用于强对流天气预报的同化地闪转换代理雷达回波的方法

摘要

本发明涉及一种用于强对流天气预报的同化地闪转换代理雷达回波的方法，包括以下步骤：步骤S1：获取地闪资料数据；步骤S2：处理地闪资料数据，并对其进行质量控制；步骤S3：将地闪资料数据转换为三维代理回波；步骤S4：将代理回波同化入三维变分系统，实现对地闪资料数据的同化。所述步骤S1中的获取地闪资料数据的步骤为：步骤S11：选择对流系统开始发生的时刻进行同化时间的设定；步骤S12：提取同化时间段内的地闪资料数据；本发明提供的一种用于强对流天气预报的同化地闪转换代理雷达回波的方法，可以将地闪资料同化入三维变分系统，提高了对强对流系统的临近预报，并可运用于现有三维变分业务系统中。

说明书

技术领域

本发明属于通信领域，具体的是涉及一种用于强对流天气预报的同化地闪转换代理雷达回波的方法。

背景技术

在中小尺度数值预报中，气象工作者们通过资料同化手段将分析资料与观测资料融合来为模式提供初始场，由于计算方法的限制，早期同化的观测资料普遍为常规观测，例如风、温、压、湿等。然而大量研究表明，由于观测资料的单一，用再分析资料和常规观测模拟得到的初始场中所包含的中小尺度信息往往非常有限。随着大气探测的手段越来越丰富，出现了很多非常规观测资料，例如多普勒雷达资料、卫星资料、闪电资料等。这些探测手段得到的探测数据包含有比常规数据更丰富的天气信息，但其中部分并不是常规的气象数据。因此气象工作者们开始大胆尝试着将非常规观测资料同化到模式中，来改善模式的初始场。20世纪70年代中期，由于航天发射遭到雷击，美国率先展开了对雷电信息监测的研究，到目前已经在全国范围内建立了国家闪电定位网(National Lightning Detection Network，NLDN)。其能够实时提供高精度的闪电探测资料，对地闪的监测效率在70％以上。由于闪电监测起步较晚，因而相对于其它大气资料而言，同化闪电定位网资料的相关研究结论也较少。闪电资料的同化难点在于：闪电定位网资料的观测量并不是模式变量，因此在同化前需要建立它与模式变量或相关模式诊断量的联系。目前已有的闪电数据同化方法大致包括两种：(1)将闪电数据作为控制积云对流参数化方案的开关，触发或抑制积云对流参数化方案；(2)通过统计关系将闪电数据转化为模式相关变量，然后间接同化。

目前变分同化方法作为资料同化的主流方法，迅速兴起并成功运用于业务中。目前所应用的四维变分资料同化虽然在一定程度上解决了三维变分中的时间窗和模式约束问题，但其目标函数梯度的计算需要花费巨大的计算量，这使得四维变分资料同化在业务方面的应用受到很大限制。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明旨在提供一种用于强对流天气预报的同化地闪转换代理雷达回波的方法，可以在三维变分系统中实现对地闪资料快速有效的同化，可有效改善强对流天气系统的短临预报。

本发明的技术方案如下：本发明提供了一种用于强对流天气预报的同化地闪转换代理雷达回波的方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取地闪资料数据；

步骤S2：处理地闪资料数据，并对其进行质量控制；

步骤S3：将地闪资料数据转换为三维代理回波；

步骤S4：将代理回波同化入三维变分系统，实现对地闪资料数据的同化。

进一步地，所述步骤S1中的获取地闪资料数据的步骤为：

步骤S11：选择对流系统开始发生的时刻进行同化时间的设定；

步骤S12：提取规定时间段内的地闪资料数据；

进一步地，所述步骤S2中处理地闪资料数据并对其进行质量控制的步骤为：

步骤S21：设定需要转换的地闪资料数据的模拟参数；

步骤S22：将需要转换的地闪资料数据插值到13.5Km网格中。

进一步地，所述步骤S3中将地闪资料数据转换为代理回波的步骤为：

步骤S31：依照公式REFL＝min[40,15+2.5×LTG]，得到垂直柱最大代理回波REFL；其中REFL代表垂直柱最大代理回波，LTG代表所述13.5KM网格中的闪电频数；

步骤S32：将垂直柱最大代理回波分别插值到0.2至16Km的垂直坐标高度 上；

步骤S33：将不同垂直坐标高度上的垂直柱最大代理回波乘以季节廓线因子，得到不同高度上的垂直反射廓线，即三维代理雷达回波。

进一步地，步骤S32中所述的垂直坐标高度包括0.2,0.5,0.75,1,1.25,1.5,1.75,2,2.25,2.5,2.75,3,3.5,4,4.5,5,5.5,6,6.5,7,7.5,8,8.5,9,10,11,12,13,14,15,16。单位Km，共31层。

进一步地，所述步骤S11中同化时刻设定对流系统刚开始发展的时刻。

进一步地，所述步骤S12中提取规定时间段内的地闪资料数据包括闪电编号、闪电发生日期、闪电发生时间以及闪电位置信息；规定时间为同化时刻向前30分钟，向后10分钟，共40分钟。

进一步地，步骤S21中所述的需要转换的地闪资料数据的模拟参数包括模拟区域、水平格距以及垂直层数。

进一步地，步骤S31中所述的闪电频数为40分钟内的闪电次数的累计量。

进一步地，步骤S32中所述的季节廓线因子包括冬季廓线因子和夏季廓线因子。

进一步地，所述冬季廓线因子和所述夏季廓线因子是根据垂直最大代理回波所对应的量级而确定。

本发明提供的一种用于强对流天气预报的同化地闪转换代理雷达回波的方法，可将闪电频数先转换成柱最大代理回波而后再转换为代理回波的垂直廓线；可以将代理回波同化入WRFDA三维变分系统，从而实现对地闪资料的同化。本发明提供的技术方案提高了对强对流系统的临近预报，并可运用于现有三维变分业务系统中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附 图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了本发明实施例用于强对流天气预报的同化地闪转换代理雷达回波的方法的流程图；

图2示出了本发明实施例用于强对流天气预报的同化地闪转换代理雷达回波的方法的同化实验(Exp.Lghtn)与控制实验(Exp.CTL)在不同回波阙值dBZ下的ETS评分对比图；

图3示出了本发明实施例用于强对流天气预报的同化地闪转换代理雷达回波的方法的观测降水图(OBS)、控制试验将水图(Exp.CTL)、同化试验累计预报降水图(Exp.Lghtn)的对比示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的用于强对流天气预报的同化地闪转换代理雷达回波的方法做进一步说明：

参见附图1所示，本发明实施例提供了一种用于强对流天气预报的同化地闪转换代理雷达回波的方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取地闪资料数据；

步骤S2：处理地闪资料数据，并对其进行质量控制；

步骤S3：将地闪资料数据转换为三维代理回波；

步骤S4：将代理回波同化入三维变分系统，实现对地闪资料数据的同化。

本实施例中，所述步骤S1中的获取地闪资料数据的步骤为：

步骤S11：选择对流系统开始发生的时刻进行同化时间的设定；

步骤S12：提取同化时间段内的地闪资料数据；

本实施例中，所述步骤S2中处理地闪资料数据并对其进行质量控制的步骤为：

步骤S21：设定需要转换的地闪资料数据的模拟参数；

步骤S22：将需要转换的地闪资料数据插入到13.5Km网格中。

本实施例中，所述步骤S3中将地闪资料数据转换为代理回波的步骤为：

步骤S31：依照公式REFL＝min[40,15+2.5×LTG]，得到垂直柱最大代理回波REFL；其中REFL代表垂直柱最大代理回波，LTG代表所述13.5Km网格中的闪电频数；

步骤S32：通过垂直柱最大代理回波与垂直反射廓线的比例关系得到垂直反射廓线，即三维代理雷达回波。

本实施例中，所述步骤S11中同化时刻设定为对流系统刚开始发展的时刻

本实施例中，所述步骤S12中提取规定时间段内的地闪资料数据包括闪电编号、闪电发生日期、闪电发生时间以及闪电位置信息；规定时间为同化时刻向前30分钟，向后10分钟，共40分钟。

本实施例中，步骤S21中所述的需要转换的地闪资料数据的模拟参数包括模拟区域、水平格距以及垂直层数。

本实施例中，步骤S31中所述的闪电频数为40分钟内的闪电次数的累计量。

本发明实施例中选取的模式为WRF(version3.6.1)和WRF-3DVAR(version3.6.1)进行模拟和同化。由每6小时更新一次的1°×1°FNL(NCEP Final Analyses)再分析资料提供边界条件，选用一重区域进行模拟。模拟区域的中心位置为(31.87°N，117.2578°E)；水平方向格距为4km，格点数为341×341；垂直方向分为不等距的51层，模式顶层气压为10hPa。时间积分步长为20s。选取的参数化方案见表1。为了检验三维变分同化闪电资料的效果，设计如下两组试验(两组试验均采用相同的试验设置和参数化方案)。

试验一：控制实验(Exp.CTL)。将2009年6月4日18:00的FNL资料经WRF模式预报15小时，即6月5日09:00的预报场作为模式的初始场，不同化闪电资料，直接预报至2009年6月5日20:00。

试验二：同化试验(Exp.Lghtn)。选取第一组试验中09:00的预报场为背景场，运用WRF-3DVAR模块同化09:00闪电代理三维雷达回波。然后将同化得到的分析场做为模式初始场，积分预报至2009年6月5日20:00。

为了更直观地分析最大回波预报效果，将两组试验的回波预报场进行检验。检验的指标选取ETS(Equitable Threat Score)评分。ETS计算公式如下：

其中Fo、Ob、N分别为警报发生格点数、观测发生格点数和总预报次数：

Fo＝H+F，Ob＝H+M，N＝H+F+M+C。

本发明实施例中提供的对比试验总共设置6个回波阈值(10dBZ、15dBZ、20dBZ、25dBZ、30dBZ、35dBZ)进行ETS评分检验，结果参见附图2所示。在低回波阈值10dBZ和15dBZ，控制试验的ETS评分值持续维持在0.1左右，从未超过0.2；而此时同化试验的评分值在初始时刻略低，之后的2至5小时中，随着预报时间的增加，评分值都较稳定的维持在0.3以上。当回波阈值在15dBZ至20dBZ时，有类似上述情况，虽然预报1至4小时内同化试验的ETS评分值有所下降，但依旧可以维持在0.2或0.3以上，高于控制试验；当预报时间大于4小时，同化试验的优势消失。在高回波阈值25dBZ和30dBZ时，两组试验的评分值均较低，但在4小时内，同化试验仍优于控制试验。可见同化试验对回波区域的预报有明显的改善。并且信号的维持的时效性比较好，对于阈值为10dBZ至20dBZ回波的预报时长可以达到6小时，25-35dBZ回波的预报时长也能维持4小时左右。

图3为本发明实施例用于强对流天气预报的同化地闪转换代理雷达回波的方法的观测降水图(OBS)、控制试验将水图(Exp.CTL)、同化试验累计预报降水图(Exp.Lghtn)的对比示意图。

图3(a1)、图3(a2)、图3(a3)为加密的台站观测降水示意图，图3(b1)、图3(b2)、图3(b3)为控制试验预报降水示意图，图3(c1)、图3(c2)、图3(c3)为同化试验预报降水示意图。图中第一行a1、b1、c1为09:00至12:00的三小时累计降水分布；图中第二行a2、b2、c2为12:00至15:00的三小时累计降水分布；图中第三行为09:00至15:00的六小时累计降水分布。由图3(a1)可以看出，前三小时台站观测降水主要覆盖了安徽东北部、江苏、上海及浙江东北区域，三小时最大累计降水量可达40mm左右；控制试验预报的09时至12 时三小时累计降水(图3(b1))较观测偏强，基本大于20mm，除了位于江苏与安徽、浙江交界的雨带，江苏境内没有大面积降水，可见控制试验降水的落区与强度与观测差别明显；用三维变分同化闪电代理回波之后(图3(c1))，在控制试验漏报的江苏省内出现大面积降水，并对江苏与安徽交界处地雨带进行了略微修正，降水的落区准确性明显大幅提高，但同化试验预报三小时累计降水强度基本在50mm以上，较实际观测偏强很多。12:00至15:00观测降水(图3(a2))南移，累计降水量大于10mm的降水带出现在安徽南部以及浙江中部地区；控制试验(图3(b2))预报的累计降水只出现在安徽与浙江交界处，强度相比观测偏强；同化试验(图3(c2))预报的强降水带在江苏西南和浙江北部，且降水量能达到10mm以上，相较于观测，同化试验在12:00至15:00预报累计降水强度偏强，位置偏东。从6小时累积降水来看，观测降水带(图3(a3))主要位于安徽、江苏、上海、浙江中北部，控制试验雨带(图3(b3))主要在安徽、江苏和浙江三省的交界处。相比于观测，控制试验的六小时累计降水漏报区域较大，且强度偏强。而同化试验(图3(c3))对江苏境内的雨带进行了一定程度的修正，但强度偏强，且整体降水带相较于实际观测偏东。总体来说，经三维变分方法同化闪电资料后，预报降水落区的准确性大幅度提高，但强度偏强，需要经一步改进。

为了更精确的分析两组试验预报降水的能力，本发明实施例引入的降水检验标准包括预报偏差Bias、命中率POD、预警率FAR、TS1评分、TS2评分、TS评分。用于检验两组试验的降水预报效果的检验标准计算公式及说明如下。表中公式所涉及参数H、F、M的说明见表2。本发明实施例设置1mm和10mm两组阈值，利用表3的公式来检验两组试验的降水预报效果，评分结果见表4。

表1

表2

表3

针对Bias，当降水阈值为10mm时，控制试验在12:00至15:00和09:00至15:00累计降水预报偏差分别为0.97和1.03，相比同化试验的1.20和2.32更接近于1，其余结果均是同化试验优于控制试验。针对POD，当降水阈值为10mm时，控制试验在12:00至15:00的POD为0.25，略高于同化试验的0.13，其余结果均是同化试 验优于控制试验。针对FAR，除了阈值为1mm时，控制试验略优于同化试验，其余各组评分结果均是同化试验误警率更高。因此可见，预报发出过多警报会使POD上升，但同时造成FAR偏高的结果，因此利用TS1评分代表POD和FAR对降水落区评分的综合效应。观察6组TS1评分结果，除了在阈值为10mm、12:00至15:00时，控制试验的0.15略高于同化试验的0.06，其余结果均是同化试验优于控制试验。基于上述结果，可见虽然同化试验误发警报的次数较多，但总的来说同化试验对降水落区的预报要优于控制试验。

以上评分结果均是针对降水落区预报，但除了落区预报之外，降水量的预报准确率也是我们衡量模式对降水预报能力的关键。因此引入了针对降水量预报准确率的评分标准TS2和降水落区与降水量综合评分标准TS。观察表4.3可以发现，阈值为1mm时，相比于控制试验的降水量预报效果，同化试验略有改善；而阈值为10mm时，两组试验对降水量的预报效果均不佳。阈值为1mm时，同化试验的TS评分大于等于控制试验，降水预报效果显著提升；阈值为10mm时，0至3小时和0至6小时的降水预报效果也略有提升。

综合上述分析可以看出，对于降水落区的预报，同化试验在两组阈值的评分结果明显优于控制试验；对于降水量的预报，同化试验偏高，控制试验偏低，同化试验相比控制试验略有改善；对于二者的综合预报效果，0至3和0至6小时的同化试验改善明显，3至6小时几乎没有改进。

本发明首先将安徽省闪电定位观测网所探测到的地闪资料转化为三维代理雷达回波，再利用WRF模式的三维变分模块同化闪电代理三维雷达回波。本章节中设计了两组试验，一组是用再分析资料直接预报即控制试验，另一组是同化09:00地闪资料。初步得到以下结论：

(1)通过三维变分方法同化闪电代理回波，背景场中的水平风场、垂直风场、扰动位温、扰动气压、水汽混合比、雨水混合比、云水混合比都得以调整和更新，从而很好地改进了初始场中的强对流信息。因此在模拟结果中，预报回波和预报累计降水都迅速向观测场逼近。与控制试验相比，同化试验改善效果非 常明显。

(2)同化后，最大回波预报时效在5小时以上，但随着预报时间的增加，同化试验的强回波落区相比观测略有偏差，如需将此方法用到业务中，建议引入风场资料对风场结构进行调整，或者可以采用循环同化的方式，通过不断加入观测资料来补充初始场中的对流信息。

(3)同化闪电资料可有效改进临近降水落区预报，对降水的临近预报可提供很好的参考。但对于降水强度严重高估，如何改善同化手段，使各模式变量取得更好协调，让预报的降水强度更接近大气真实情况有待进一步探究。

通过上述结论可知，本发明实施例提供的一种用于强对流天气预报的同化地闪转换代理雷达回波的方法，将代理回波同化入WRFDA三维变分系统，实现对地闪资料的同化后的实验相对于控制实验提高了对强对流系统的临近预报，并可运用于现有三维变分业务系统中。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。