利用MM5V3模式模擬大氣波導(dǎo)產(chǎn)生的準(zhǔn)確率分析

韓杰，張玉生，康士峰，趙振維，張守寶

（中國電波傳播研究所青島分所，山東青島 266107）

利用MM5V3模式模擬大氣波導(dǎo)產(chǎn)生的準(zhǔn)確率分析

韓杰，張玉生，康士峰，趙振維，張守寶

（中國電波傳播研究所青島分所，山東青島 266107）

基于MM5V3中尺度天氣預(yù)報(bào)模式建立了低空大氣波導(dǎo)模擬平臺(tái)，利用FNL再分析數(shù)據(jù)與GTS數(shù)據(jù)對東海海區(qū)大氣波導(dǎo)分布進(jìn)行了七個(gè)月的模擬。通過那霸、石垣和南大東島3個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果的比較，計(jì)算了波導(dǎo)發(fā)生的模擬準(zhǔn)確率，統(tǒng)計(jì)分析了波導(dǎo)隨時(shí)間的變化。結(jié)果表明，MM5V3模式能夠較好的模擬出大氣波導(dǎo)的產(chǎn)生和變化，尤其是模擬范圍廣、強(qiáng)度大的波導(dǎo)效果更好。

大氣波導(dǎo)；數(shù)值模擬；MM5V3模式；準(zhǔn)確率

1 引言

大氣波導(dǎo)是影響電波傳播的一種反常大氣環(huán)境。大氣波導(dǎo)的存在會(huì)導(dǎo)致超視距現(xiàn)象和雷達(dá)盲區(qū)的出現(xiàn)，對雷達(dá)、通信等電子信息系統(tǒng)性能產(chǎn)生重要的影響。因此大氣波導(dǎo)的研究得到了廣泛的關(guān)注。

利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式進(jìn)行低空大氣波導(dǎo)模擬研究是近年來大氣波導(dǎo)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。國內(nèi)外多所院校和科研機(jī)構(gòu)都開展了此方面的研究[1-4]。2003年，Matthew Evan Kucas利用MM5V3模式對復(fù)雜地形下的波導(dǎo)演變進(jìn)行了預(yù)報(bào)研究。2005年，Mr.Zhu等利用MM5V3模式對波斯灣地區(qū)各個(gè)季節(jié)的大氣波導(dǎo)出現(xiàn)規(guī)律及特點(diǎn)進(jìn)行了分析。2007年，解放軍理工大學(xué)胡曉華利用ARPS模式對典型天氣系統(tǒng)影響下的大氣波導(dǎo)變化過程進(jìn)行了模擬研究。2009年中國科學(xué)院海洋研究所成印河對影響MM5V3模式模擬大氣波導(dǎo)準(zhǔn)確率的因素進(jìn)行了分析，并對一次波導(dǎo)過程進(jìn)行了模擬研究。以上研究偏重于利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式進(jìn)行波導(dǎo)個(gè)例的過程演變模擬或者特定區(qū)域波導(dǎo)分布的統(tǒng)計(jì)，而忽略了對模式本身模擬實(shí)際大氣環(huán)境參數(shù)能力的評估和評價(jià)。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，基于MM5V3中尺度天氣預(yù)報(bào)模式搭建了可以用來進(jìn)行波導(dǎo)模擬的運(yùn)行平臺(tái)，并對東部海域進(jìn)行了大約七個(gè)月的大氣波導(dǎo)模擬。選取那霸、石垣和南大東島的實(shí)測探空數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，得出3個(gè)站點(diǎn)的波導(dǎo)發(fā)生準(zhǔn)確率。結(jié)果顯示，MM5V3模式對大氣波導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)生有很好的模擬能力，但是模擬的波導(dǎo)參數(shù)與實(shí)測波導(dǎo)參數(shù)在數(shù)值上有一定的偏差，需要進(jìn)一步的研究。

2 模擬平臺(tái)的建立

MM5V3中尺度模式是美國PSU（賓夕法尼亞州立大學(xué)）和NCAR（美國國家大氣研究中心）從二十世紀(jì)80年代以來共同開發(fā)的第5代區(qū)域中尺度數(shù)值模式[5]。主要有8個(gè)程序模塊組成，分別是：TERRAIN模塊、REGRID模塊、Little_r模塊、INTERRPF模塊、MM5模塊、INTERPB模塊、NESTDOWN模塊和GRAPH或RIP模塊。低空大氣波導(dǎo)模擬平臺(tái)在此模式基礎(chǔ)上搭建，并結(jié)合fortran語言和shell語言，實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)模擬、波導(dǎo)參數(shù)自動(dòng)輸出等功能，詳細(xì)流程圖見圖1。

圖1 波導(dǎo)模擬平臺(tái)流程圖

利用MM5V3模式進(jìn)行波導(dǎo)模擬的準(zhǔn)確率與選擇的參數(shù)方案有很大的關(guān)系，本文采取的主要參數(shù)如表1：

表1 MM5V3模式主要參數(shù)設(shè)置方案

3 數(shù)據(jù)及其處理

MM5V3模式初始背景場數(shù)據(jù)采用基于NCEP的FNL再分析數(shù)據(jù)，并將全球交換的GTS數(shù)據(jù)（含探空和地面觀測數(shù)據(jù)）進(jìn)行客觀分析，應(yīng)用到初始場中，構(gòu)造較準(zhǔn)確的初始場，從而能得到較準(zhǔn)確的數(shù)值模擬結(jié)果。

客觀分析采用Cressman逐步訂正法[6]：

式中ΔZs、Zabs、ZGs分別為測站的訂正值（觀測增量）、測站觀測值、測站的預(yù)備場值。對某一格點(diǎn)k來說，訂正值由其周圍測站的訂正值作加權(quán)平均得到，即：

式（2）中N為測站總數(shù)，ωs是權(quán)重因子，經(jīng)過G次訂正后格點(diǎn)值為：

權(quán)重因子ωs與測站到格點(diǎn)距離有關(guān)，采用Cressman使用的權(quán)重系數(shù)得到：

R為掃描半徑。

實(shí)測探空數(shù)據(jù)來源于http://weather.uwyo.edu/網(wǎng)站。從數(shù)據(jù)中提取出壓強(qiáng)、濕度、溫度以及站點(diǎn)海拔高度、站經(jīng)度和站緯度，計(jì)算出大氣波導(dǎo)參數(shù)。

4 波導(dǎo)發(fā)生準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)方法

波導(dǎo)模擬準(zhǔn)確率的統(tǒng)計(jì)方法采用特定站點(diǎn)大氣波導(dǎo)出現(xiàn)與否與該站點(diǎn)實(shí)測探空數(shù)據(jù)大氣波導(dǎo)出現(xiàn)與否相比較的方式。

設(shè)實(shí)測探空樣本中有N次波導(dǎo)出現(xiàn)，而相對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)上模擬結(jié)果有M次波導(dǎo)出現(xiàn)，則波導(dǎo)模擬的準(zhǔn)確率計(jì)算公式為：

選用3個(gè)探空站點(diǎn)進(jìn)行模擬統(tǒng)計(jì)，分別是：那霸站、石垣站、南大東島站。這3個(gè)站點(diǎn)代表了臺(tái)灣東北向、日本以南的海域。3個(gè)站點(diǎn)的具體位置見圖2。

圖2 那霸站、石垣站和南大東島站具體位置圖

5 模式結(jié)果與分析

根據(jù)（5）式的計(jì)算方法，得出的三個(gè)站點(diǎn)波導(dǎo)發(fā)生的準(zhǔn)確率結(jié)果見表2。

表2 三個(gè)站點(diǎn)模擬準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)表

為了更直觀的反映探空結(jié)果與模擬結(jié)果的波導(dǎo)發(fā)生變化趨勢，以波導(dǎo)參數(shù)之一的波導(dǎo)強(qiáng)度為例，對3個(gè)站點(diǎn)的探空數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行對比（見圖3）。

由圖3可以看出：

（1）MM5V3模式對3個(gè)站點(diǎn)的大氣波導(dǎo)的發(fā)生有較好的模擬，結(jié)果很好的反映出了波導(dǎo)發(fā)生的變化趨勢。但是模擬出的波導(dǎo)強(qiáng)度與實(shí)測波導(dǎo)強(qiáng)度有比較大的誤差，整體上模擬波導(dǎo)強(qiáng)度要比實(shí)測波導(dǎo)強(qiáng)度偏小；

（2）MM5V3模式模擬范圍廣、強(qiáng)度大的波導(dǎo)形勢時(shí)，如那霸站x=50、250、350左右處，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的一致性明顯優(yōu)于其他點(diǎn)。相反，模擬范圍小、強(qiáng)度弱的波導(dǎo)形勢時(shí)，如那霸站x=150—200點(diǎn)之間的區(qū)域，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果一致性要差。

圖3 探空波導(dǎo)強(qiáng)度與模擬波導(dǎo)強(qiáng)度對比圖

從以上分析可以看出，MM5V3中尺度天氣預(yù)報(bào)模式模擬由大范圍的天氣形勢引發(fā)的波導(dǎo)有很好的模擬結(jié)果，但對于由突發(fā)或者小范圍天氣形勢引發(fā)的波導(dǎo)模擬結(jié)果較差。

表4 3個(gè)站點(diǎn)波導(dǎo)強(qiáng)度平均誤差與均方根誤差表（M）

表4為三個(gè)站點(diǎn)的波導(dǎo)強(qiáng)度的均值與均方根誤差，引起平均誤差和均方根誤差比較大的主要原因有：

（1）MM5V3模式作為一種中尺度數(shù)值模式，其中的插值、積分等運(yùn)算方式導(dǎo)致模擬的大氣溫度、濕度結(jié)果出現(xiàn)誤差，最終引起波導(dǎo)實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差；

（2）MM5V3模式中所利用的背景場NCEP數(shù)據(jù)分辨率為1°×1°，時(shí)間間隔為6 h，空間分辨率比較低，時(shí)間跨度比較大，導(dǎo)致了對強(qiáng)度弱持續(xù)時(shí)間短的波導(dǎo)模擬不夠理想。

6 展望

利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式進(jìn)行數(shù)值模擬的準(zhǔn)確程度主要依賴于能夠描述天氣過程的精確模式和能夠反映初始時(shí)刻準(zhǔn)確描述大氣狀態(tài)的初始場。數(shù)值模式日趨完善，因此模式初始場的精度就成了模擬的關(guān)鍵問題。當(dāng)前常規(guī)觀測資料由于分辨率、觀測不均勻等原因無法獲得精確的初始場。隨著衛(wèi)星、雷達(dá)得技術(shù)的發(fā)展，各種覆蓋范圍廣，時(shí)空密度大的非常規(guī)資料迅速增多，利用各種不同精度的非常規(guī)資料產(chǎn)生盡可能精確的數(shù)值模式初始場成為可能。同化是將觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用到初始場中的主要方法，目前國際上用的比較多的資料同化方法是變分方法和集合kalman濾波方法。文獻(xiàn)[7]將kalman濾波方法應(yīng)用到數(shù)據(jù)同化當(dāng)中，得出了比其他同化方法更好的結(jié)果。文獻(xiàn)[8-9]將多普勒雷達(dá)資料同化到利用數(shù)值模式模擬降雨的研究當(dāng)中，取得了更為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。

目前，利用kalman濾波方法將非常規(guī)探空資料同化到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的初始場中，提高初始場的精度，進(jìn)而提高模擬大氣波導(dǎo)產(chǎn)生與變化的準(zhǔn)確率，減小模擬波導(dǎo)參數(shù)的誤差，是今后在這一領(lǐng)域的主要研究方向。

7 討論

基于MM5V3中尺度天氣預(yù)報(bào)模式建立了低空大氣波導(dǎo)模擬平臺(tái)，并對東海海域進(jìn)行了7個(gè)月的數(shù)值模擬，通過對那霸、石垣和南大東島的大氣波導(dǎo)實(shí)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行對比，得出了此3個(gè)站點(diǎn)的模擬準(zhǔn)確率分別是77%、76.7%和66.7%。通過對結(jié)果的分析可以看出，MM5V3模式可以很好的定性模擬出大氣波導(dǎo)的出現(xiàn)與變化，尤其是對實(shí)際中范圍廣，強(qiáng)度大的波導(dǎo)模擬尤其準(zhǔn)確。但是由于初始場的精度等問題，導(dǎo)致了模擬出的波導(dǎo)強(qiáng)度與實(shí)測強(qiáng)度差別較大，采取kalman濾波等同化方法同化高精度的非常規(guī)探測資料是今后解決這一問題的重要途徑。

[1]Matthew E K.Forecasting the nighttime evolution of radio wave ducting in complex terrain using the MM5 numerical weather model:a thesis in meteorology[D].Pennsylvania State University,2003.

[2]Zhu M,Atkinon B W.Simulated climatology of atmospheric ducts over the Persian gulf[J].Boundary-Layer Meteorology,2005,115(3):433-452．

[3] 胡曉華.典型天氣系統(tǒng)影響下的大氣波導(dǎo)過程分析及數(shù)值模擬[D].中國人民解放軍理工大學(xué)博士論文,2007．

[4]成印河.海上低空大氣波導(dǎo)的遙感反演及數(shù)值模擬研究[D].中國科學(xué)院海洋研究所博士論文,2009．

[5]張金善,鐘中,黃瑾.中尺度大氣模式MM5簡介[J].海洋預(yù)報(bào),2005,22(1):31-40．

[6]肖子牛,張萬成,段瑋,等.中尺度數(shù)值模式在低緯高原地區(qū)的應(yīng)用研究[M].北京:氣象出版社,2005;102-110．

[7]張紅華,沈桐立,王桂臣,等.集合kalman濾波同化理論及其數(shù)值試驗(yàn)[J].高原氣象,2008,27(3):619-627.

[8]潘敖大,王桂臣,張紅華,等.多普勒雷達(dá)資料對暴雨定量預(yù)報(bào)的同化對比試驗(yàn)[J].氣象科學(xué),2009,29(6):755-760.

[9] 王慶華,張京英,吳君,等.多普勒雷達(dá)資料在MM5模式中的應(yīng)用[J].氣象科學(xué),2009,29(1):102-105.

Accuracy analysis of atmospheric duct simulation with the MM5V3 model

HAN Jie,ZHANG Yu-sheng,KANG Shi-feng,ZHAO Zhen-wei,ZHANG Shou-bao

(China Research Institute of Radiowave Propagation Qingdao Branch，Qingdao Shandong 266107 China)

A platform of simulating atmospheric ducts is established with meso-scale weather forecasting model MM5V3.The distribution of atmospheric ducts over the East China Sea is simulated for 7 months by using FNL reanalysis data and GTS data.The accuracy ratio is calculated by comparing the modeling results with the observations in NAZE,ROIG and ROMD.It's shown that MM5V3 could successfully reproduce the formation and movement of atmospheric duct,especially for those with larger range and high intensity.

atmospheric duct;numerical simulation;MM5V3 model;accuracy ratio

TNO11.3

A

1003-0239（2012）02-0068-05

2011-05-11

面上國家自然科學(xué)基金：海上蒸發(fā)波導(dǎo)的機(jī)理和預(yù)測研究（41175012）

韓杰（1981-），男，工程師，主要從事海雜波反演大氣環(huán)境折射率剖面、大氣波導(dǎo)短期模擬與預(yù)報(bào)等方面的研究。E-mail:hanjie2029@126.com