本文關鍵詞：基于WRF模式的暖云降水潛熱物理反演算法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：降水潛熱是驅動區(qū)域和全球大氣環(huán)流的主要能量來源,準確把握潛熱垂直結構是正確理解Walker環(huán)流、厄爾尼諾南方濤動(El Nino and Southern Oscillation,簡稱ENSO)、季風、熱帶太平洋30-60天低頻震蕩(Madden-Juian oscillation,簡稱MJO)、臺風和鋒面等不同尺度大氣現象的前提。然而,現有的衛(wèi)星潛熱反演產品大多以查表法為主,對云模式的依賴性較大,而對潛熱與云和降水可觀測量之間的物理聯系發(fā)掘不夠。最近出現的潛熱反演物理算法(CPPROF)則充分利用了衛(wèi)星觀測的高分辨率云水和雨水廓線信息,基于云物理基本原理構建了潛熱與云和降水的定量聯系,對模式依賴性小,有很好的反演效果。但該方法在模式敏感性、算法實用性方面還亟待完善。本論文首先深入分析了基于查表法的衛(wèi)星反演潛熱產品(以TRMM, Tropical Rainfall Measuring Mission,2A12產品為例)的不確定性,闡明了發(fā)展?jié)摕岱囱菸锢硭惴ǖ谋匾�；其次利用WRF (Weather Research Forcasting Model)模式的模擬結果,研究了潛熱對多種大氣可觀測量的相關性,提出了潛熱反演物理算法的改進方向；再次,檢驗了CPPROF算法反演的效果對模式中不同微物理方案的敏感性,證明了該算法在不同模式中的通用性；最后,借助WRF模式對全球不同暖云降水系統(tǒng)的模擬,開發(fā)了基于云頂高度(Cloud Top Height,簡稱CTH)、云水路徑(Cloud Water Path,簡稱CWP)和近地表降水率(Near Surface Rain Rate,簡稱NSRR)的暖云降水云水廓線反演查算表算法,實現了CPPROF算法反演暖云降水潛熱的業(yè)務化。取得的具體結果如下：(1)基于查表法的衛(wèi)星反演潛熱產品的檢驗和評估本文針對潛熱資料不易直接檢驗的特點,首先匹配融合了TRMM 2A12、 1B11(微波成像儀資料)和1801(可見光和近紅外掃描儀數據)資料。借助融合資料中的紅外和微波信號,對云頂高度和云相態(tài)進行了分類識別。通過評估2A12資料云水廓線的合理性來間接評估潛熱廓線的垂直結構。檢驗結果表明,由于2A12資料僅利用云頂和微波亮溫作為潛熱反演的查表要素,未利用云頂溫度對潛熱廓線進行約束,未建立潛熱與具體云雨垂直結構的物理聯系,因此其結果出現了一定程度的誤差。具體表現為：2A12反演的降水冰云基本合理,降水冰云云層深厚,潛熱廓線表現出了明顯的對流降水加熱形態(tài),統(tǒng)計顯示合理的降水冰云比例達到70%以上；不確定降水冰云多為層云或卷云,云層較薄,云量較少,2A12資料常將此類云誤判為暖云,統(tǒng)計顯示合理的不確定降水冰云比例不到1%；盡管降水暖云紅外云頂亮溫較高(278K)、微波的冰粒子散射信號不強(280K),但2A12資料仍會將其誤判為冰云,統(tǒng)計顯示誤判的比例不高(少于10%)。多年臺風的統(tǒng)計結果顯示,隨著云頂亮溫的降低(云頂高度增加),2A12資料反演的云液水量、云冰量和潛熱加熱廓線都會相應的增大,但不能很好的反映云頂高度的變化。(2)潛熱與不同大氣參數的相關性借助WRF模式對CHABA臺風個例成熟期的模擬,分析了不同類型潛熱及大氣可觀測量的分布特征；并檢驗了潛熱與云水量(Cloud Water Content,簡稱CWC)、降水率(Rain Rate,簡稱Rr)、垂直風速(Vertical Velocity,簡稱W)、降水率的垂直梯度(dRr/dz)等多種大氣可觀測量的相關性。對流降水云層深厚,CWC主要分布在凍結層以下,潛熱釋放主要來自水汽的凝結；層云降水云底較高,凍結層以上以潛熱釋放為主,且主要來自水汽的凝華,凍結層以下以蒸發(fā)過程為主,潛熱為負。暖云降水云層淺薄,對流不強,潛熱釋放也較弱。潛熱與大氣可觀測量敏感性檢驗表明,凝結潛熱與CWC、Rr、W及dRr/dz都有很強的相關性,其中與W的相關性最強,相關系數最高可達0.9(對流降水)；未來的算法應考慮增加W和dRr/dZ作為潛熱反演的輸入參數。(3)CPPROF凝結潛熱反演對WRF模式不同微物理方案的敏感性分別利用WRF模式的不同微物理參數化方案對同一臺風個例進行了模擬。檢驗了凝結潛熱在不同微物理方案中與雨水碰并增長率的相關性,發(fā)現凝結潛熱與碰并增長率在不同微物理方案中一致性非常好。除MORRISON方案中的對流降水外,凝結潛熱與碰并項的平均結果在不同類型降水和不同微物理方案中都非常接近。該檢驗說明CPPROF算法所建立的潛熱與雨水碰并項物理聯系在不同模式中均適用,算法在不同模式平臺之間的移植性性較好。建立了基于不依賴特定微物理假設的CPPROF算法綜合參數化方案,實現了算法從二維模式到三維模式的移植、從特定微物理模式向多種微物理模式的移植。通過反演驗證發(fā)現,該參數化方法能夠很好的抓住潛熱的主要特征,所反演的潛熱平均廓線與真值非常一致。(4)暖云降水云水廓線的反演CPPROF的重要輸入量云水廓線以前未能獨立的反演,限制了該算法走向實際應用。本研究利用WRF模式對全球不同區(qū)域多個暖云降水系統(tǒng)進行了模擬,創(chuàng)建了云水廓線數據庫。開發(fā)了利用CTH、CWP和NSRR反演云厚(Cloud Depth,簡稱CD)的新方法；建立了運用CTH、云底高度(Cloud Bottom Height,簡稱CBH)和CWP三個云參數反演暖云降水中云水廓線新算法。云水廓線反演在不同微物理方案、不同降水系統(tǒng)和與CloudSat衛(wèi)星實測資料對比檢驗中表明,雖然不同微物理方案的云水參數化不同,不同降水系統(tǒng)大氣的動力和熱力條件差異很大,但本算法準確可信,反演的云水廓線在不同尺度上都能很好的與模式“真值”或實測結果保持一致。
【關鍵詞】：潛熱 潛熱廓線 潛熱反演算法 微物理方案 云水量 云水廓線 云水路徑 暖云降水 WRF模式 TRMM衛(wèi)星
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P426.6;P435
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-15
• 第1章 緒論15-29
• 1.1 潛熱的重要性15-20
• 1.1.1 潛熱與地氣系統(tǒng)15-16
• 1.1.2 潛熱與大氣環(huán)流16-18
• 1.1.3 潛熱與天氣系統(tǒng)18-20
• 1.2 潛熱反演研究的現狀20-22
• 1.3 暖云降水介紹22-25
• 1.3.1 暖云降水微物理過程23-24
• 1.3.2 云水廓線反演研究介紹24-25
• 1.4 基于云水及降水廓線的潛熱反演算法(CPPROF)介紹25-27
• 1.5 本論文研究的內容27-29
• 第2章 資料、模式和方法29-51
• 2.1 資料介紹29-35
• 2.1.1 TRMM衛(wèi)星及TMI資料介紹29-32
• 2.1.2 TRMM VIRS 1801資料介紹32
• 2.1.3 TRMM PR 2A25降水資料32-33
• 2.1.4 TRMM PR 2H25潛熱資料33
• 2.1.5 CloudSat衛(wèi)星及云產品介紹33-34
• 2.1.6 NCEP-FNL再分析資料34
• 2.1.7 JTWC臺風軌跡資料34-35
• 2.2 模式介紹和試驗設計35-43
• 2.2.1 WRF模式介紹35-37
• 2.2.2 WRF模式云微物理方案介紹37-38
• 2.2.3 CHABA臺風個例模擬38-40
• 2.2.4 暖云降水模擬及實驗設計40-43
• 2.3 研究方法43-51
• 2.3.1 2A12與1801資料的匹配及融合43-44
• 2.3.2 微波和紅外信號結合的云分類方法44-45
• 2.3.3 降水雨型的分類45
• 2.3.4 Levenberg-Marquardt非線性擬合方法45-46
• 2.3.5 WRF模式中潛熱的獲取46-48
• 2.3.6 WRF模式中降水率的獲取48-51
• 第3章 現有衛(wèi)星潛熱產品的不確定性分析——以TRMM 2A12為例51-69
• 3.1 西太平洋臺風個例分析51-64
• 3.1.1 臺風過程簡介51-52
• 3.1.2 融合數據的檢驗52-53
• 3.1.3 臺風個例中水成物及潛熱廓線的檢驗53-59
• 3.1.4 個例對比分析59-64
• 3.2 多年臺風水成物及潛熱廓線的統(tǒng)計檢驗64-66
• 3.3 本章小結66-69
• 第4章 潛熱對多種大氣可觀測量的相關性69-85
• 4.1 臺風模擬及檢驗69-71
• 4.1.1 臺風過程簡介69-70
• 4.1.2 模擬結果檢驗70-71
• 4.2 潛熱與各物理量的相關性分析71-80
• 4.2.1 潛熱及各物理量的空間分布特征71-75
• 4.2.2 凝結潛熱與CWC、Rr、W和dRr/dz的相關性75-78
• 4.2.3 蒸發(fā)潛熱與CWC、Rr、W和dRr/dz的相關性78-80
• 4.3 潛熱反演與其它可觀測量的相關性分析80-83
• 4.4 本章小結83-85
• 第5章 凝結潛熱對WRF模式不同微物理方案的敏感性分析85-101
• 5.1 臺風模擬85-88
• 5.1.1 臺風模擬路徑比較85-86
• 5.1.2 臺風模擬云水路徑和柱潛熱與觀測的比較86-88
• 5.2 凝結潛熱與碰并增長項在不同微物理方案下的敏感性88-92
• 5.3 凝結潛熱反演結果分析92-100
• 5.3.1 不同微物理方案各自反演凝結潛熱分析92-96
• 5.3.2 總的凝結潛熱反演分析96-100
• 5.4 本章小結100-101
• 第6章 暖云降水中云水廓線的反演101-119
• 6.1 云水廓線反演過程介紹101-105
• 6.1.1 模式模擬結果的檢驗101-104
• 6.1.2 云水廓線反演思路104-105
• 6.2 云水廓線參照表的創(chuàng)建105-108
• 6.2.1 基于D1_WSM6模擬創(chuàng)建的參照表105-107
• 6.2.2 基于D1-D7區(qū)域模擬創(chuàng)建的參照表107-108
• 6.3 云底高度(云厚)的反演108-110
• 6.4 云水廓線反演的檢驗110-116
• 6.4.1 基于D1區(qū)域不同微物理方案云水廓線反演的檢驗111-113
• 6.4.2 基于不同區(qū)域云水廓線反演的檢驗113-115
• 6.4.3 基于CloudSat云廓線雷達數據的檢驗115-116
• 6.5 本章小結116-119
• 第7章 總結與展望119-125
• 7.1 本論文主要結論119-122
• 7.2 論文工作的創(chuàng)新點122
• 7.3 未來工作展望122-125
• 參考文獻125-143
• 附錄 論文中英文縮寫相應全稱對照表143-145
• 致謝145-147
• 在讀期間發(fā)表的學術論文147

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本文編號：385794