【摘要】：大氣水循環(huán)是至關(guān)重要的天氣、氣候調(diào)節(jié)器,影響全球能量收支。因而對(duì)大氣水循環(huán)的相關(guān)物理量進(jìn)行研究對(duì)我們進(jìn)一步地了解天氣變化,地氣系統(tǒng),和精確預(yù)估未來的氣候變化將有很大幫助。本論文將對(duì)大氣水循環(huán)的兩類變量,水汽和水凝物,進(jìn)行多時(shí)空尺度的研究。對(duì)于水汽研究,我們將基于多種最新的再分析資料,分析水汽的全球大時(shí)空尺度變化規(guī)律,并著重比較了再分析資料間的氣候態(tài)差異特征,可為氣候研究時(shí)水汽數(shù)據(jù)的選取提供參考依據(jù)。對(duì)于水凝物研究,我們將從較小的時(shí)空范圍著手,主要聚焦于臺(tái)風(fēng)水凝物。通過評(píng)估模式中臺(tái)風(fēng)不同階段各種微物理參數(shù)化方案的水凝物模擬結(jié)果,研究它們的異同,可有助于更好地發(fā)展和改進(jìn)對(duì)臺(tái)風(fēng)過程的模擬,并進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)臺(tái)風(fēng)熱動(dòng)力過程的了解。具體而言,本文的研究成果如下:(1)全球水汽的氣候特征水汽是氣候變化研究中的關(guān)鍵一環(huán),不同的再分析資料間水汽變量的差異能夠造成相關(guān)氣候變化研究的不確定性。因此,本文對(duì)比研究了三種當(dāng)前最新的第3代再分析資料,即ERA-Interim,MERRA和CFSR的多年(2000～2012年)全球大氣柱水汽含量氣候態(tài)分布的異同并分析了可能原因。三種再分析水汽資料盡管在描述全球水汽的主要變化模態(tài)方面有很高的相似性,但在全球分布、時(shí)間序列和趨勢(shì)變化等方面依然在一定程度上存在差異。其中,洋面上三種數(shù)據(jù)的年際變化較為相似,而差異主要集中在赤道兩側(cè)輻合帶和暖云區(qū),這可能是源于不同模式暖云模擬和對(duì)流參數(shù)化方案的不同,以及水汽對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)同化的敏感性差異�？傮w而言,三者與衛(wèi)星觀測(cè)均較為一致。而陸地上的差異主要集中在非洲中部、南美洲亞馬遜流域以及一些高原地區(qū),其主要原因是由于模式對(duì)復(fù)雜下墊面處理的不同,以及相應(yīng)區(qū)域探空等地基觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏。并且,三者都較探空實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)明顯偏低。(2)臺(tái)風(fēng)水凝物模擬的微物理方案對(duì)比評(píng)估本文針對(duì)2014年臺(tái)風(fēng)“浣熊”(Neoguri)這一個(gè)例,對(duì)比分析了五種WRF模式微物理方案(包括單階參數(shù)化方案WSM6和GSFC,不完全雙階方案THOM,及完全雙階方案MORR和NSSL)的臺(tái)風(fēng)水凝物模擬能力;并利用FY-3B衛(wèi)星搭載的MWRI、MWHS的探測(cè)、反演結(jié)果和JTWC的路徑和強(qiáng)度等數(shù)據(jù),對(duì)這五種方案進(jìn)行了相應(yīng)的直接和間接評(píng)估。首先,臺(tái)風(fēng)模擬路徑對(duì)微物理方案的選擇并不敏感。此外,模擬的地表降水率在強(qiáng)對(duì)流區(qū)域普遍偏高,而在層云降雨區(qū)域則明顯偏低。其中,NSSL方案模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度及地面降水范圍與觀測(cè)更加一致。模擬得到的液體水凝物路徑基本相似。此外,模擬的固態(tài)水凝物路徑在微物理方案中有相當(dāng)大的區(qū)別。隨后,我們將模式輸出的大氣和水凝物廓線代入輻射傳輸模式,分別計(jì)算對(duì)應(yīng)的MWRI的各通道亮溫,并利用信道組合技術(shù)獲得相應(yīng)的散射(SI)及發(fā)射(EI)等輻射指數(shù),分別作為固態(tài)和液態(tài)可降水凝物的指示。使用空間驗(yàn)證技術(shù)——非線性Lucas-Kanade(LK)光流(OF)方法,分別評(píng)估模擬輻射指數(shù)SI和EI與觀測(cè)結(jié)果的異同。結(jié)果表明模擬的EI和SI均存在明顯的強(qiáng)度偏差,特別是在強(qiáng)對(duì)流區(qū)。五種方案微物理方案得到EI空間分布偏向西南。在外圍螺旋云帶模擬的EI普遍偏低,而在內(nèi)核區(qū)域則偏大。SI強(qiáng)度誤差空間分布揭示了臺(tái)風(fēng)東側(cè)普遍存在很強(qiáng)的負(fù)偏差,且臺(tái)風(fēng)西側(cè)的外部云帶邊緣有輕微的正偏差。我們運(yùn)用分析聯(lián)合概率密度分布來評(píng)估固態(tài)降水水凝物和液態(tài)水凝物的含量。在整個(gè)臺(tái)風(fēng)生命周期中,NSSL的模擬的SI指數(shù)的取值范圍更接近觀測(cè)結(jié)果,與NSSL產(chǎn)生較少的霰相關(guān)。此外,五種微物理方案的頻率分布大值區(qū)對(duì)應(yīng)的EI值(或EI平均值)都明顯低于MWRI的觀測(cè)值。一般而言,在臺(tái)風(fēng)生命周期中的較強(qiáng)階段(發(fā)展和成熟期),模擬和觀測(cè)的聯(lián)合概率密度差異較大,而在臺(tái)風(fēng)生命周期中的較弱階段(形成和消亡期),模擬結(jié)果更接近于觀測(cè)值。與其它方案相比,SI-EI聯(lián)合概率分布顯示NSSL與實(shí)際分布更加接近。此外,敏感性試驗(yàn)結(jié)果表明NSSL和TOMP具有更接近實(shí)際值的霰,而其它三種方案模擬的霰則被夸大;在全部五種方案中,雪的模擬都是過量的;NSSL的過冷水更接近實(shí)際值,而另外四種方案的值均偏低;此外,模擬的聯(lián)合概率密度分布大值區(qū)更傾向于SI軸,而觀測(cè)結(jié)果則傾向于EI軸,這可能是由于模擬和觀測(cè)間的固、液態(tài)水凝物的匹配比例,以及水平垂直分布的差異所致。總之,具有更為復(fù)雜的微物理過程的全雙階四冰微物理方案NSSL對(duì)臺(tái)風(fēng)Neoguri的水凝物結(jié)構(gòu)和發(fā)展過程的模擬更加可靠。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：P339
【圖文】：

小范圍降水并追蹤天氣系統(tǒng)演變等的高密度衛(wèi)星。按照物理機(jī)制，衛(wèi)星遙感儀器逡逑的分類包括：可見光／紅外遙感、微波遙感、和激光遙感等。逡逑這其中微波是指波長１１１１１１１？１０（＾（頻率３００￣３０＆）的電磁波。圖１．２（＼＾１１＾，逡逑１９９３）給出了微波在電磁波譜中的大致范圍。由于全面掌握了微波波譜通過不同逡逑大氣成分時(shí)發(fā)生的散射、吸收和發(fā)射特征，固可將微波遙感應(yīng)用在監(jiān)測(cè)天氣狀態(tài)逡逑和大氣環(huán)境等方面。圖１．３為微波在不同狀態(tài)的晴空大氣中的透射光譜，由圖可逡逑知，微波波段中同時(shí)存在不透明區(qū)及窗口區(qū)，對(duì)于頻率介于１ＧＨｚ到１９ＧＨｚ之逡逑間的微波大氣幾乎是透明的，但對(duì)１８３．３ＧＨｚ及１１８．７ＧＨｚ周圍的波段，大氣的逡逑透過性很低。窗口區(qū)域的波段甚至能夠穿透云雨層，其經(jīng)常應(yīng)用于底層大氣及地逡逑表探測(cè)；透過性很低的波段則可用于高層大氣的探測(cè)，獲取相應(yīng)大氣特征。例如，逡逑８９ＧＨｚ及３７ＧＨｚ附近通道常被用于云和降水的探測(cè)（Ｌｉｕ等，１９９５；邋Ｗａｎｇ等，逡逑２０１４）

ｘ邋（１．１）逡逑NB邋Ａ逡逑如圖１．４所示，在整個(gè)微波波段（ｌｍｍ＜Ｘ＜１０ｃｍ）大氣粒子從小的氣體分逡逑子到大的雹粒子，散射體系被劃分為忽略散射，瑞利散射，及米散射（Ｐｅｔｔｙ，逡逑２００４；邋Ｊｉａｎｇ，邋２００４）在；小于０．２時(shí)，瑞利散射適用；而在；ｉｆ大于０．２的情形逡逑下，米散射理論適用。逡逑１０逡逑

０邐２０邋ｉ０邋６０邐８０邋１００邋１２０邋？４０邋１６０邋１８０邋２００邋２２０邋２４０邋２６０邋２８０邋３００逡逑ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ邋（ＧＨｚ）逡逑圖１．３微波在各種大氣狀態(tài)（標(biāo)準(zhǔn)，極地和熱帶）晴空時(shí)的的透射光譜逡逑Ｖ代表水汽含量，Ｔ代表氣溫（引自Ｊａｎｓｓｅｎ邋（１９９３））逡逑１．３．邋１水凝物對(duì)微波輻射的影響逡逑微波輻射在傳播過程中會(huì)與水凝物發(fā)生吸收和散射等相互作用。因?yàn)樗义衔锱c周圍大氣間維持著熱動(dòng)力平衡，從而其在吸收微波輻射時(shí)也向外輻射能逡逑量。通過對(duì)微波輻射的變化進(jìn)行探測(cè)，能夠進(jìn)一步獲得固、液相水凝物的分逡逑布。逡逑計(jì)算水凝物單體的吸收和散射的理論模型基于粒子尺寸大小。最為常用的逡逑是瑞利散射和米散射理論，其中瑞利散射適用于尺寸遠(yuǎn)小于波長的小粒子，而逡逑米散射適用于尺度接近或大于波長的較大的粒子。Ｋｉｄｄｅｒ和Ｈａａｒ邋（１９９５）引入逡逑了無量綱尺度參數(shù)，依據(jù)該參數(shù)（Ｚ邋）的值，將粒子對(duì)電磁波的散射劃分成三逡逑部分。火的表達(dá)式見公式（Ｕ），１和ｒ分別為輻射波長和粒子半徑。逡逑ｘ邋（１．１）逡逑NB邋Ａ逡逑如圖１．４所示，在整個(gè)微波波段（ｌｍｍ＜Ｘ＜１０ｃｍ）大氣粒子從小的氣體分逡逑子到大的雹粒子

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本文編號(hào)：2780918