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《南京信息工程大学》 2015年
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卫星臭氧资料的质量控制与同化及其对热带气旋模拟的影响研究

刘寅  
【摘要】:在不同纬度、不同高度的臭氧浓度的高低与大气运动有直接关系,臭氧浓度的变化可以直接显示出天气尺度的波动,所以臭氧与许多大气参数具有相关性。基于臭氧总量和PV (potential vorticity)的密切关系,本文首先发展了AIRS (Atmospheric Infrared Sounder)臭氧资料和FY-3A (Fengyun-3A) TOU (Total Ozone Unit)臭氧资料的质量控制方案。随后,本文基于中尺度数值模式MM5发展并应用了AIRS臭氧资料的4D-Var (four-dimensional variational)同化方案,以改进热带气旋的数值预报。主要结论如下:(1) AIRS针对臭氧总量资料的原始质量控制方案是利用AIRS TPW的反演误差与AIRS TPW的比值作为筛选指标,但是此筛选标准使得AIRS TPW在热带气旋中心附近的反演值异常偏小,从而导致热带气旋中心附近大量的臭氧总量资料被筛除。针对此问题,本文发展了一种两步质量控制方案。在第一步中,将AIRS TPW替换为同一颗卫星平台上的AMSU TPW,再剔除掉新比值超过33%的资料。在第二步中利用臭氧总量与MPV的高相关性,建立了一个每日动态更新的线性回归模式,并基于此模式使用Biweight方案对通过第一步的资料进行处理。在两个台风个例和两个飓风个例中的试验表明,本文所发展的两步质量控制方案在提高资料质量的同时,可以保留热带气旋中心附近大量的AIRS臭氧资料。(2)为了在数值预报中应用TOU的臭氧资料,从资料同化角度发展了一套质量控制方案。首先基于臭氧总量和平均位势涡度的高相关性建立了逐日动态更新的臭氧线性回归预报模型,然后使用双权重算法对臭氧资料进行质量控制。将该质量控制方案应用于台风Tembin (2012)和Isaac(2012)个例,试验结果说明该方案可以体现出臭氧总量和平均位势涡度之间相关关系的逐日变化,识别出的离群资料百分比随时间变化较稳定,可以保留原始资料的主体信息,并且显著降低了原始资料的标准差。同时,质量控制后的臭氧数据与统计拟合量更加一致,观测减拟合的概率密度函数分布形式也更接近高斯分布,有利于后续的资料同化。(3)为了对AIRS臭氧总量资料进行同化,本文基于臭氧总量和PV之间的关系发展了一种4D-Var选层同化方案。首先从400—50 hPa之间的模式层中选出臭氧总量和PV的相关系数最高的5层,然后分层建立观测算子对AIRS臭氧总量资料进行4D-Var同化。将该同化方案应用到热带气旋Earl个例中,试验结果说明臭氧总量资料同化能够通过改善热带气旋高层的PV对中低层的PV产生影响。同化AIRS臭氧总量资料对模式中PV的调整又对热带气旋Earl的路径和强度预报产生积极影响。同化AIRS臭氧总量资料后,热带气旋Earl的暖心结构也得到增强。同时,试验结果表明热带气旋Earl路径预报的改进主要是由于同化试验中引导气流得到了调整。(4)为了进一步改进热带气旋数值预报,本文发展了一种BODA (bogus and ozone data assimilation)方案。首先,从400—50 hPa之间的模式层中选出臭氧总量和PV的相关系数最高的某些模式层,然后分层建立同化AIRS臭氧总量资料的观测算子。随后,通过4D-Var同化系统将臭氧资料同化与BDA (bogus data assimilation)结合,并通过多个个例的研究表明BODA方案的有效性。统计结果表明,使用4—6层模式层对AIRS臭氧资料进行同化可以显著改进热带气旋的路径和强度预报,同时热带气旋初始化所需的计算时间较为合理。与BDA方案相比,本文所发展的BODA方案对模式低层至高层的初始场都有显著调整。结果还表明,在使用BODA方案时同化层数对热带气旋的模拟有重要影响。值得注意的是,以合适的层数同化AIRS臭氧资料时,模式模拟不仅可以改进热带气旋Earl的路径预报,而且可以较好把握热带气旋Earl的强度以及强度变化。以上结果表明,AIRS臭氧资料包含丰富的高层大气信息,与低层bogus资料同时同化进入数值模式时,可以显著改进热带气旋初始化。
【学位授予单位】:南京信息工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:P412.27;P444

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