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高光谱红外辐射资料在区域模式中的直接同化及应用研究

刘延安  
【摘要】:在全球气候变化大背景下,近些年来,台风、暴雨等极端灾害性天气频繁发生,灾害损失和影响持续加重。高光谱红外大气探测资料可提供高分辨率的大气垂直温度和湿度信息,其同化应用己明显地改善了全球数值模式预报精度。随着人们对中小尺度灾害性天气的模拟和预测的重视,高光谱红外大气探测资料在区域模式中的应用研究逐步加强。然而,由于区域模式是以全球模式的预报场或分析场作为初始边界条件,不同分析时间卫星资料覆盖差异较大,而且与全球模式相比,总的可用同化资料有限,导致高光谱红外辐射资料在区域模式中的同化应用依然存在诸多难题。本文以中尺度模式WRF-ARW (Advanced Research Weather Research and Forecasting)为预报模式,通用模式GSI (Gridpoint Statistical Interpolation)作为同化系统,以AIRS (Atmospheric Infrared Sounder)红外辐射资料为例,结合中国及周边区域地形和气候特征,针对红外辐射资料同化研究中最重要的因素,背景场误差协方差调整和辐射偏差校正,开展了AIRS红外辐射资料区域同化应用研究,深化对高光谱红外辐射资料在区域同化过程的理解和认知,同时探索了背景场误差协方差(B矩阵)调整和辐射偏差校正对台风路径和强度预报的影响,实现AIRS红外辐射资料在区域模式中的同化应用。 本文的主要内容和研究成果如下: (1)基于NCEP (National Centers for Environmental Prediction) GDAS (Global Data Assimilation System)中使用的AIRS同化通道,利用温度敏感性分析法剔除权重函数中对区域模式顶高l0hPa以上有较大贡献的通道,诊断和分析GSI中云检测、数据稀疏化及阂值控制在亚洲区域资料质量控制效果,保证了同化数据的质量,为AIRS辐射资料区域同化应用奠定了基础。 (2)利用NMC(National Meteorological Center)方法,基于2个月预报统计,结合区域天气特征,估计区域B矩阵,并与GSI中预设全球B矩阵进行特征比较,加深了对区域B矩阵结构特征的理解。从当前NMC方法估计B矩阵存在问题出发,创新性地使用敏感性分析法对B矩阵中最重要的参数,水平长度尺度和标准差,进行了优化调整,并应用同化试验中,将其24小时的温度、湿度和风场预报与探空资料进行对比验证,研究表明区域统计B矩阵水平长度尺度存在尺度偏小,标准差偏大的问题。进而将B矩阵调整应用到台风预报试验研究中,发现调整后的B矩阵改善了WRF模式对台风个例72小时路径预报的精度。 (3)采用卫星扫描角偏差校正和气团质量校正方案,基于一个月更新,统计偏差时间序列变化特征,发现AIRS位于15μm CO2吸收波段的通道存在较大的扫描角偏差,且星下点偏差有明显时间依赖性,而其他通道的扫描角偏差较小,时间依赖性较弱,气团质量偏差校正中天顶角和温度递减率预测因子随区域模式资料覆盖影响而呈较大波动。利用新息(O-B,即观测辐射值减去模式背景场模拟辐射值)直方图分布,探究该方案在区域模式中偏差校正效果,结果表明,除几个地表通道外,绝大部分通道的校正效果达到预期,满足了新息统计的无偏性且服从正态分布的标准。在台风预报试验中,检验了辐射偏差校正对预报的影响,试验表明,相比于GDAS中提供的更新系数,使用本文研究的区域辐射偏差校正系数明显改进了台风个例72小时强度预报。 (4)在背景场误差协方差调整和辐射偏差校正研究基础上,以一次台风登陆个例,梳理了AIRS辐射资料在GSI3DVAR(Three-dimensional Variation)同化过程中代价函数收敛过程,统计了O-B/O-A (Observation-Background/Observation-Analysis)同化前后变化,以检验分析增长合理性。结果表明,AIRS辐射资料变分同化过程能稳定收敛,且分析增长合理;同时,同化AIRS辐射资料后不仅改善了台风个例72小时路径预报,同时也提高了对台风强度的预报精度。 (5)为巩固本文研究成果,拓展应用可能,尝试将直接广播卫星数据与区域同化模式相结合,研究基于WRF/GSI区域同化模式本地的准实时预报可行性。基于华东师范大学X/L双波段极轨卫星遥感数据接收系统,以威斯康星大学CIMSS (Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies)开发的CRAS(CIMSS Regional Assimilation System)简化模式为先行载体,实现了本地的准实时预报,奠定了WRF/GSI本地准实时预报应用的根基。


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