一种反射率因子反演的垂直速度的三维变分同化方法技术

本发明专利技术涉及一种反射率因子反演的垂直速度的三维变分同化方法，该方法包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
一种反射率因子反演的垂直速度的三维变分同化方法


[0001]本专利技术涉及天气预报领域，尤其涉及一种反射率因子反演的垂直速度的三维变分同化方法。

技术介绍

[0002]在中尺度数值天气预报领域，更高的模式分辨率(云解析尺度)与包含足够中小尺度信息的初始场是提高预报效果的重要方式。Doppler天气雷达作为模式初始场中小尺度信息的重要观测来源，其同化可在一定程度上减少模式的spin
‑
up时间，在天气预报、特别是短时临近预报中发挥着重要且不可替代的作用(孙娟珍,陈明轩,范水勇(2016),雷达资料同化方法:回顾与前瞻,气象科技进展,(3):11)。
[0003]Doppler天气雷达可以获取径向速度和反射率因子观测。其中反射率因子包含水凝物及水汽信息，三维变分同化系统中可以通过直接同化(Xiao,Q.,and J.Sun(2007),Multiple
‑
radar data assimilation and short
‑
range quantitative precipitation forecasting of a squall line observed during IHOP_2002.Mon.Wea.Rev.,135,3381
–
3404)或间接同化(Wang,H.,J.Sun,S.Fan,and X.
‑
Y.Huang(2013),Indirect assimilation of radar reflectivitywith WRF 3D
‑
Var and its impact on prediction of four summertime convectiveevents.J.Appl.Meteorol.Climatol.,52,889
–
902)改善初始场中的水凝物、云内水汽等模式变量，在业务数值预报系统中广泛用于初始化高分辨率对流预报。然而，同化天气雷达资料时如果只对水凝物、水汽调整，不调整动力场的话，模式初始场就会缺乏不同状态变量间的微物理、动力一致性，从而导致初始场中形成的雨水在模式积分初期很快降落，导致后续模式无水可降。由于径向风包含大气动力场信息，是某一方向的风分量，因此可以结合反射率因子同化产生动力、微物理场更加协调的分析场，从而获得更好的预报效果(Xiao,Q.,and J.Sun(2007),Multiple
‑
radar data assimilation and short
‑
range quantitative precipitation forecasting of a squall line observed during IHOP_2002.Mon.Wea.Rev.,135,3381
–
3404)。同时，还可以通过同化反射率因子得到的潜热(Liu,Y.,T.T.Warner,J.F.Bowers,et al.(2008),The operational mesogamma
‑
scale analysis and forecast system of the U.S.Army Test and evaluation command.Part I:overview of the modeling system,the forecast products,and how the products are used.J Appl Meteor Climatology,47:1077
–
1092)来获得微物理
‑
热力场更加协调的初始场。此外，较强的垂直速度是中尺度天气系统的主要特征之一，是中尺度系统发展及维持的重要因素。在对流尺度数值预报中，Doppler天气雷达反演的水凝物、水汽信息同化后，垂直运动对于初始时刻形成的云及预报降水的维持至关重要，可以减少模拟对流的动力spin
‑
up时间。而对于深对流造成的强天气预报，特别是对天气外强迫较弱的深对流强天气预报，模式初始场的spin
‑
up时间更显得重要。因此，如果在初始场中同化垂直速度或有助于模式动力场的初始化。
[0004]由于反射率因子大小是对流天气系统发展强弱的指示，因此它不仅包含微物理过
程(水凝物信息)，还包含云内的动力过程(云内垂直速度信息)。根据云内垂直速度的构造方法(Yuter,S.E.,and R.A.Houze(1995)，Three
‑
dimensional kinematic and microphysical evolution of Florida cumulonimbus.Part II:Frequency distributions of vertical velocity,reflectivity,and differential reflectivity.Monthly Weather Review,123,1921
–
1940)，通过雷达反射率因子可以进一步构造云内垂直速度观测(刘红亚等(2010),三维变分同化雷达资料暴雨个例试验,气象学报,68(6):779
–
789)，然后通过同化垂直速度为初始场提供更多的动力场信息。然而刘红亚等(2010)使用的垂直速度反演公式中假设了对流区域最大垂直速度出现在相同高度，即6km处。然而，实际上在对流系统不同的生命阶段，最大垂直速度所在的高度总是不同的(Schumacher,C.,S.N.Stevenson,and C.R.Williams(2015),Vertical motions of the tropical convective cloud spectrum over Darwin,Australia.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society,141,2277
–
2288)。此外，前期对最大垂直速度所在高度的敏感性试验表明：垂直速度同化对对流尺度降水预报的影响显著受最大垂直速度所在高度的影响。考虑到三维变分同化的目的是在背景场基础上增加满足物理约束的增量，同化具有与背景场相似统计特征的观测更有可能产生平衡的分析场。因此，基于背景场的统计特征确定垂直速度反演公式中的参数具有其合理性。
[0005]三维变分同化方法因其计算代价小、易于添加非线性物理约束等优点，在业务天气预报中广泛应用。基于三维变分的原理，要想直接同化垂直速度，一种方法是将垂直速度作为表征大气状态的控制变量，该方法只需要提前统计包含垂直速度控制变量的背景误差协方差；但这种同化方式缺乏分析时刻垂直速度与模式其他变量的物理约束，很容易产生高频噪音，导致模式积分不稳定。另一种方法是采用物理约束的观测算子来建立模式变量与垂直速度观测之间的物理转换(例如质量连续方程与理查森方程)。其中，以融合了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种反射率因子反演的垂直速度的三维变分同化方法，包括以下步骤：
⑴
由Doppler天气雷达反射率因子观测结合模式背景场垂直速度统计特征反演代理垂直速度观测w；
⑵
利用绝热的理查森方程作为物理转换观测算子同化代理垂直速度观测，该同化代理垂直速度观测由代价函数J及其梯度值构成；
⑶
通过三维变分极小化过程不断重复步骤
⑵
，得到使得梯度获得极小值的控制变量cv，然后根据分析增量δx，通过控制变量的水平、垂直及物理转换得到这一同化时刻的分析增量δx，进而获得最终的分析场。2.如权利要求1所述的一种反射率因子反演的垂直速度的三维变分同化方法，其特征在于：所述步骤
⑴
中反演代理垂直速度观测w按下式计算：式中：Z为反射率因子，单位dBZ；e≈2.71828；λ决定垂直速度反演值主要分布的高度范围，单位km；h为反射率因子观测所在的海拔高度，单位km；h0为最大垂直速度所在的高度，单位km；所述h0的确定方法是针对某一分析时刻，统计背景场模式格点组合反射率因子大于35dBZ的平均垂直速度廓线，将该廓线垂直速度最大值所在的高度作为该分析时刻用于反演垂直速度的参数h0即可；所述λ的确定方法是以h0向上、向下分别找到平均垂直速度第一次为0的高度，用2个高度的差除以20作为参数λ。3.如权利要求1所述的一种反射率因子反演的垂直速度的三维变分同化方法，其特征在于：所述步骤
⑵
中代价函数J的表达式为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨毅，李红，甘茹蕙，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：