利用MM5V3模式模擬大氣波導產生的準確率分析

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模式模擬大氣波導產生的準確率分析

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中尺度天氣預報模式建立了低空大氣波導模擬平臺，利用FNL再分析數據與GTS數據對東海海區大氣波導分布進行了七個月的模擬。通過那霸、石垣和南大東島3個站點的實測結果與模擬結果的比較，計算了波導發生的模擬準確率，統計分析了波導隨時間的變化。結果表明，MM5V3模式能夠較好的模擬出大氣波導的產生和變化，尤其是模擬范圍廣、強度大的波導效果更好。

大氣波導；數值模擬；MM5V3模式；準確率

1 引言

大氣波導是影響電波傳播的一種反常大氣環境。大氣波導的存在會導致超視距現象和雷達盲區的出現，對雷達、通信等電子信息系統性能產生重要的影響。因此大氣波導的研究得到了廣泛的關注。

利用數值天氣預報模式進行低空大氣波導模擬研究是近年來大氣波導研究領域的一個熱點。國內外多所院校和科研機構都開展了此方面的研究[1-4]。2003年，Matthew Evan Kucas利用MM5V3模式對復雜地形下的波導演變進行了預報研究。2005年，Mr.Zhu等利用MM5V3模式對波斯灣地區各個季節的大氣波導出現規律及特點進行了分析。2007年，解放軍理工大學胡曉華利用ARPS模式對典型天氣系統影響下的大氣波導變化過程進行了模擬研究。2009年中國科學院海洋研究所成印河對影響MM5V3模式模擬大氣波導準確率的因素進行了分析，并對一次波導過程進行了模擬研究。以上研究偏重于利用數值天氣預報模式進行波導個例的過程演變模擬或者特定區域波導分布的統計，而忽略了對模式本身模擬實際大氣環境參數能力的評估和評價。

本文在前人研究的基礎上，基于MM5V3中尺度天氣預報模式搭建了可以用來進行波導模擬的運行平臺，并對東部海域進行了大約七個月的大氣波導模擬。選取那霸、石垣和南大東島的實測探空數據與模擬結果進行對比，得出3個站點的波導發生準確率。結果顯示，MM5V3模式對大氣波導現象的發生有很好的模擬能力，但是模擬的波導參數與實測波導參數在數值上有一定的偏差，需要進一步的研究。

2 模擬平臺的建立

MM5V3中尺度模式是美國PSU（賓夕法尼亞州立大學）和NCAR（美國國家大氣研究中心）從二十世紀80年代以來共同開發的第5代區域中尺度數值模式[5]。主要有8個程序模塊組成，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。低空大氣波導模擬平臺在此模式基礎上搭建，并結合fortran語言和shell語言，實現了波導模擬、波導參數自動輸出等功能，詳細流程圖見圖1。

圖1 波導模擬平臺流程圖

利用MM5V3模式進行波導模擬的準確率與選擇的參數方案有很大的關系，本文采取的主要參數如表1：

表1 MM5V3模式主要參數設置方案

3 數據及其處理

MM5V3模式初始背景場數據采用基于NCEP的FNL再分析數據，并將全球交換的GTS數據（含探空和地面觀測數據）進行客觀分析，應用到初始場中，構造較準確的初始場，從而能得到較準確的數值模擬結果。

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、測站的預備場值。對某一格點k來說，訂正值由其周圍測站的訂正值作加權平均得到，即：

式（2）中N為測站總數，ωs是權重因子，經過G次訂正后格點值為：

權重因子ωs與測站到格點距離有關，采用Cressman使用的權重系數得到：

R為掃描半徑。

實測探空數據來源于http://weather.uwyo.edu/網站。從數據中提取出壓強、濕度、溫度以及站點海拔高度、站經度和站緯度，計算出大氣波導參數。

4 波導發生準確率統計方法

波導模擬準確率的統計方法采用特定站點大氣波導出現與否與該站點實測探空數據大氣波導出現與否相比較的方式。

設實測探空樣本中有N次波導出現，而相對應的時間點上模擬結果有M次波導出現，則波導模擬的準確率計算公式為：

選用3個探空站點進行模擬統計，分別是：那霸站、石垣站、南大東島站。這3個站點代表了臺灣東北向、日本以南的海域。3個站點的具體位置見圖2。

圖2 那霸站、石垣站和南大東島站具體位置圖

5 模式結果與分析

根據（5）式的計算方法，得出的三個站點波導發生的準確率結果見表2。

表2 三個站點模擬準確率統計表

為了更直觀的反映探空結果與模擬結果的波導發生變化趨勢，以波導參數之一的波導強度為例，對3個站點的探空數據和模擬結果進行對比（見圖3）。

由圖3可以看出：

（1）MM5V3模式對3個站點的大氣波導的發生有較好的模擬，結果很好的反映出了波導發生的變化趨勢。但是模擬出的波導強度與實測波導強度有比較大的誤差，整體上模擬波導強度要比實測波導強度偏小；

（2）MM5V3模式模擬范圍廣、強度大的波導形勢時，如那霸站x=50、250、350左右處，模擬結果與實測結果的一致性明顯優于其他點。相反，模擬范圍小、強度弱的波導形勢時，如那霸站x=150—200點之間的區域，模擬結果與實測結果一致性要差。

圖3 探空波導強度與模擬波導強度對比圖

從以上分析可以看出，MM5V3中尺度天氣預報模式模擬由大范圍的天氣形勢引發的波導有很好的模擬結果，但對于由突發或者小范圍天氣形勢引發的波導模擬結果較差。

表4 3個站點波導強度平均誤差與均方根誤差表（M）

表4為三個站點的波導強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值模式，其中的插值、積分等運算方式導致模擬的大氣溫度、濕度結果出現誤差，最終引起波導實測數據與模擬結果出現偏差；

（2）MM5V3模式中所利用的背景場NCEP數據分辨率為1°×1°，時間間隔為6 h，空間分辨率比較低，時間跨度比較大，導致了對強度弱持續時間短的波導模擬不夠理想。

6 展望

利用數值天氣預報模式進行數值模擬的準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刻準確描述大氣狀態的初始場。數值模式日趨完善，因此模式初始場的精度就成了模擬的關鍵問題。當前常規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。隨著衛星、雷達得技術的發展，各種覆蓋范圍廣，時空密度大的非常規資料迅速增多，利用各種不同精度的非常規資料產生盡可能精確的數值模式初始場成為可能。同化是將觀測數據應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[7]將kalman濾波方法應用到數據同化當中，得出了比其他同化方法更好的結果。文獻[8-9]將多普勒雷達資料同化到利用數值模式模擬降雨的研究當中，取得了更為準確的模擬結果。

目前，利用kalman濾波方法將非常規探空資料同化到數值天氣預報的初始場中，提高初始場的精度，進而提高模擬大氣波導產生與變化的準確率，減小模擬波導參數的誤差，是今后在這一領域的主要研究方向。

7 討論

基于MM5V3中尺度天氣預報模式建立了低空大氣波導模擬平臺，并對東海海域進行了7個月的數值模擬，通過對那霸、石垣和南大東島的大氣波導實測數據和模擬結果進行對比，得出了此3個站點的模擬準確率分別是77%、76.7%和66.7%。通過對結果的分析可以看出，MM5V3模式可以很好的定性模擬出大氣波導的出現與變化，尤其是對實際中范圍廣，強度大的波導模擬尤其準確。但是由于初始場的精度等問題，導致了模擬出的波導強度與實測強度差別較大，采取kalman濾波等同化方法同化高精度的非常規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.典型天氣系統影響下的大氣波導過程分析及數值模擬[D].中國人民解放軍理工大學博士論文,2007．

[4]成印河.海上低空大氣波導的遙感反演及數值模擬研究[D].中國科學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].海洋預報,2005,22(1):31-40．

[6]肖子牛,張萬成,段瑋,等.中尺度數值模式在低緯高原地區的應用研究[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值試驗[J].高原氣象,2008,27(3):619-627.

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

[9] 王慶華,張京英,吳君,等.多普勒雷達資料在MM5模式中的應用[J].氣象科學,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

面上國家自然科學基金：海上蒸發波導的機理和預測研究（41175012）

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