[發(fā)明專利]一種應(yīng)用于降雨預(yù)報的數(shù)據(jù)同化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911195801.7
• 申請日: 2016-07-20
• 公開（公告）號: CN110927827B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉佳;李傳哲;田濟揚;邱慶泰;王洋
• 申請（專利權(quán)）人: 中國水利水電科學(xué)研究院
• 主分類號: G01W1/10
• 分類號: G01W1/10
• 代理公司: 成都余行專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51283
• 代理人: 邢智勇

本發(fā)明涉及一種判斷降雨預(yù)報數(shù)據(jù)同化方案優(yōu)劣的方法，其包括以下步驟：數(shù)據(jù)同化方案的選取；多源氣象信息數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建；多源氣象信息數(shù)據(jù)同化；判斷數(shù)據(jù)同化方案優(yōu)劣。本發(fā)明從不同氣象信息的優(yōu)點和缺點角度出發(fā)，提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的多源氣象信息數(shù)據(jù)同化方法，不僅可以提高降雨預(yù)報的精度，較大程度的簡化數(shù)據(jù)同化過程，而且增加多源氣象信息可以彌補不同氣象數(shù)據(jù)的不足，充分發(fā)揮各類數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，使數(shù)據(jù)同化的結(jié)果更加可靠，為氣象、水利等有關(guān)部門提供合理的數(shù)據(jù)同化方案，具有普遍適用性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及數(shù)值降雨預(yù)報和數(shù)據(jù)同化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多源氣象信息數(shù)據(jù)同化方法及其在降雨預(yù)報中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

降雨事件水平空間尺度很小，又具有隨機性和突發(fā)性，因此數(shù)值降雨預(yù)報是數(shù)值天氣預(yù)報的難點，特別是針對強度大歷時短的暴雨，很難獲得具有一定精度的預(yù)報結(jié)果。

數(shù)據(jù)同化是將不同時刻、不同類型、不同來源、不同分辨率的氣象數(shù)據(jù)以及背景場生成時間、空間和物理一致性的數(shù)據(jù)集，在提高數(shù)值大氣預(yù)報精度方面，特別是降雨預(yù)報，有非常重要的作用。

目前同化單一種類數(shù)據(jù)的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，并能判斷其同化效果的優(yōu)劣，但對多種數(shù)據(jù)同時同化的情況較少，也沒有一種衡量和選取同化數(shù)據(jù)的方法。這使數(shù)據(jù)同化具有很大局限性，不能完全體現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，使同化結(jié)果更優(yōu)。目前應(yīng)用廣泛且效果較好的數(shù)據(jù)同化方法有三維變分?jǐn)?shù)據(jù)同化和集合卡爾曼濾波法。

三維變分同化的本質(zhì)是求解一個分析變量，使得一個衡量分析變量與背景場和觀測場之間距離的目標(biāo)泛函達到極小值。該目標(biāo)泛函可由下式表示：

其中X為所求的數(shù)值預(yù)報模式初始狀態(tài)的最優(yōu)解；X_b為背景場；B為背景場誤差協(xié)方差矩陣；Y₀為觀測向量；H為觀測算子，將模式變量由模式空間投影到觀測空間；R為觀測誤差協(xié)方差矩陣，R＝E+F，E為儀器觀測誤差協(xié)方差矩陣，F(xiàn)為觀測代表性誤差協(xié)方差矩陣，三維變分同化能夠體現(xiàn)復(fù)雜的非線性約束關(guān)系。由于可以使用復(fù)雜的觀測算子，因而更有利于同化與模式變量有非直接或非線性相關(guān)的觀測資料。

集合卡爾曼濾波法用集合的思想解決了實際應(yīng)用中背景誤差協(xié)方差矩陣的估計和預(yù)報困難的問題，可用于非線性系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同化，同時降低了數(shù)據(jù)同化的計算量。集合卡爾曼濾波包含預(yù)測和更新兩個步驟：

(1)預(yù)測：

式中，是k時刻第i個集合的狀態(tài)分析值，是k+1時刻狀態(tài)預(yù)測值，M_k,k+1是k時刻到k+1時刻狀態(tài)變化關(guān)系，w_i,k是模型誤差。

(2)更新：,

其中式中，是第i個集合在k+1時刻的狀態(tài)分析值，K_k+1是增益矩陣，是k+1時刻的觀測數(shù)據(jù)，H_k+1是k+1時刻的觀測算子，v_ik是觀測誤差，是所有集合的分析值，是預(yù)測誤差方差矩陣，是分析場誤差方差矩陣。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明設(shè)計了一種多源氣象信息數(shù)據(jù)同化方法及其在降雨預(yù)報中的應(yīng)用，綜合考量了常規(guī)觀測數(shù)據(jù)和非常規(guī)觀測數(shù)據(jù)的優(yōu)點和缺點，其解決的技術(shù)問題是如何選取不同種類的數(shù)據(jù)，發(fā)揮多源氣象信息優(yōu)勢，使多源數(shù)據(jù)同化的效果更優(yōu)，從而提高降雨的預(yù)報精度。

為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明采用了以下方案：

一種多源氣象信息數(shù)據(jù)同化方法，包括以下幾個步驟：

步驟1、數(shù)據(jù)同化方法的選取；

步驟2、構(gòu)建多源氣象信息數(shù)據(jù)庫；

步驟3、對多源氣象信息進行數(shù)據(jù)同化；