红外高光谱晴空通道云检测在变分同化中的应用研究

摘要

数值天气预报技术的实时化和精细化发展对大气观测提出了新的要求。大气红外探测器(AIRS)作为大气层垂直探测仪器，每天可提供四次全球观测，具有高空间分辨率、高光谱分辨率和高辐射分辨率的特点。
　　AIRS的通道数量多达2378个，直接进行同化会对系统带来巨大的计算压力。其通道之间的高相关性也会对同化效果造成负效应。因此，针对红外高光谱的辐射传输模式出现了一些新方法。本文以适合于红外波段的辐射传输方程为基础，研究了AIRS通道的权重函数分布特点。在红外高光谱资料同化观测算子空间插值转换算法的设计中，由于AIRS通道间权重函数分布较密、锐度较大，原有的线性插值算法会导致通道 Jacobian廓线在不同垂直坐标插值中出现了振荡现象，本文通过引入分段线性对数插值方法，改善了插值后Jacobian廓线的性状。
　　由于云对于红外辐射而言可以近似看做黑体，而AIRS完全无云的观测视场只占全部视场的10％左右，因此云检测是资料用于同化之前不可缺少的关键步骤。而对于红外高光谱资料而言，直接丢弃受云污染的视场资料会造成巨大浪费。基于晴空通道的云检测方案可以识别视场中的晴空通道，因而避免了资料浪费并给同化系统带入了云顶之上的大气信息。目前 WRFDA中云检测方案包含了基于晴空视场的NESDIS-Goldberg云检测方案，本文在详细论述晴空通道云检测方案各组成部分原理的基础上，完成了晴空通道云检测算法与 WRFDA系统的对接。针对原有晴空通道云检测理论中通道高度计算较为粗略、不同通道指定的通道高度可能相同的问题，本文设计了新参数，使得改进后计算得到的通道高度精确到小数点两位。另外对于晴空通道搜索算法中的低冷情况的判断进行了完善优化，通过加入新的判定条件，修正了其错误判定晴空视场的现象。
　　本文在设计搭建了一套同化预报试验系统的基础上，对晴空通道和晴空视场两种云检测方法从云检测效果、分析场、预报场和台风路径进行了对比。结果表明：(1)晴空通道云检测中高层通道(chan1766，6600个)进入同化系统的FOV数目大于低层通道(chan362，5800个)；(2)晴空通道的云检测方案检测云的能力强于NESDIS-Goldberg方案；(3)晴空通道云检测对应的分析场均方根误差RMSE更小(4)晴空通道的云检测方案把更多大气对流层云顶之上的辐射信息带进了同化系统，显著改善了对流层低层温度、湿度以及中高层风场的精确度；(5)对两种分析场进行预报后，晴空通道云检测所对应的台风路径与实际观测更加接近。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 变分资料同化技术

1.2 红外高光谱资料对数值预报的重要作用

1.3 红外高光谱资料同化技术的发展现状

1.4 主要工作及论文结构

第二章 红外高光谱辐射传输模式及其同化观测算子设计

2.1 AIRS仪器参数及其观测资料预处理

2.2 适用于红外高光谱资料的辐射传输模式

2.3 模式空间到观测空间的转换算法

2.4 辐射传输模式RTTOV的调用

2.5 本章小结

第三章 晴空通道云检测算法设计及其在WRFDA中的实现

3.1 基于晴空通道的云检测方案

3.2 晴空通道云检测算法结构框架

3.3 晴空通道云检测方案与WRFDA系统的对接

3.4 本章小结

第四章 晴空通道云检测在WRFDA中的效果评价

4.1 试验系统的设计搭建及运行流程

4.2 试验系统中对AIRS资料的数据调整

4.3 天气过程介绍和试验设计

4.4 试验结果分析

4.5 试验结论

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 下一步工作

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果