CN114548488A - 基于大气稳定度拟合订正温湿廓线的闪电资料同化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于大气稳定度拟合订正温湿廓线的闪电资料同化方法，包括：(1)读入模式网络点上闪电频数；(2)判断模式网络点上是否有闪电发生，若有闪电发生则进行(3)，若否则返回步骤(1)；(3)利用闪电频数得到修改后的大气的稳定度；(4)利用稳定度反演得到大气温度、湿度廓线，并对大气温度、湿度廓线进行调整；(5)输出调整后的相对湿度,并转换未little_r格式。本发明可以大幅度增加和改善数值模式中大气稳定度特征，更好反映大气的温度、湿度的廓线，大大增加了对高空温、湿探测信息，填补了地面气象站对高层水气含量信息的空白及探空数据频次偏少不及时的缺陷。

Description

基于大气稳定度拟合订正温湿廓线的闪电资料同化方法

技术领域

本发明涉及风扇控制领域，具体涉及一种基于大气稳定度拟合订正温湿廓线的闪电资料同化方法。

背景技术

数值模式预报是现代天气预报的重要基础，数值天气预报可以被视作数学物理的初值问题，因此，合适的初始场对数值天气预报是极为重要的。资料同化技术就是将气象观测资料进行一定的处理，使之能够进入数值模式成为初值场，并且保证这些资料是具有合理稳定性，不同资料直接的关系是符合大气运动和状态方程组的约束调节，形成自洽和协调。资料同化是数值天气预报的重要内容，也是提高预报准确率的关键。采用更加丰富的观测资料同化到数值模式作为初始值资料，是提高数值天气预报最有效的技术手段。

数值天气虽然已经具备了令人赞叹的预报能力，对温度、一般性降水的预报已经基本超过了预报员的主观预报水平，但对强对流等灾害性天气的预报仍然是数值天气预报模式未能很好解决的问题之一，其原因在于数值模式初始场对真实大气的描述能力有限，而且在数值模式进行确定性预报的时间段内模式内大气的变化趋势也会因为混沌系统的不可预报特性与真实大气产生较大的差异。因此为了使得数值预报系统获得更多的真实大气准实时信息，需要增加更多的观测信息，使更多的观测资料进入数值模式。资料同化技术要解决的问题，就是把更多诸如卫星、雷达、GPS、微波辐射计等多种新型探测资料在同化系统中的有效应用，使得同化的气象资料种类和数量不断增加，大大提高了初值的准确性，进而提高了数值天气预报水平。

目前的区域天气预报数值模式主要是利用全球天气数值预报模式的结果作为初始场和边界条件，一般采用的同化资料为用雷达观测资料、风廓线雷达、卫星观测资料和地面观测站资料。雷电观测是重要的气象观测内容，最近20年我国建立了较为完善的雷电观测网。雷电观测资料在区域天气预报数值模式的同化应用具有重要意义。

目前中尺度数值模式的资料同化基本上是雷达资料、地面自动站同化，也有一些风廓线资料同化，对闪电资料如何应用还是一个新的研究方向。闪电是大气对流活动的产物，同云内动力、热力和微物理过程密切相关。强对流天气过程的一个重要特点是其经常伴随有频繁的闪电活动。由于闪电是雷暴云对流活动的产物,根据闪电活动情况可以大致判断雷暴云的发展阶段、影响区域及强度等。因此，人们认为闪电活动对深对流系统有很好的指示作用。同时，闪电资料时空分辨率极高，探测几乎无盲区，全闪(云闪+地闪)探测能够更全面揭示对流活动。因此，闪电资料的同化应用是一个国内外都关注、具有应用前景的方向。

数值模式中闪电资料的同化应用，需要将闪电资料转化为模式中的气象参数量，可以考虑的选择有降水、水汽含量、冰相粒子含量、反射率等，即将闪电资料信息反演为湿度信息，或反演为反射率信息、降水信息，然后将其利用初始化同化方法引入模式。但总的来说，闪电资料同化还处在研究试验阶段，并不能很好反映大气的温度、湿度的廓线，并不能弥补地面气象站对高层水气含量信息的空白及探空数据频次偏少不及时的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于大气稳定度拟合订正温湿廓线的闪电资料同化方法，可以大幅度增加和改善数值模式中大气稳定度特征，更好反映大气的温度、湿度的廓线，与应用地面自动站和探空资料相比，大大增加了对高空温、湿探测信息，填补了地面气象站对高层水气含量信息的空白及探空数据频次偏少不及时的缺陷。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于大气稳定度拟合订正温湿廓线的闪电资料同化方法，包括如下步骤：

(1)读入模式网络点上闪电频数：首先判断中尺度数值模式格点上是否出现闪电现象，如果出现，从闪电观测网络得到的闪电频次；

(2)判断模式网络点上是否有闪电发生，若有闪电发生则进行(3)，若否则返回步骤(1)；

(3)利用闪电频数得到修改后的大气的稳定度；

(4)利用稳定度反演得到大气温度、湿度廓线，并对大气温度、湿度廓线进行调整，得到修订后的温度和湿度廓线；

基于订正后的温度和湿度廓线，可以通过三维变分优化模式的温度和水气初始场，具体步骤如下：

首先开展回报实验建立背景误差统计样本，得到月或季平均的24h和12h的预报场差值；通过物理变换，将相关的模式变量转换为不相关的控制变量：流函数、非平衡速度势、非平衡温度、假相对湿度和非平衡地面气压；最后通过空间变换，获得B值回归系数、垂直特征向量和特征值、特征尺度统计量。

(5)输出调整后的相对湿度,并转换未little_r格式。

上述方案中，步骤(1)中，所述判断模式网络点上是否有闪电发生，具体为：判断空间坐标(i-1，j-1)到(i+1，j+1)之间范围内有无闪电发生；其中，网格点(i，j)表示有闪电发生。

上述方案中，步骤(3)中，所述修订后的大气对流稳定度通过以下公式得到：

I_v＝AI_ce+BI_cetanh(CX)[1-tanh(DI_cc ^a)]

式中，X为闪电频数，I_ce为对流不稳定，I_v为修订后的大气对流稳定度，I_cc为绝对不稳定；A、B、C、D、a为常参数，其中B＝0.2，C＝0.02，D＝0.25，a＝2.2。

上述方案中，步骤(4)中，所述对大气温度、湿度廓线进行调整，包括如下步骤：

(41)计算空气柱上层和低层的位温：

θ_e＝T(1000/P)^kexp[(L*Q)/(C_P*T)]；

式中，θe为湿位温，T为温度，P为气压，C_P为空气比热，θe_up为空气柱上层位温，θe_bottum为低层位温；

(42)采用关系式Iv＝θe_up-θe_bottum约束对大气上下层的温湿度廓线进行调整，由得到的廓线修改数值模式微物理方案(如WRF模式中WSM6)中的温度T、相对湿度Q。

上述方案中，所述步骤(4)中，还包括订正原来观测初始场的中的温度和湿度廓线，最后通过三维变分优化模式的温度和水气初始场，具体步骤如下：

首先开展回报实验建立背景误差统计样本，得到月或季平均的24h和12h的预报场差值；

通过物理变换，将相关的模式变量转换为不相关的控制变量：流函数、非平衡速度势、非平衡温度、假相对湿度和非平衡地面气压；

最后通过空间变换，获得B值回归系数、垂直特征向量和特征值、特征尺度统计量。

由上述技术方案可知，本发明针对的中尺度天气预报模式中如何利用多种特殊观测信息资料的研究需求，现有的当地气象资料同化研究主要集中在天气雷达资料、自动站资料、风廓线资料的应用上。本发明利用高频率的闪电资料观测，通过闪电天气发生时所显示的大气强对流不稳定特性，拟合订正得到大气稳定度信息，从而获取大气高频率的温湿廓线及变化信息，使闪电观测资料成为中尺度数值预报模式的初始信息。从而实现更多局地观测信息信息的应用，改进和提高中尺度数值预报模式的预报性能，尤其是对强对流天气的预报准确率。

附图说明

图1是本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本实施例的基于大气稳定度拟合订正温湿廓线的闪电资料同化方法，包括如下步骤：

S1：读入模式网络点上闪电频数；

首先判断中尺度数值模式格点上是否出现闪电现象，如果出现，从闪电观测网络得到的闪电频次。

S2：判断模式网络点上是否有闪电发生；

判断空间坐标(i-1，j-1)到(i+1，j+1)之间范围内有无闪电发生；其中，若有，网格点(i，j)为有闪电发生，若有闪电发生则进行步骤S3，若否则返回步骤S1。

S3：利用闪电频数得到修改后的大气的稳定度；

由于闪电观测量不是模式常规变量，闪电资料不能直接用于模式初始化。同化闪电资料前先利用闪电发生时强对流不稳定的特性，先采用经验或半经验的关系式将闪电观测发生频次转化为大气对流不稳度。

对流稳定度I_v为：

I_v＝AI_ce+BI_cetanh(CX)[1-tanh(DI_cc ^a)] (1)

式(1)中X为闪电频数，I_ce为对流不稳定，I_v为调整后得到的大气不稳定，I_cc为绝对不稳定；A、B、C、D、a为常参数，其中B＝0.2，C＝0.02，D＝0.25，a＝2.2。

进一步转化为大气温度和湿度值：

通过修订后的稳定度，建立大气柱低层、上层位温的约束关系：

Iv＝θe_up-θe_bottum (2)

θe_up为中上层位温，θe_bottum为底层位温。

θ_e＝T(1000/P)^kexp[(L*Q)/(C_P*T)] (3)

式中，k＝0.286，θe为湿位温，T为温度，P为气压，Cp为空气定压比热，L为单位水汽的凝结潜热，采用关系式(2)、(3)对大气上下层的温湿度廓线进行调整，并对T、Q进行调整；θe_bottum表示调整部位为大气柱低层位温，θup为调整大气部位的中上层位温，T为温度、Q为空气相对湿度。根据(3)式计算得到空气柱上层位温θ_up和低层位温θ_bottum，使之满足(2)式关系。

S4：利用稳定度反演得到大气温度、湿度廓线，并对大气温度、湿度廓线进行调整；

基于订正后的温度和湿度廓线，可以通过三维变分优化模式的温度和水气初始场。背景信息权重的背景误差协方差B起着至关重要的作用，它决定着观测值订正到背景场的程度、以及控制信息从观测位置向四周传播的方式，极大地影响着分析场的质量。可以采用控制变量变换的方法来进行统计，从而获得B的统计量特征。

由于背景误差协方差三维空间结构特征与数值模式分辨率和观测网密切相关，并且受不同条件(天气情况、地理地形、预报模式等)影响，背景场误差的特征差别较大，因此对特定的区域和模式进行资料同化，都需要进行统计背景误差协方差的相关工作。

具体步骤为：首先开展回报实验建立背景误差统计样本，得到月或季平均的24h和12h的预报场差值。通过物理变换，将相关的模式变量转换为不相关的控制变量：流函数、非平衡速度势、非平衡温度、假相对湿度和非平衡地面气压；最后通过空间变换，获得B值回归系数、垂直特征向量和特征值、特征尺度等3个统计量。

将上述关系式(1)-(3)作为闪电同化的观测算子引入数值模式的同化系统(如WRF模式的同化系统WRFDA)，在统计网格柱上的闪电频数时，选取同化时刻前后各10min时间段内的闪电进行统计。

为获得同化最优，需要通过长时间回报实验，计算估计背景误差协方差。

误差协方差B为：

这里B是背景误差协差，Xb是背景场，Xt是实际大气状态，εb是背景场误差，t1和t2代表模式起报时刻，t1时刻模式积分24h与t2时刻起报模式积分12h对应相同的时刻。

S5：输出调整后的相对湿度,并转换未little_r格式。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案给出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.基于大气稳定度拟合订正温湿廓线的闪电资料同化方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)读入模式网络点上闪电频数；

(2)判断模式网络点上是否有闪电发生，若有闪电发生则进行(3)，若否则返回步骤(1)；

(3)利用闪电频数得到修改后的大气的稳定度；

(4)利用稳定度反演得到大气温度、湿度廓线，并对大气温度、湿度廓线进行调整，得到订正后的温度和湿度廓线；

(5)输出调整后的相对湿度,并转换未little_r格式。

2.根据权利要求1所述的基于大气稳定度拟合订正温湿廓线的闪电资料同化方法，其特征在于：步骤(1)中，所述判断模式网络点上是否有闪电发生，具体是判断空间坐标(i-1，j-1)到(i+1，j+1)之间范围内有无闪电发生。

3.根据权利要求1所述的基于大气稳定度拟合订正温湿廓线的闪电资料同化方法，其特征在于：步骤(3)中，所述修订后的大气对流稳定度通过以下公式得到：

I_v＝AI_ce+BI_cetanh(CX)[1-tanh(DI_cc ^a)]

式中，X为闪电频数，I_ce为对流不稳定，I_v为修订后的大气对流稳定度，I_cc为绝对不稳定；A、B、C、D、a为常参数，其中B＝0.2，C＝0.02，D＝0.25，a＝2.2。

4.根据权利要求1所述的基于大气稳定度拟合订正温湿廓线的闪电资料同化方法，其特征在于：步骤(4)中，所述对大气温度、湿度廓线进行调整，包括如下步骤：

(41)计算空气柱上层和低层的位温：

θ_e＝T(1000/P)^kexp[(L*Q)/(C_P*T)]；

式中，θe为湿位温，T为温度，P为气压，C_P为空气比热，θe_up为空气柱上层位温，θe_bottum为低层位温；

(42)采用关系式Iv＝θe_up-θe_bottum约束对大气上下层的温湿度廓线进行调整，由得到的廓线订正数值模式数值模式微物理方案中的温度T、相对湿度Q。

5.根据权利要求1所述的基于大气稳定度拟合订正温湿廓线的闪电资料同化方法，其特征在于：所述步骤(4)中，还包括订正原来观测初始场的中的温度和湿度廓线，最后通过三维变分优化模式的温度和水气初始场，具体步骤如下：

首先开展回报实验建立背景误差统计样本，得到月或季平均的24h和12h的预报场差值；

通过物理变换，将相关的模式变量转换为不相关的控制变量：流函数、非平衡速度势、非平衡温度、假相对湿度和非平衡地面气压；

最后通过空间变换，获得B值回归系数、垂直特征向量和特征值、特征尺度统计量。

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