[发明专利]一种用于雷达资料高频同化的Nudging逼近多时刻3DVar分析场方法

说明书

本发明涉及一种用于雷达资料高频同化的Nudging逼近多时刻3DVar分析场方法，该方法包括以下步骤：⑴假设模式在0000 UTC冷启动，以模式经过spin‑up预报后的多时刻预报场为背景场，分别用3DVar方法同化相应时刻的雷达观测资料，得到15 min间隔的分析场；⑵将15 min间隔的分析场中的格点资料从4km网格稀释到16 km网格上，然后将相应时刻雷达观测组合反射率大于等于15 dBZ的点的水平风、温度和相对湿度值以探空资料的格式写出，作为代理探空观测；⑶将代理探空观测的资料通过观测Nudging方法同化到数值预报模式中，然后继续预报得到预报场；⑷对预报场进行预报检验。本发明合理有效，可以更好地利用高分辨率雷达资料，减少高频循环同化虚报的降水，提高强对流天气的预报水平。

技术领域

本发明涉及气象数据处理方法，尤其涉及一种用于雷达资料高频同化的Nudging逼近多时刻3DVar分析场方法。

背景技术

强对流天气的发生往往伴随着闪电、雷暴、大风、冰雹、短时强降水等灾害性天气，极大地影响人类生产生活和社会经济。但因其生命史短暂、空间尺度小、局地性强、突发性强、发展演变迅速、破坏性大，对此类事件的准确预报一直是个难题。雷达可用于监测中小尺度对流活动的发生和发展，雷达资料同化也是一种非常有用的方法，可以提高初始条件的准确性，从而改善强对流天气预报。

三维变分（3DVar）方法可以直接同化常规观测和非常规观测资料（如雷达、卫星资料）。大量研究表明，使用3DVar方法同化雷达资料可以显著改善对流降水预报(Xiao andSun2007; Yang et al., 2009; Abhilash et al.2012; Zhao et al.2012; Maiello etal.2014; Vendrasco et al., 2016; Sun et al., 2016; Tong et al., 2016; Gao etal., 2018)。由于大多数中尺度过程发展非常迅速，小的时间和/或相位误差可以导致大的增量，而3DVar作为一种间歇性的资料同化方法，用该方法在分析时刻正确地消化这些大的增量（冲击）以产生精确、平衡的分析可能会存在问题。Vendrasco et al.（2016）经验地认为使用3DVar技术同化雷达资料可能会产生大的风增量和虚假的降水，这种行为的原因之一可能是在初始场中缺乏适当的平衡。由雷达径向风同化引起的风增量在对流尺度上不受其他场的平衡，可能包含显著的噪声，这些噪声可能会污染大尺度平衡。其他一些研究也表明，使用3DVar方法同化雷达资料可能会产生虚假降水和较大的降水位置与量级的偏差(例如Sun et al., 2016; Tong et al., 2016; Federico et al.2019; Lin et al.,2021)。而高频循环同化可能会使这些问题变得更加严重，因为误差和噪声会在循环中不断累积，最终影响模式预报的效果。

Reen（2007）研究指出，3DVar方法往往会产生噪声，可以使用数字滤波器（Lynch,1993）来消除。一些研究采用数字滤波初始化（digital filter initialization, DFI）技术来减小初始场的高频振荡，但是，DFI也可以去除真实的大气特征，并且只有在同化过程结束之后才能实施。Lee et al.（2006）使用增量分析更新（incremental analysisupdate, IAU; Bloom, 1996）技术，通过在预报期间逐步添加分析增量，有效降低了3DVar系统产生的初始噪声和湿度spin-up。然而，IAU方法并不能消除分析场的噪声，而是通过在预报期间逐步添加增量来减小噪声的影响。Vendrasco et al.（2016）在WRF模式3DVar系统的成本函数中添加大尺度分析约束来减小初始场的不平衡，取得了一定的效果。虽然四维变分（4DVar）可以通过对数值模式的约束得到更好的平衡分析，但由于其计算成本过高，在业务系统中应用并不广泛。