FY3大气垂直探测器辐射资料的同化应用研究

摘要

通过20多年的卫星资料在数值天气预报中的应用实践，特别是最近几年来，人们对如何在数值天气预报中正确使用卫星资料，已经有了很大的进步。国际上，美国、欧洲、英国等发达国家在数值天气预报中应用卫星资料方面取得了明显进步。美国在80年代末由NOAA和NASA联合进行了NMC/NESDIS/NASA联合研究计划，并建立了可用于业务运行的先进的资料同化/卫星资料反演/数值预报相互作用系统。根据最近NCEP的研究进展，将卫星晴空辐射率直接同化到数值模式中，使5天数值天气预报的距平相关百分比有明显提高，北半球从69％增加到73％，南半球从64％增加到72％，从而为数值预报中应用卫星资料打开了一条新的通路。 中国气象局现已建立起具有直接同化卫星辐射率资料能力的全球/区域三维变分同化系统(GRAPES3DVAR)。批量试验结果表明，卫星ATOVS资料对改进全球范围的中、短期数值预报及延长可预报时效方面有明显贡献。国家气象中心通过引进美国NCEP三维变分同化系统(SSI，GSI)，建立了全球ATOVS资料同化预报业务系统，为期8个月的准业务试验结果表明，卫星ATOVS资料的加入使中期数值预报在北半球的可用时间延长了半天。但是，当前同化的卫星资料主要是NOAA ATOVS辐射和国外静止卫星云导风资料在数值模式中的同化应用，国外数值模式中卫星数据使用率已达到85％，而我国则不到10％。 我国FY3极轨气象卫星于2008年5月26日发射成功，其上搭载的大气综合垂直探测器组与NOAAATOVS性能相近，这为在国内全球、区域资料同化系统中使用国产卫星大气垂直探测资料提供了数据源。但是，如何在同化系统中正确使用这些数据仍然是一个严峻的问题。 本文从变分同化的基本理论和卫星遥感大气辐射理论的分析着手，逐步分析了利用大气辐射传输在红外光谱和微波谱段的计算建立模式变量与卫星观测通道辐射亮温的函数影射关系。当辐射传输模式以拟线性表达，并具有与逐线积分的辐射传输模式具有相当精度的时候，就可以利用这种拟线性的快速辐射传输模式及其对应的正切线性、伴随模式，在变分同化的框架下建立卫星通道辐射亮温数据的直接变分同化系统。 利用传统大气辐射传输理论、数值逼近和残差分析的方法研究表明，在平面平行大气的假设前提下，将大气按照等压面进行分层，单色大气的光谱透过率可以利用Taylor级数展开成透过率解析表达的近似，并得到满足一定精度要求单色大气透过率的正演模拟。Taylor展开将透过率的解析表达分解为依赖于实时大气状态部分，通常称为预报因子；以及依赖于卫星光谱特征的部分，通常称为快速透过率系数，快速透过率系数的计算当前主要利用多元线性回归方法，先选定具有代表性的大气廓线样本，并利用逐线积分透过率模式计算在多种卫星天项角情况下的高光谱分辨率的大气逐层透过率，在根据定义的预报因子，采用多元线性回归的方法计算具有普适性的唯一的快速透过率系数。 分析了一般快速辐射传输模式的设计应该的原则，利用AIRS通道大气光学厚度的逐层积分表明：均匀混合气体预报因子对CO215μm的通道光学厚度预报效果较好，预报因子计算的通道光学厚度峰值与通道权重函数峰值基本位于邻近的等压面上，但对CO24.3μm通道的预报效果相对差一些；水汽预报因子在CO2吸收线远翼区的大气底层探测通道表现了极大的敏感性，甚至这些预报因子计算的通道光学厚度峰值还要大于均匀混合气体预报因子的积分贡献，对6.7μm水汽吸收带通道的预报效果表明，水汽预报因子反映的通道光学厚度峰值高度普遍偏低。针对现有的预报因子，应该着重解决高层大气中水汽吸收过程的描述。 当模式初始输入的大气温湿和O3廓线存在扰动的时候，相应模式计算的卫星通道亮温也会出现偏差。实验表明：在大气中高层，不同吸收线位置的通道对吸收线的吸收成分最为敏感，在大气低层，各通道的预报亮温明显受到水汽的影响。对于O3通道，O3的敏感性占据了主导地位。 利用快速辐射传输模式对红外分光计进行光谱通道的正演辐射传输计算，并且和由GENLN2计算的逐线透过率卷积而来的FY3红外分光计通道辐射值进行了对比分析。利用43条廓线进行的相关性精度检验，对于15μm和4.3μm的CO2吸收线的温度探测通道(通道1-7，14-19)，二者的标准差一般小于0.1K。对于6.7μm水气吸收线的通道11-13，误差明显增大到0.3K。使用34条具有匹配O3观测全球代表性廓线进行的独立廓线检验的结果，位于9.6μm O3吸收线的通道10的误差明显减小，从0.3K减小到0.1K。并且对15μm和4.3μm的CO2吸收线的温度探测通道(通道1-7，14-19)，标准差一般可以小于0.05K，6.7μm水气吸收线的通道误差小于0.2K，而窗区通道的标准差也小于0.35K。对微波温度计、微波湿度计的检验可以发现类似的结果。以上检验结果表明，该快速辐射传输模式及其计算的模式参数是准确、可靠的。模式性能可以满足未来红外分光计物理反演算法中对正演计算的精度要求。 根据FY3 VASS探测器的光谱、机械扫描特征和通道噪声特征，可以现有的NOAA16 ATOVS资料中选取相应的观测数据。对比IRAS与HIRS/3、MWTS与AMSUA、MWHS与AMSUB的通道光谱特征和机械扫描特征表明，IRAS观测完全可以利用HIRS/3的观测数据构建；MWTS可以通过调整AMSUA的观测数据构建MWTS的模拟资料；对于MWHS，在实际处理中可以通过忽略最边缘8个探测像元数据实现由AMSUB到MWHS观测数据的转变。分析6个卫星天项角情形下的正演统计偏差表明，不会由于ATOVS与VASS三个仪器的特征参数不同而导致正演偏差出现随卫星天顶角变化而单调变化的系统性误差的情形。 利用已经具有业务应用经验的GRAPES有限区域三维变分同化/预报模式系统作为框架，我们进一步开展了卫星大气垂直探测辐射资料，特别是FY3大气垂直探测器的辐射资料的直接同化应用实验。国内外的辐射资料同化使用经验表明，卫星微波大气探测资料的直接同化对数值模式预报的影响最大，特别是对台风路径预报的改进起到了关键作用。利用NOAA16 ATOVS资料构造FY3大气垂直探测器的模拟观测数据，对台风个进行同化应用影响评估发现，由于FY3大气垂直探测器相对于NOAA ATOVS而言，在微波大气温度探测功能上的极大简化(FY3的4个微波大气温度探测通道VS NOAAATOVS的15个通道)，FY3资料同化对台风预报的影响也就小了很多。但总体而言，我们仍然何以看到FY3大气垂直探测辐射资料的直接同化对于台风数值预报的正贡献。

目录

文摘

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致谢

第一章 绪论

1.1数值预报技术的发展及其对观测资料的需求

1.2卫星资料在数值天气预报中的同化应用

1.3 卫星探测器的发展和卫星资料

1.3.1 卫星大气垂直探测系统的发展

1.3.2 TIROS-N 业务垂直探测仪(TOVS)

1.3.3先进的TIROS业务垂直探测仪(ATOVS)

1.3.4 国外高光谱大气探测仪

1.4我国卫星大气垂直探测器的发展

1.4.1红外分光计(IRAS)

1.4.2微波温度计(MWTS)

1.4.3微波湿度计(MWHS)

1.5 问题的提出及其解决方案

1.6本文的主要创新点

第二章 卫星大气遥感原理及其变分同化基本理论

2.1变分同化基本理论

2.1.1变分(目标函数)方法

2.1.2三维变分同化(3DVAR)

2.2卫星大气遥感原理

2.2.1大气气体的吸收特性

2.2.2大气参数的垂直探测原理

2.2.3大气温度卫星遥感

2.2.4大气湿度卫星遥感

2.3快速辐射传输模式

2.3.1逐线积分模式

2.3.2快速辐射传输模式

第三章 快速辐射传输模式分析

3.1快速辐射传输模式的构建

3.2卫星传感器通道的快速透过率系数的计算

3.3.1 PLANCK带宽订正系数

3.3.2卫星传感器通道的快速透过率系数

3.3卫星传感器快速通道光学厚度因子分析

3.3.1红外高光谱

3.3.2红外低光谱

3.3.3微波谱段

3.4卫星传感器对快速辐射传输模式大气吸收成分的敏感性分析

3.4.1红外光谱

3.4.2微波谱段

3.5模拟FY2B红外和水汽成像通道辐射率

3.5.1 透过率系数的计算

3.5.2实验分析

第四章 构造FY3大气垂直探测器资料

4.1 计算FY3大气垂直探测器的通道快速透过率系数

4.1.1精确的单色大气透过率计算

4.1.2精确通道透过率的计算

4.1.3 FY3大气垂直探测器快速通道透过率系数的计算

4.2 FY3大气垂直探测器通道快速透过率系数的检验

4.2.1红外分光计

4.2.2微波温度计和微波湿度计

4.3构造FY3大气垂直探测器的辐射资料

4.3.1 ATOVS与VASS的光谱特征分析

4.3.2 ATOVS与VASS的仪器特征分析

4.3.3 ATOVS与VASS的正演模拟分析

第五章 FY3大气垂直探测器辐射资料对台风数值预报的影响

5.1 利用晴空ATOVS／HIRS亮温数据进行中尺度四维变分同化

5.1.1 MM5四维变分同化系统

5.1.2 HIRS晴空辐射亮温的MM5四维变分同化系统

5.1.3试验和结果分析

5.2 GRAPES区域三维变分同化／预报模式系统

5.2.1 GRAPES区域三维变分同化系统

5.2.2在GRAPES区域三维变分同化系统中引进FY3大气垂直探测器辐射亮温资料的同化

5.3模拟大气垂直探测器辐射资料对台风数值预报的影响

5.4真实FY3大气垂直探测器辐射资料的正演误差分析

5.4.1 快速正演的FY3 MWHS辐射亮温与观测的误差分析

5.4.2晴空快速正演的FY3 MWHS辐射亮温与观测的误差分析

5.4.3 改进FY3大气垂直探测器微波快速辐射传输算法

第六章 总结及其未来规划

6.1 论文小结

6.2下一步工作规划

参考文献

博士在读期间发表和完成的论文