[发明专利]一种通过同化闪电资料改进强对流预报的方法

说明书

本发明涉及一种通过同化闪电资料改进强对流预报的方法，该方法包括以下步骤：⑴建立闪电频数和最大垂直速度之间的观测算子；⑵提取同化时刻前20分钟的闪电资料，将闪电资料转化为1 km的网格上的最大垂直速度，然后将该1 km的最大垂直速度分配到数值模式网格上；⑶根据GGF方法，利用背景场计算得到各个变量的垂直局地化函数；⑷利用集合均方根滤波方法，结合垂直局地化函数同化代理最大垂直速度，循环同化四次后得到分析场；⑸利用分析场继续预报得到预报场；⑹进行预报检验。本发明通过同化总闪资料有效地改进了背景场中的动力场，并且对湿度场、温度场也有一定的改进，方法合理有效，且显著改进了数值模式的降水及回波的预报效果。

技术领域

本发明涉及气象数据处理方法，尤其涉及一种通过同化闪电资料改进强对流预报的方法。

背景技术

尽管天气预报不断改进，但由于这些事件涉及的尺度和物理过程的多样性，实现对流活动预警的准确性仍然是一个很大的挑战。强对流天气通常伴有频繁的闪电活动，闪电可用于监测中尺度对流活动的发生和发展，闪电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，从而改善天气预报。

Browning（1989）提出调整中尺度数值天气预报模式初始场的一种可能方法是改进水汽分析，目前许多闪电资料同化研究都是通过改善初始条件下的水汽场进而改进预报。Alexander等（1999）基于降雨率和闪电之间的关系实现了闪电资料的同化。Fierro等（2012）提出可以通过改变混合区（0°C和-20°C）的水汽混合比例来同化对流分辨尺度下的闪电资料。自此之后，基于Fierro的方法开展了很多闪电资料同化的工作，结果表明：无论是采用不同的同化方法同化代理水汽混合比，或者是基于不同的模式同化代理水汽混合比都可以改善预报。

此外，Qie等（2014）建立了总闪电率与冰相粒子（霰、冰、雪）混合比之间的经验公式，用以调整混合区冰相粒子的混合比例。Chen 等（2018）利用Fierro和Qie的方法，利用闪电资料同时调整了混合区低层水汽量和霰质量，并且考虑了模型网格内的热力学和动力学条件，维持模型平衡。此外，Allen等（2016）和Kong等（2020）也利用闪电和霰质量、霰体积之间的观测算子同化了闪电资料。

调整数值模式初始场中的垂直速度分布是改善强对流预报的另一种可行的方法。目前的研究多集中在水汽和水物质的同化上，考虑同化风场特别是垂直速度的研究较少。已有研究表明，上升气流强度与观测到的闪电频数有定性的相关性(Deierling和Petersen, 2008)。根据闪电观测结果，Williams和Earl（1985）表明，陆地对流过程中的总闪频率与对流云高度有大约五次方关系。Price和Rind（1992）指出，根据许多对流事件，对流云中的最大上升速度与云高相关，他们分别建立了大陆云和海洋云中最大垂直速度和总闪频率的经验公式。Wang等（2020b）根据Price和Rind的公式，采用Nudging方法同化闪电数据，调整动态场。此外，很少有研究旨在基于闪电和上升气流的关系来优化动态场。