合扰动方法的进一步设计在于，所述步骤I)中，设定ETR的尺 度化系数丫，包括如下步骤： 首先设定参考均方根误差0，水平风分量U、V的均方根误差为4m/s，温度T的误 差为3K，水汽的误差为0. 5g/kg; 接着，根据式（1)，设定当U、V、T、Q变量的集合离散度大于其对应的0时，丫 = 0/spread;当该些变量的spread小于0时，丫 = 1， (1)。 所述基于ETR的混合扰动方法的进一步设计在于，所述繁殖的周期的确定；当对 流区域区域平均的spread不再增长的时候，从该一时刻上溯至加入扰动的时刻，该一段时 间设定为为繁殖的周期。 所述基于ETR的混合扰动方法的进一步设计在于，所述步骤II)中，设置繁殖过程 中的循环的时间间隔：当有观测的时候，W时间频率最高的观测的时间间隔作为循环的时 间间隔；当没有观测的时候，W模式的集合平均作为观测，执行ET(ensembletransform)。 所述基于ETR的混合扰动方法的进一步设计在于，所述步骤II)中，最小循环间隔 设定为5分钟，当观测间隔小于5分钟时，W5分钟为间隔运行集合预报和ETR操作。 所述基于ETR的混合扰动方法的进一步设计在于，所述步骤III)中，扰动的波长范 围的确定包括如下步骤： 1)进行二维功率谱分析，得到初始集合成员的平均场在各个高度层下每一个变量 的功率谱，然后按功所述率贡献的大小从大到小进行排序； 2)接着，按照1)中从大到小的顺序，将每一个波长对应的贡献进行累加，当累加 值达到设定值N时，停止累加，将剩余的没有被用于累加的波长标记为小功率的波长，其中 N为自然数，且自然数70<N<90。 所述基于ETR的混合扰动方法的进一步设计在于，所述步骤IV)中具体包括；先对 每个集合成员执行ETR，并在ETR结束后，将所述标记的波长的傅立叶系数设为0,通过傅立 叶逆变换得到滤波后的初始集合成员，最终得到滤波后的初始集合，接着在数值模式下使 用初始集合进行数值预报。 所述基于ETR的混合扰动方法的进一步设计在于，所述步骤VI)中，数据集Gisp通 过对fisp的数据进行插值，插值到步骤V)中所述集合预报的网格上得到，所述G"sp通过 Barns滤波滤除集合预报中小于4倍格距的波动得到。 本专利技术的优点如下： 本专利技术能够有机的结合大尺度扰动结构和区域集合预报系统中的小尺度扰动结 构，并且使集合成员的扰动信息与侧边界扰动互相匹配。大尺度扰动代表大范围大气环 境的不确定性，为小尺度扰动提供不同的发展条件；小尺度扰动能够代表对流天气系统中 的随机不确定性。有机结合该两种尺度的扰动能够是集合预报系统全面、充分的反映大 气的多尺度不确定性，使小尺度扰动不会因相同的发展环境而最终趋于雷同。由于集合 扰动中包含了大尺度的扰动信息，而该个大尺度的扰动与侧边界条件所用的数据同源，因 此不存在不协调（如变量在边界梯度较大、切变较大）的问题，能够有效减小预报初始化 (spin-up)的时间。【具体实施方式】 下面对本专利技术方案进行详细说明。[002引本专利技术的基于ETR的混合扰动方法，具体包括如下步骤： I)每隔一段时间一次从网上下载最近的集合预报数据，通过对所述集合预报数 据进行统计，W设定ETR的初始集合成员与尺度化系数。 II)设定繁殖过程中的循环的时间间隔与周期T。 III)通过敏感性实验W及根据使用者的运行环境确定不同类型风暴中能够快速 增长的扰动的波长范围。 IV)在确定了最优繁殖周期和最优扰动波长段后，基于ETR技术和谐波分析与谱 分析的混合技术得到滤波后的初始集合。 V)根据所述设定的循环间隔，使用所述初始集合进行集合预报，直至完成所述 设定的繁殖周期。 VI)根据ICbiend=R-Risp+Gisp进行blending混合后，得到初始扰动ICbiend，其中， ICbkw是混合后的初始扰动结构，R是区域扰动结构，Rise是区域集合预报较大尺度的扰动 结构，Gisp是全球集合预报较大尺度的扰动结构。 W下给出一具体实施例： (I. 1)首先进入http://nomads.ncdc.noaa.gov/data.php?name=access，查 找GENS@NCDC的002格式的集合预报数据，水平分辨率r，点击FTP或HT本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ETR的混合扰动方法，其特征在于包括如下步骤：Ⅰ)每隔一段时间一次从网上下载最近的集合预报数据，通过对所述集合预报数据进行统计，以设定ETR的初始集合成员与尺度化系数；Ⅱ)设定繁殖过程中的循环的时间间隔与周期T；Ⅲ)通过敏感性实验以及根据使用者的运行环境确定不同类型风暴中能够快速增长的扰动的波长范围；Ⅳ)在确定了最优繁殖周期和最优扰动波长段后，基于ETR技术和谐波分析与谱分析的混合技术得到滤波后的初始集合；Ⅴ)根据所述设定的循环间隔，使用所述初始集合进行集合预报，在每个循环中使用ETR技术和最优扰动波长更新集合，直至完成所述设定的繁殖周期；Ⅵ)根据ICblend＝R‑Rlsp+Glsp进行blending混合后，得到初始扰动ICblend，其中，ICblend是混合后的初始扰动结构，R是区域扰动结构，Rlsp是区域集合预报较大尺度的扰动结构，Glsp是全球集合预报较大尺度的扰动结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王世璋，闵锦忠，王勇，乔小湜，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32