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AOD卫星观测资料三维变分同化试验研究

蒋维东  
【摘要】:进行数值天气预报不可缺少的条件是通过气象资料来提供空间大气的动力学、热力学结构和状态。与常规资料相比,卫星资料在空间范围、分辨率、时空一致性等方面具有很大优势,因此,如何有效地结合卫星观测资料,提高数值预报的准确性,是一个有意义的研究课题。大气气溶胶是产生大气污染问题以及影响气候变化的重要因素,为了推动气溶胶卫星产品在大气化学成分模拟及大气环境预报方面的应用,本文采用三维变分同化方法,结合WRF-Chem大气化学模式,建立AOD观测算子,构建气溶胶光学厚度(AOD)资料直接同化系统。并设计同化试验,分析同化结果以及对预报效果的改进。本文的主要研究成果及结论:(1)使用美国NMC方法,模拟构造的针对中国区域的各气溶胶变量的背景误差协方差矩阵,较好反映了各个气溶胶变量背景误差的垂直特征:误差标准差与气溶胶粒子种类以及高度密切相关;各变量在边界层是局地性非常强的量,边界层大气(1-2km处)观测对分析的影响主要集中在观测位置周围的局部格点。(2)构建了AOD资料三维变分同化系统:结合CRTM辐射传输模式,建立AOD观测算子;同时将构造的气溶胶背景误差协方差矩阵应用到该同化系统中,使用气溶胶模式变量作为分析和控制变量,直接进行14种气溶胶变量三维质量浓度场的最优化分析。(3)完成了MODIS AOD和我国FY-3A/MERSI AOD资料同化试验研究,结果表明:AOD卫星观测资料同化对背景场起到了较好的调整作用,经过同化之后的分析场AOD分布与卫星实际观测更为接近,其中同化FY-3AAOD资料对背景场的调整作用优于MODIS.同化分析对500hpa以下的消光系数改善较明显,其中在750hpa (2km)高度以下的调整作用最大,改善效果很大程度上取决于同化产生正效应的观测点的地理位置。(4)同化系统较好的将实际观测信息调整到了模式的背景场之上,改善了模式的初始场,对数值预报产生了积极的效果。相比于控制试验,同化之后AOD的预报场与卫星实际观测更接近;AOD 24小时预报时序更能体现AOD的变化趋势,预报结果与AERONET观测网的实测更加吻合。其中FY-3A资料的同化对模式AOD预报能力的改进在我国西部和北部站点上比同化MODIS资料效果更好。


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