[發(fā)明專利]一種基于集合資料同化技術的初始擾動方法

有效

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• 申請日: 2015-07-17
• 公開（公告）號: CN104992071B
• 公開（公告）日: 2018-07-13
• 發(fā)明（設計）人: 閔錦忠;王世璋;王勇
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01W1/10
• 分類號: G01W1/10
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 張立榮

本發(fā)明涉及一種基于集合資料同化技術的初始擾動方法，包括如下步驟：1）將擾動信息構造WRFDA 3D?Var的三個集合分量，通過迭代的方法極小化代價函數(shù)來獲取統(tǒng)計最優(yōu)的真實大氣狀態(tài)的估計值X；2）設定不相關的全球集合預報初始條件，形成新的代價函數(shù)，3）在WRF3DVAR同化系統(tǒng)中加入新觀測；4）從ECMWF的全球尺度集合預報中提取多個包含各個氣象要素的垂直廓線；5）為每個集合成員都運行所述新觀測的WRF3DVAR同化系統(tǒng)，同化觀測集合和大尺度模式場的集合，生成進行集合預報的最終集合成員。有益效果為：采用集合變分同化方法得到的集合成員能夠將風暴尺度和大尺度的擾動信息有機地結合起來，代價函數(shù)以模式為動力約束，使得集合擾動具有物理和動力的協(xié)調性，并且使初始擾動和側邊界擾動相互協(xié)調一致。

技術領域

本發(fā)明涉及氣象預報，尤其涉及一種基于集合資料同化技術的初始擾動方法。

背景技術

過去的一系列研究表明，風暴尺度集合預報是可行和有效的，但是目前各風暴尺度集合預報系統(tǒng)的擾動方法還有待完善。如美國風暴分析和預報中心(CAPS)的風暴尺度集合預報系統(tǒng)，通過提高成員數(shù)和分辨率能夠提高預報評分，但是其集合擾動方案是固定的，即各集合成員的初值擾動采用固定的擾動振幅，并且與特定的物理方案匹配；部分集合成員的側邊界條件由NAM模式短期預報提供，成員間相同的側邊界條件將在一定程度上限制離散度的發(fā)展；另一方面，該系統(tǒng)未考慮側邊界擾動與初值擾動間擾動尺度的不匹配問題。上述典型問題在各風暴尺度集合預報系統(tǒng)中均有所體現(xiàn)，初值擾動、物理(參數(shù))擾動、側邊界擾動與初值擾動間的有機結合問題均對于風暴尺度集合預報的成功與否起到關鍵作用。

由于初始誤差隨時間的演變在斜壓不穩(wěn)定和對流不穩(wěn)定中具有顯著地差異，中期集合擾動方法構造的初始擾動無法在對流系統(tǒng)中快速的增長，也即初始擾動結構與風暴系統(tǒng)的發(fā)展不相適應，進而導致集合成員離散度低于合理的水平；另一方面，風暴尺度的初值擾動和側邊界擾動的尺度不相適應也將限制初始擾動和集合離散度的增長。多物理過程和多模式集合有助于改善離散度問題，但是模式的微物理方案中的降水預報變量和微物理過程的閾值條件判斷是不同的，對降水強度和落區(qū)范圍預報均有顯著地影響，針對實時發(fā)生的不同類型風暴系統(tǒng)，采用固定不變的集合配置組合性地選取不同模式微物理方案是盲目的。

發(fā)明內容

本發(fā)明目的在于克服以上現(xiàn)有技術之不足，提供一種基于集合資料同化技術的初始擾動方法，具體有以下技術方案實現(xiàn)：

所述基于集合資料同化技術的初始擾動方法，基于WRF3DVAR同化系統(tǒng)，包括如下步驟：

1)將擾動信息構造WRF3DVar的三個集合分量：擾動的觀測集合、來自于風暴尺度集合預報短期預報的背景條件集合以及以觀測形式被同化的全球集合預報初始條件集合，通過迭代的方法極小化代價函數(shù)來獲取統(tǒng)計最優(yōu)的真實大氣狀態(tài)的估計值X，X的代價函數(shù)J如式(1)所示，

其中，J表示代價函數(shù)，B表示背景誤差協(xié)方差，R表示被觀測誤差協(xié)方差，y^O表示觀測，表示模式對y^O的預報；

2)設定不相關的全球集合預報初始條件，則新的代價函數(shù)將表示為：

其中，X_ls表示準觀測矩陣，為X_ls的經過去相關處理的矩陣，下標i表示第i個集合成員X_i即第i個集合成員的預報場，H是將X_i插值到格點上的線性算子，R^*為單位矩陣。

3)在WRF3DVAR同化系統(tǒng)中加入新觀測，代價函數(shù)J_c如式(3)所示，新觀測的梯度▽J_c如式(4)所示，