[发明专利]一种基于贝叶斯的雷达非降水回波间接三维变分同化方法

说明书

本申请提出了一种基于贝叶斯的雷达非降水回波间接三维变分同化方法及系统，涉及大气科学大气资料与数据同化邻域。一种基于贝叶斯的雷达非降水回波间接三维变分同化方法包括：构建非降水回波邻域同化的贝叶斯水汽估计模块；设置非降水回波的合理同化条件；建立基于间接3DVar的雷达非降水回波邻域同化方法。能够缓解模式中出现的虚假对流和降水高估问题，最终提高强对流天气的数值预报水平。

技术领域

本申请涉及大气科学大气资料与数据同化邻域，具体而言，涉及一种基于贝叶斯的雷达非降水回波间接三维变分同化方法及系统。

背景技术

在高分辨率数值预报模式中，应用雷达资料来改进强对流天气的预报是当前国际上一个比较热门的研究题目。多普勒天气雷达观测的反射率因子包含了各种水凝物的信息，它反映了单位体积内雨滴、云或者昆虫造成的回波功率的大小，能够用来估算大气中特定区域的降水粒子，如降雨、降雪、冰雹和大风等出现的可能性。当雷达发射的电磁波遇到降水粒子时，会返回一个较强的回波，并且回波越强，降水降雪的可能性越大。以S波段为例，10dBZ以上的回波为强回波，10dBZ以下的回波称为非降水回波。这些非降水回波为观测中没有降水的区域提供了重要信息。以往的雷达反射率因子同化中，通常会忽略这些非降水回波。如何将这些非降水回波同化，使其更准确地反映观测信息，具有很强的应用价值。

从当前的研究来看，雷达反射率因子同化主要采取直接同化方法和间接同化方法。直接同化方法通过观测算子来建立反射率因子和模式微物理变量之间的关系，从而更新初始场中水凝物、温度、湿度等相关变量。该方法的优势在于准确的观测算子，数学上更加严谨。但缺点是非线性反射率观测算子线性化的有效性依赖于背景场的准确程度，当背景场相对于观测太干时，会给基于线性假定的变分方法带来计算误差。为此，Wang等(2013)提出了一种新的雷达反射率因子间接同化方法，并将其应用到WRF 3DVar同化系统中，有效避免了直接同化中观测算子的线性化误差。此外，相比于其他方法，该方法具有计算效率高、容易并行、编码简单等特性，经常应用于雷达反射率同化研究和业务中。因此，这里采用间接三维同化方法来同化雷达反射率因子。

在间接反射率同化方法中，很多研究使用“云分析”方法来“热启动”模式，即除了同化雷达反射率估计的水凝物，还要对估计的水汽或相态变化释放的凝结潜热进行同化。这是因为“云分析”方法能够通过使用雷达观测反射率保证生成的强对流系统得以维持，显著减少“起转”过程的耗时及其对正在发展的强对流预报效果的影响。如Albers等(1996)发现云分析通过调整水凝物和云体温度等大气变量，可以提高雷达反射率因子的同化效果。Hu等(2006)利用ARPS的云分析和3DVar同化系统估计潜热和相对湿度，分别对三次龙卷过程进行雷达资料同化，取得了较好的同化效果。Zhao和Xue(2009)的研究表明云分析和云湿度调整在飑线预报中有重要影响。Wang等(2013)表明在3DVar中，同化反演的水汽能够显著提高模式对短时定量降水预报的能力。尽管云分析在对流尺度资料同化和预报上有较好的应用前景，但是依然存在一些问题。其中一个主要问题是，大多数云分析方案大多数只是考虑如何根据雷达反射率因子来合理准确地提高模式的湿度或潜热，这容易使得同化产生强度和范围过大的相对湿度正增量，导致模式预报的空报率增加和降水高估。因此，同化雷达非降水回波来减少与虚假对流等相关的多余水汽十分重要。