云区卫星微波资料直接变分同化研究

发布时间：2020-09-28 06:48

　　目前卫星资料广泛应用于数值天气预报系统,并明显地提高了数值天气预报的准确率。然而在进入同化系统前的预处理阶段,超过75%的卫星资料被剔除,其中一个关键原因就是受云和降水的影响。目前业务用资料同化系统大多只同化晴空卫星观测,导致在诸如台风、暴雨这类严重灾害天气系统中受云和降水影响的、具有巨大潜在意义的卫星资料都被直接剔除,这严重制约了卫星资料的应用。为探索云区卫星微波资料的直接变分同化,本文通过增加一维变分反演的云、雨参数信息与大气温度、湿度等参数共同作为资料同化系统的初猜场,弥补初猜场中云、雨参数的不足,启动辐射传输模式的散射模块,达到同化吸收云区卫星微波资料的目的。首先,针对卫星微波成像仪观测的无线电频率干扰(RFI)问题,提出一种新的无线电频率干扰识别算法(改进的主成分分析识别算法MPCA),以解决冰雪下垫面时成像仪观测中的无线电频率干扰难以识别的困难。将MPCA法的识别效果与现有的谱差法、PCA法、NPCA法和DPCA法的识别效果进行比较,发现新的MPCA法普适性广、计算效率高,为后续的微波成像仪资料的使用奠定了基础。基于无线电干扰订正后的成像仪观测利用一维变分算法反演云、雨参数,包括云液水含量、云冰水含量和雨水含量垂直廓线。将反演廓线与CloudSat云雷达观测进行比较,发现水成物分布在垂直剖面上与CloudSat的云雷达回波对应良好。进一步对比晴空、有云两种情况下辐射传输模式对亮度温度的模拟效果,发现如果初猜场中不补充额外的云、雨参数信息,CRTM并不能模拟出洋面上与实际观测接近的台风云系,对于微波低频通道晴空模拟亮温比观测亮温普遍偏低；而对于高频通道晴空模拟亮温比观测亮温普遍偏高,并且这种晴空模拟亮温与观测亮温间的偏差非常大。而增加反演的云、雨廓线与大气温、湿廓线共同作为辐射传输模式的输入参数后,CRTM模式在AMSR-2各通道均可以较好地模拟出台风外形轮廓、强度及螺旋结构,有云模拟亮温与观测亮温间的偏差明显降低,大大增加了吸收入同化系统的卫星资料量。最后,将反演的云、雨廓线与大气温度、湿度等参量共同作为三维变分资料同化系统(GSI)的初猜场,直接同化云区AMSU-A亮度温度资料。本文以2014年8月台风“夏浪”成熟阶段的观测资料为例,设计三组平行同化试验,即控制试验、同化试验1和同化试验2。其中控制试验只同化常规观测资料,试验1同化常规观测资料和晴空区AMSU-A观测资料,而试验2则利用本研究提出的云区直接变分同化方案,同化常规观测资料和全天候AMSU-A观测资料。比较三组试验的同化分析场,发现试验2可有效提高卫星资料利用率,改进大尺度的温度、湿度和风场,特别是对台风高空暖核有明显改进。虽然改进台风暖核并不能马上改进海表气压场、进而改进初始阶段台风的位置和强度,但在WRF强模式的积分过程中,随着积分时间延长,暖核的增强(减弱)通过加大(减小)与周围环境的梯度帮助模式动力场产生更强(减弱)的气旋。因此尽管在初始同化时刻模拟的台风位置并不靠近观测台风,但是随着同化循环及预报时间的增加,试验2逐渐减少了对台风路径的预报误差。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P407.7
【部分图文】：

亮度温度,升轨,日美,水平极化

它观测通道并没有出现，因此这些＂热点＂即为潜在的受ＲＦＩ污染的区域。另外，由于冰逡逑雪地表的散射作用随着频率的升高而逐渐增大，导致冰雪区的观测亮度温度随着频率的逡逑升高而逐渐降低。通过图３．１ａ到图３．１ｆ，６幅ＡＭＳＲ－Ｅ从低到高频率通道的亮度温度图逡逑的比较可Ｗ发现，美国北部（４０°Ｎ邋Ｗ北区域）观测亮度温度随频率升高而逐渐减低的逡逑区域即为冰雪覆盖区，特别是８９邋ＧＨｚ高频通道（图３．１ｆ）中亮度n戎档陀冢玻玻板澹说腻义锨颉ｅ义蟇W逡逑２（）逦＾邋ｅｅｒｉｅｒ逦ＰＣ逦２（）逦＼，ｃ。，。，。。逡逑１．＾０邋Ｗ邋１２０逦Ｗ邋１１０邋Ｗ邋ＫＫ）邋Ｗ邋９０邋＼＼－邋ＸＯ邋Ｗ邋７０邋Ｗ邋６０邋Ｗ邋１＾０邋Ｗ逦１２０邋＼Ｖ邋１１０邋Ｗ邋１００逦Ｗ逦＜；（）邋Ｗ＊邋８０邋Ｗ邋７０邋Ｗ邋６０逦Ｗ逡逑，，，？、＇！逦、Ｉ。？．…Ｉ邋＿Ｊ逦、逦｛州逡逑？ｉ＼Ｊ邋＾邋０逦ｅ逦ｃ逦？逦ｒ逦Ｉ逦ｏ逦ｏ逦六。逦ｅ逦？逦■逦？逦，逦０逦。逡逑１．＾０邋Ｗ邋１２０邋Ｗ邋１１０邋Ｗ邋１００邋＼Ｖ邋９０邋Ｗ邋ＫＯ邋＼Ｖ邋７０邋Ｗ邋６０邋Ｕ邋１．＾０邋Ｗ邋１２０邋Ｗ邋１１０邋Ｗ邋１００邋Ｗ邋９０邋Ｗ＊邋８０邋＼Ｙ邋７０邋Ｗ邋６（ＭＶ逡逑———Ｍ逦Ｉ—＾＾＾１邋…逡逑２ＩＨ？逦２２１１逦２４０逦２６０逦２邋ＳＯ逦义邋ｍ逦３２０逡逑图３．１逦２０１１年２月１０日美国大陆ＡＭＳ民－Ｅ升轨水平极化通道观测亮度温度图；（ａ）６．９邋ＧＨｚ、（ｂ）１０．７逡逑ＧＨｚ、似邋１８．７邋ＧＨｚ、州邋２３．８邋ＧＨｚ、（ｅ）％＇５邋ＧＨｚ、（ｆ）邋８９邋ＧＨｚ逡逑表３．２中给出了具体的本研究范围内各观测通道间的相关系数

分布情况,升轨,观测资料,分布情况

３６Ｈ逦１．００００逡逑同时从图３．１中６个不同频率通道的亮度温度W 也可Ｗ进一步表明，美国大陆地区逡逑主要是在６．９邋Ｇ化通道易受民ＦＩ污染，其它通道并没有出现由ＲＦＩ污染导致的异常高温逡逑现象。因此，政６．９邋Ｇ化水平极化通道的ＲＦＩ识别为例，ＭＰＣＡ法兰个输入变量如图３．２逡逑所示，即民Ｉ６Ｈ邋（图邋３．２ａ）、ＳＩｈ邋（图邋３．２ｂ）、ＳＩｖ邋（图邋３．２ｃ）。逡逑１－Ｖ）邋Ｗ邋１２０邋＼Ｖ邋１１０邋＼Ｖ邋１０，ＭＶ逦９０邋＼Ｖ邋８ｔＭＶ逦７０逦＼Ｖ逦６（ＭＶ逦１邋如邋Ｕ．逦１邋三０逦从．１１０、、．逦１００逦＼Ｖ逦９０逦＼Ｖ邋８０邋Ｗ逦乃）＼Ｖ逦６０邋Ｗ逡逑—Ｉ逦—１＾—ＩＩＩ逡逑－３０邋－２５邋－２０邋－１５邋－１０邋－５逦０逦５逦１０逦１５逦２０逦２５逦Ｍ）逦－Ｍ）邋－２５逦－２０逦－１５邋－１０逦－５逦０逦５逦１０邋１５逦２０逦２５逦３０逡逑R%Ｖ瑞。＼Ｖ邋１２０、Ｖ邋１１０邋＼Ｖ邋Ｕ化Ｉ。、Ｖ邋Ｗ。＼Ｖ邋８（ｉ。Ｗ邋７０。、Ｖ邋６０。＼Ｖ逡逑＾￣￣￣邋－邋＇逡逑－．＾０邋－２５邋－２０邋－１５邋－１０逦－５逦０逦５逦１０逦１５逦２０逦２５逦３０逡逑图３．２逦２０１１年２月１０日ＡＭＳＲ－Ｅ升轨观测资料构

分布情况,日美,个例

量（变量）图：（ａ）ＭＰＣＡ法、（ｂ槽差法（剔除冰雪区观测资料）、似ＰＣＡ法、州ＮＰＣＡ法、（ｅ）ＤＰＣＡ逡逑法；讯将ＭＰＣＡ法应用于２０Ｈ年７月４日的夏季观测资料逡逑进一步的针对研究个例，图３．５ａ￣３．５ｅ分别给出了邋ＭＰＣＡ法、谱差法、ＰＣＡ法、ＮＰＣＡ逡逑法和ＤＰＣＡ法识别出的ＲＦＩ分布情况，而不受ＲＦＩ污染的区域Ｗ灰色表示。ＭＰＣＡ法逡逑识别的冬季个例的ＲＦＩ的强度和范围（图３．５ａ）与ＭＰＣＡ法识别夏季个例（图３．５ｆ）邋Ｗ逡逑及ＤＰＣＡ法（图３．５ｅ）的识别效果一致性非常好。谱差法（图３．化）则直接剔除了冰雪逡逑覆盖的ＲＦＩ源

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