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云液态水路径和总可降水量反演算法评估及在FY-3E的实现

董嫦娇  
【摘要】:大气中云液态水路径(CLW)和总可降水量(TPW)对研究云和降水的形成、改进灾害天气预测方法,以及全球气候系统分析等方面起着重大作用。这两个参数可由地基和卫星观测反演获得,但目前全球范围高质量云水产品较少。一般,地基与机载观测受空间分辨率、探测成本限制,很难获得全球连续分布的云水产品。极轨卫星覆盖范围更广,但是只有在其扫描范围内才能获取云水信息。利用星载微波探测仪器的23.8GHz和31.4GHz两个低频通道,可以反演出全球洋面的云液态水路径和总可降水量。2021年7月,中国风云3E(FY-3E)晨昏轨道气象卫星成功发射,该星上搭载的微波温度计(MWTS-Ⅲ)新增了上述两个重要通道。FY-3E可以提供更多大气参数的昼夜信息,也为清晨云遥感提供了新的机遇。本文首先使用先进辐射传输模拟系统(ARMS)确定了MWTS-Ⅲ通道1和2的极化方式。随后利用发展较成熟的先进技术微波探测仪(ATMS)数据,对经验和物理算法进行评估。下一步,对评估结果较优的物理算法进一步研究,简要分析了物理算法中CLW误差对地球物理参数的敏感性。最后,订正了基于发射的辐射传输模型偏差,并将物理算法移植到MWTS-Ⅲ。由FY-3E微波温度计生成的高质量云液态水路径和总可降水量产品已用于中国气象局数值预报模式同化系统,作为业务质量控制新方案。主要研究内容如下:(1)MWTS-Ⅲ目前正处于定标测试阶段,其通道极化方式并未明确规定。因此,使用ARMS分别模拟ATMS和MWTS-Ⅲ通道亮温,提出了一种定义MWTS-Ⅲ通道极化的方法。(2)基于ATMS观测数据,分别利用经验和物理算法反演出全球洋面CLW和TPW,与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第五代全球大气逐小时再分析资料(ERA5)进行时空匹配,并对比三种云水产品的结构和数值统计结果。结果表明,两种算法的云结构与ECMWF再分析云场基本一致,但经验算法产品在南半球中高纬地区偏高,物理算法与ERA5产品偏差更小;经验算法的TPW在热带地区偏高,物理算法与ERA5产品更接近。此外,西北太平洋不同轨道观测结果可以反映出更多的云水细节,通过物理算法的云液态水产品可以看出台风区云团垂直结构信息,并且该算法的云与VIIRS可见光云图更加一致,物理算法综合性能更优。(3)为了进一步研究物理算法原理特性,对多种云液态水路径和总可降水量产品进行纬度带统计,分析不同季节各产品随纬度的分布特征。结果表明,经验算法的CLW在中高纬度偏高,一维变分反演产品在热带地区液态水含量偏低;一维变分反演的TPW产品在北半球冬季偏低,经验算法在热带地区数值偏高。此外,研究发现云温一定程度上会影响CLW反演结果。随后对物理算法进行误差源灵敏度分析,研究海面温度和风速对CLW反演的影响。得出结论,当CLW含量相同时,低海温对其更敏感;海温对高含量CLW的影响更大。不同风速对含量相同的CLW影响程度相同;并且风速对含量低的CLW更敏感。(4)在物理反演过程中,发现星载被动微波探测仪的观测与反演模型存在一定误差,会降低反演产品质量,因此提出一种订正方法,分别对ATMS和MWTS-Ⅲ观测进行订正。随后选取ATMS和MWTS-Ⅲ同天观测数据,获得全球洋面云液态水路径和大气总可降水量,与ERA5产品进行对比。结果显示,MWTS-Ⅲ与ERA5的CLW产品在全球分布和数值大小均对应较好,西北太平洋上空的云团以及赤道附近的热带辐合带云系清晰可见;同时MWTS-Ⅲ与ATMS在全球海洋上空云系统相似,但MWTS-Ⅲ产品覆盖范围更广,轨道间几乎没有空白。对于TPW,MWTS-Ⅲ与ERA5产品十分吻合,定量分析显示,ATMS和MWTS-Ⅲ的TPW产品与ERA5再分析资料高度相关,两个仪器的探测性能相当。然而两条连续轨道产品有轻微不连续性,若两仪器在轨道过境时相近,可基于ATMS和MWTS-Ⅲ生成全球洋面微波观测的连续TPW产品。


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