雷达外推与数值模式动态融合降水概率预报方法
薛峰1 王兴2 吴双2 苗春生2 张琳焓2
【摘 要】摘要 提出一种基于动态权重的降水概率融合预报方法。首先建立一个适用于权重分配的评分模型，对基于雷达光流外推的降水概率预报和基于数值模式经反射率换算后的降水概率预报的预报准确率分别加以评估；提出一种改进的Brier评分法，该方法兼顾了降水落区的大小和降水量，降低评分对样本数据数量多少的敏感性；根据两种在不同预报时效的评分，动态地分配两种预报方法在不同预报时效的权重。试验部分通过Brier等评分验证表明，融合后各个预报时效的预报都表现出与雷达外推或数值模式相近甚至更高的技术评分。 【期刊名称】气象科技 【年(卷),期】2017(045)006 【总页数】7
【关键词】关键词 融合预报; 降水概率预报; 雷达外推; 光流法; 数值模式
引言
近年来，受太阳辐射的非常规变化以及全球生态环境严重失衡等诸多因素的影响，全球各地频发高温干旱、冰冻严寒或洪涝灾害等极端异常天气[1-2]。据统计，2000年以来全球每年因极端天气造成的直接经济损失超过280亿美元，个别年份甚至高达410亿美元[3]。我国因洪水造成的直接经济损失年均亦超过千亿元[4-5]。短时临近定量降水估测技术，为强降水和内涝的预报预警提供了最有力的支撑。同时，随着我国气象观测网络基础设施的不断扩容，以及天气预报技术的发展，基于多普勒天气雷达以及数值模式的预报水平都取得了长足的进步[6-7]。但另一方面，随着社会经济的发展和人类活动的增加，当前定量
降水预报的准确率和精细化程度仍不足以满足社会的期望与要求。
然而，关于如何提高短临降水预报准确率的研究，长期以来是一项复杂的世界性难题[8]。当前主流的预报方法是基于雷达的临近外推预报和基于数值天气模式的中长期预报，它们分别在预报时效上表现出不同的预报技巧。临近预报主要依赖于天气雷达和外推技术，有效外推一般不超过2 h，对于生命史较长的层状云系统性降水，基于拉格朗日力学的线性外推预报表现出了相对较高的预报技巧分[9]。而对于对流性降水，因外推过程无法表征降水粒子的生消和演变过程，因此，随着外推时效的增加，其预报误差往往会显著上升[10]。与此相对，数值天气预报能够更好地模拟降水场随时间演变的过程，在未来数小时甚至数天的预报中，表现出雷达外推无法企及的优势。然而，即便使用了先进的数据同化技术，其初始湿度场等输入因子仍然难以反映真实的大气状态，加之一些周知的技术瓶颈[11-12]，使得数值模式在起报的前2 h难以输出理想的预报结果。
将雷达外推定量降水估测与数值模式预报降水进行融合，是当前实现对流尺度天气系统，特别是0～6 h对流性强降水预报的重要手段[13-14]。该方法的关键性问题是如何得出一组最优的权重系数，以充分兼顾外推和模式各自在预报时效和准确性方面的优势，从而实现在整个预报时效的预报准确率都达到相对最高。
早在本世纪初，Bowler和Pierce等学者[15]已经开展了雷达和数值模式联合预报降水的研究，并提出集合降水概率预报的方法。2011年在博尔德召开的一次WMO研讨会上，专家们提出为有效提高临近预报的水平，需要高度重视临近预报与高分辨率数值模式的融合相关技术[16]，并在此后的时间里一直从事
相关的研究。近些年来，程丛兰、李红莉、王丹等一些国内学者也在雷达外推与数值模式的融合预报降水技术方面进行了大量试验和论证，总结出一系列方法和思路[17-19]。总的来说，这些方法一方面是利用地面观测降水数据作为标定基准，通过各自的算法对雷达外推结果或数值预报结果在降水强度和范围方面进行校正；另一方面，试通过针对某类雨型找到相对最优的雷达与模式预报的权重，使得偏重雷达的临近预报与偏重模式的短时预报在预报时效和降水量的关系上，得到更好的平滑，并在一定程度上提高预报的总体准确率。 本文在学习和借鉴前人研究成果的基础上，提出一种方法，通过构建基于雷达光流外推和基于数值模式的降水概率预报检验模型，为下一时刻两种预报结果的融合提供动态的权重系数及权重变化函数。一方面，解决以往权重系数需要预先设定或无法动态自适应，融合算法和程序难以实际业务化的问题。另一方面，通过检验模型和动态融合算法的建立，达到融合后降水概率预报的准确率总体优于雷达临近预报和中尺度数值模式预报结果的目的。
1 数据与预处理
本研究的主要对象是预报超过雷达基本反射率及数值预报特定阈值的概率，研究目标是建立两者相对最优权重的动态融合算法，以提高短临降水概率预报在各个预报时效上的准确率。本节主要说明雷达和模式两种数据的预处理过程。 1.1 基于光流外推的降水概率预报模型
本研究采用光流法[20-21]作为雷达反射率预报降水概率模型的基础。光流外推主要包括4个关键性步骤：①通过求解光流方程提取雷达回波的运动场；②识别强对流区域；③对强对流区域进行追踪；④根据外推结果进行预报。为了构建一个基于雷达数据的降水概率模型，采用拉格朗日力学方程对由光流法计算
雷达外推与数值模式动态融合降水概率预报方法
