本文關鍵詞：高光譜紅外輻射資料在區(qū)域模式中的直接同化及應用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《華東師范大學》 2015年

高光譜紅外輻射資料在區(qū)域模式中的直接同化及應用研究

劉延安  

【摘要】：在全球氣候變化大背景下,近些年來,臺風、暴雨等極端災害性天氣頻繁發(fā)生,災害損失和影響持續(xù)加重。高光譜紅外大氣探測資料可提供高分辨率的大氣垂直溫度和濕度信息,其同化應用己明顯地改善了全球數(shù)值模式預報精度。隨著人們對中小尺度災害性天氣的模擬和預測的重視,高光譜紅外大氣探測資料在區(qū)域模式中的應用研究逐步加強。然而,由于區(qū)域模式是以全球模式的預報場或分析場作為初始邊界條件,不同分析時間衛(wèi)星資料覆蓋差異較大,而且與全球模式相比,總的可用同化資料有限,導致高光譜紅外輻射資料在區(qū)域模式中的同化應用依然存在諸多難題。本文以中尺度模式WRF-ARW (Advanced Research Weather Research and Forecasting)為預報模式,通用模式GSI (Gridpoint Statistical Interpolation)作為同化系統(tǒng),以AIRS (Atmospheric Infrared Sounder)紅外輻射資料為例,結合中國及周邊區(qū)域地形和氣候特征,針對紅外輻射資料同化研究中最重要的因素,背景場誤差協(xié)方差調(diào)整和輻射偏差校正,開展了AIRS紅外輻射資料區(qū)域同化應用研究,深化對高光譜紅外輻射資料在區(qū)域同化過程的理解和認知,同時探索了背景場誤差協(xié)方差(B矩陣)調(diào)整和輻射偏差校正對臺風路徑和強度預報的影響,實現(xiàn)AIRS紅外輻射資料在區(qū)域模式中的同化應用。 本文的主要內(nèi)容和研究成果如下： (1)基于NCEP (National Centers for Environmental Prediction) GDAS (Global Data Assimilation System)中使用的AIRS同化通道,利用溫度敏感性分析法剔除權重函數(shù)中對區(qū)域模式頂高l0hPa以上有較大貢獻的通道,診斷和分析GSI中云檢測、數(shù)據(jù)稀疏化及閡值控制在亞洲區(qū)域資料質量控制效果,保證了同化數(shù)據(jù)的質量,為AIRS輻射資料區(qū)域同化應用奠定了基礎。 (2)利用NMC(National Meteorological Center)方法,基于2個月預報統(tǒng)計,結合區(qū)域天氣特征,估計區(qū)域B矩陣,并與GSI中預設全球B矩陣進行特征比較,加深了對區(qū)域B矩陣結構特征的理解。從當前NMC方法估計B矩陣存在問題出發(fā),創(chuàng)新性地使用敏感性分析法對B矩陣中最重要的參數(shù),水平長度尺度和標準差,進行了優(yōu)化調(diào)整,并應用同化試驗中,將其24小時的溫度、濕度和風場預報與探空資料進行對比驗證,研究表明區(qū)域統(tǒng)計B矩陣水平長度尺度存在尺度偏小,標準差偏大的問題。進而將B矩陣調(diào)整應用到臺風預報試驗研究中,發(fā)現(xiàn)調(diào)整后的B矩陣改善了WRF模式對臺風個例72小時路徑預報的精度。 (3)采用衛(wèi)星掃描角偏差校正和氣團質量校正方案,基于一個月更新,統(tǒng)計偏差時間序列變化特征,發(fā)現(xiàn)AIRS位于15μm CO2吸收波段的通道存在較大的掃描角偏差,且星下點偏差有明顯時間依賴性,而其他通道的掃描角偏差較小,時間依賴性較弱,氣團質量偏差校正中天頂角和溫度遞減率預測因子隨區(qū)域模式資料覆蓋影響而呈較大波動。利用新息(O-B,即觀測輻射值減去模式背景場模擬輻射值)直方圖分布,探究該方案在區(qū)域模式中偏差校正效果,結果表明,除幾個地表通道外,絕大部分通道的校正效果達到預期,滿足了新息統(tǒng)計的無偏性且服從正態(tài)分布的標準。在臺風預報試驗中,檢驗了輻射偏差校正對預報的影響,試驗表明,相比于GDAS中提供的更新系數(shù),使用本文研究的區(qū)域輻射偏差校正系數(shù)明顯改進了臺風個例72小時強度預報。 (4)在背景場誤差協(xié)方差調(diào)整和輻射偏差校正研究基礎上,以一次臺風登陸個例,梳理了AIRS輻射資料在GSI3DVAR(Three-dimensional Variation)同化過程中代價函數(shù)收斂過程,統(tǒng)計了O-B/O-A (Observation-Background/Observation-Analysis)同化前后變化,以檢驗分析增長合理性。結果表明,AIRS輻射資料變分同化過程能穩(wěn)定收斂,且分析增長合理；同時,同化AIRS輻射資料后不僅改善了臺風個例72小時路徑預報,同時也提高了對臺風強度的預報精度。 (5)為鞏固本文研究成果,拓展應用可能,嘗試將直接廣播衛(wèi)星數(shù)據(jù)與區(qū)域同化模式相結合,研究基于WRF/GSI區(qū)域同化模式本地的準實時預報可行性�；谌A東師范大學X／L雙波段極軌衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收系統(tǒng),以威斯康星大學CIMSS (Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies)開發(fā)的CRAS(CIMSS Regional Assimilation System)簡化模式為先行載體,實現(xiàn)了本地的準實時預報,奠定了WRF/GSI本地準實時預報應用的根基。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P407
【目錄】：

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