直接同化多种卫星辐射率资料对江淮暴雨预报影响研究

摘要

近年来暴雨、冰雹等自然灾害频发，给人们生活带来不便，给社会经济带来了巨大的损失。高光谱红外传感器可提供高分辨率的大气垂直温度和湿度数据，引入该数据已证明可以很大程度的改善全球模式的精度。对于区域模式而言，同化高光谱红外资料仍然存在很多问题待解决。现阶段国内有很多将AIRS数据同化到区域模式中研究，而对于欧洲中心的高光谱红外IASI数据，国内研究较少，仅对海上台风有少数同化模拟研究。
　　本文利用三维变分同化方法，结合中尺度WRF模式，探究IASI数据同化对区域模式暴雨模拟的改进效果。首先针对2014年6月一个月的预报结果，利用美国NMC方法统计研究区域的背景误差协方差。利用统计得到的背景误差协方差，针对2014年6月25～28的暴雨个例设计了两组试验。第一组试验为确定IASI资料具体的同化波段，对比分别同化常规观测数据、IASI温度探测波段、IASI湿度探测波段以及IASI所有波段，比较各组IASI试验同化结果。第二组试验根据第一组得到的结论同化IASI温度探测波段，并与同化AMSUA、MHS、HIRS4、ATOVS试验进行对比，分析几种资料对江淮暴雨预报效果改进的影响。得到主要结论为:
　　(1)针对模拟区域采用美国NMC方法统计背景误差协方差，可得到非平衡温度和假相对湿度是局地性很强的量，而流函数和非平衡速度势受边界层影响较大。
　　(2)从第一部分试验可知在代价函数和梯度图上证明同化IASI温度探测波段试验更易达到收敛;对初始场改进更合理;降水落区和降水强度的模拟与实况降水最为接近，说明针对本次个例而言，同化温度探测波段比同化湿度探测波段更合理。因此针对本次个例主要选择同化IASI温度探测波段。
　　(3)同化IASI温度探测波段试验与其他同化方案相比，进入同化系统内的数据点更多、对初始场改进效果明显、降水模拟和TS评分上结果也较好、误差分析中某些高度均方根误差小于其他方案。体现了IASI资料的应用价值。
　　(4)对比同化AMSUA、MHS、ATOVS三个试验方案，发现在降水场模拟、误差分析上会出现同化AMSUA和MHS方案结果较好，而同化ATOVS(AMSUA+MHS+HIRS4)方案效果较差。原因很可能是:同化多个数据可能带来更大的观测误差，相互抵消正效应，反而导致结果变差。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 资料同化的基本概念和方法

1．3 卫星资料同化国内外研究进展

1．3．1 微波资料同化国内外研究进展

1．3．2 高光谱红外资料同化国内外研究进展

1．4 本文的研究内容和结构

第二章 WRF模式及三维变分同化系统

2．1 WRF模式简介

2．1．1 WRF模式的结构流程

2．1．2 WRF模式的物理参数化方案

2．2 WRFDA同化系统简介

2．2．1 WRF-3DVar代价函数及其梯度

2．2．2 预处理

2．2．3 极小化算法

2．3 本章小结

第三章 卫星观测资料及处理

3．1 CRTM辐射传输模式简介

3．2 卫星观测资料简介

3．2．1 ATOVS辐射率资料介绍

3．2．2 IAIS辐射率资料介绍

3．3 卫星观测资料的质量控制

3．3．1 微波资料的质量控制

3．3．2 HIRS4卫星资料的质量控制

3．3．3 IASI卫星资料的质量控制

3．3．4 通道选择

3．4 卫星观测资料的偏差订正

3．4．1 扫描偏差订正

3．4．2 气团偏差订正

3．5 本章小结

第四章 统计江淮地区背景误差协方差矩阵

4．1 背景误差协方差的意义

4．2 背景误差协方差NMC方法

4．3 背景误差统计量分析

4．3．1 垂直特征矢量分析

4．3．2 特征长度尺度分析

4．4 本章小结

第五章 卫星辐射率资料的直接同化试验

5．1 暴雨个例介绍及模式参数设置

5．1．1 降水概况

5．1．2 环流形势分析

5．1．3 模式参数设置

5．2 IASI卫星资料同化试验方案及结果分析

5．2．1 试验方案设计

5．2．2 代价函数和梯度下降情况

5．2．3 对初始场基本变量的改进情况

5．2．4 降水预报场分析

5．2．5 小结

5．3 直接同化多种卫星辐射率资料试验

5．3．1 试验方案设计

5．3．2 资料分析

5．3．3 增量场分析

5．3．4 降水预报场分析

5．3．5 降水预报效果评估

5．3．6 误差分析

5．4 本章小结

第六章 结语与展望

6．1 本文主要结论

6．2 创新点

6．3 存在的问题及下一步工作

参考文献

作者简介

致谢