风云四号A静止卫星闪电率资料的集合卡尔曼滤波同化方法研究

Initial fields are critical for numerical prediction of severe convective weather. The Feng-Yun-4A (FY-4A) geostationary satellite detects lightning activities over China and the surrounding oceans, making it a valuable tool for improving initial fields of severe convective clouds. In this project, three kinds of forward operators of lightning rates (two of them are linear lightning rate parameterization schemes based on the statistical relationships, and the other one is a nonlinear lightning forecast model on the basis of electrification and discharge physical mechanisms of convective cloud) will be implemented in the Ensemble Kalman Filter (EnKF) based WRF-DART (Weather Research Forecast - Data Assimilation Research Testbed) system to assimilate FY-4A lightning rates data. An adaptive observation error inflation method for FY-4A lightning rates data will also be implemented in the WRF-DART system. A set of data assimilation and numerical prediction experiments for convective weather will be carried out. The three kinds of forward operators of lightning rates will be evaluated, the impact of vertical localization distance on the results of FY-4A lightning rates data assimilation will be studied, and the effect of assimilating FY-4A lightning rates data on the forecasts of severe convection will be evaluated, the mechanism behind this effect will be studied.

初始场的精度对强对流天气的数值预报至关重要。风云四号A静止卫星（FY-4A）可对中国内陆及周边海域的闪电活动实施精细化实时观测，增进无气象雷达覆盖区域的强对流天气初始场精度。但目前还尚未有针对FY-4A闪电率资料的集合卡尔曼滤波同化方法研究。本课题将在基于集合卡尔曼滤波技术的WRF-DART资料同化系统中发展三种闪电率的观测算子（两种基于统计关系的线性闪电率参数化方案和一种基于对流云起、放电物理机制的非线性闪电预报模式），使该系统具备同化FY-4A闪电率资料的能力。并在该系统中实现针对FY-4A闪电率资料的适应性观测误差膨胀功能。通过开展长时间跨度的资料同化、数值预报试验，评估三种闪电率观测算子在FY-4A闪电率资料的集合卡尔曼滤波同化中的适用性；研究垂直局地化影响范围对FY-4A闪电率资料同化结果的影响；评估同化FY-4A卫星闪电率资料对强对流天气数值预报准确度的作用，解析其作用机理。

风云四号A卫星可对中国内陆及周边海域的闪电活动进行实时观测，这使其有潜力作为地面气象雷达观测的补充，成为一种提供强对流云特征场的资料同化源。本项目的研究内容包括：（1）基于广东省地基闪电探测系统对风云四号卫星闪电探测效率进行了评估；（2）对比了三种闪电观测算子对强对流系统闪电密度的模拟能力；（3）发展了基于集合卡尔曼滤波的闪电资料同化方案，并研究了风云四号A卫星闪电资料的集合卡尔曼滤波同化对强对流天气降水和闪电的模拟及预报准确度的作用。结果显示：（1）风云四号A卫星在夜晚时段的探测效率范围为23.34%~57.26%，平均值为43.23%，在白昼时段的闪电探测效率范围为10.29%~32.65%，平均值为23.22%。（2）耦合了精细化起电、闪电参数化方案的闪电预报模式对于强对流系统闪电密度的模拟能力略优于以霰粒子垂直积分质量为因子的经验性闪电率参数化方案和以霰粒子上升通量为因子的经验性闪电率参数化方案；以霰粒子垂直积分质量为因子的经验性闪电率参数化方案和以霰粒子上升通量为因子的经验性闪电率参数化方案具有相当的对闪电密度的模拟能力。（3）风云四号A卫星闪电资料的集合卡尔曼滤波同化可以通过提高对模式中上升气流、水凝物粒子以及云区水汽的模拟准确度来改善对强对流天气降水和闪电的模拟和预报准确度。对于降水预报，同化闪电资料相比于不同化任何资料的控制试验使FSS定量预报技巧评分（当降水阈值为2mm，容错半径为24km时）提高0.05~0.43分。对于闪电预报，同化闪电资料相比于不同化任何资料的控制试验使FSS定量预报技巧评分（当闪电密度阈值为1个/9km2，容错半径为24km时）提高0.07~0.52分。对于降水和闪电的预报准确度的提高主要体现在前4个小时。