FY--3C微波湿度计资料在GRAPES--GFS模式中的同化应用

摘要

资料同化是改进数值预报的有效途径之一。上世纪70年代，卫星资料的加入使资料同化有了进一步的发展。在众多的卫星观测资料中，对于包含水汽信息的卫星资料同化的研究尤为关键。研究表明，中层水汽初值的误差是数值预报，尤其是短期预报不确定性的重要来源。而由传统的常规观测资料获得的水汽资料时空分辨率低，并且缺乏高纬度和高原地区的资料。星载微波湿度计资料由于其覆盖范围广，分辨率高的特点，能很好地弥补常规资料的不足，同化微波湿度计资料对改善对流层中高层的水汽初始场精度有着重要意义。 本文对搭载于我国风云3号（FY-3C）的微波湿度计(MicroWave Humidity SounderⅡ—MWHS-2)资料在GRAPES-GFS模式中的同化应用进行研究。首先，运用主成分分析(PCA)的方法消除了MWHS-2观测资料中存在的条带噪音。结果表明将第一主成分进行5点平滑后重构观测数据可以有效地去除MWHS-2资料中沿扫描方向的观测噪音，重构后的MWHS资料沿扫描角变化特征与国外微波湿度计资料更为接近。在湿度计资料的质量控制过程中，在利用CRTM辐射传输模式分析湿度计单视场不同通道亮温对云参数的响应特征的基础上，利用亮温的通道间变率在有云条件下明显减小的特征建立了一个新的微波湿度计陆地资料的云检测方法。新的云检测算法能有效地剔除大部分受云影响的资料，对过冷水云、冰云、重叠云的检测能力较强，正确检测率可以达到80％以上，但是对卷云以及高度较低的水云的检测能力相对较弱。剔除后的晴空资料观测和模拟偏差更接近高斯分布。新方法能有效利用MWHS-2观测资料自身完成云检测，有很好的应用前景。完善质量控制方法后，研究针对MWHS-2水汽资料的特征，利用逐步回归的方法对MWHS-2气团偏差订正中的预报因子进行优选，增加了模式初估场地表温度和水汽总量，改进后的偏差订正方法能够使得观测残差更接近均值为0的正态分布。最后，将新的云检测方案和偏差订正方案应用到GRAPES全球模式中，以一次降水个例为例，探究了MWHS-2水汽资料对GRAPES全球模式的同化和预报效果的影响。结果表明，多次循环同化MWHS-2通道11、通道12观测资料对湿度场、温度场的分析和预报有正影响。新的云检测和偏差订正方案的加入能进一步改进500hPa位势高度、湿度和温度的初始场和预报场，与原方案相比有更小的平均偏差和均方根误差。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1研究背景和意义

1．2国内外研究进展

1．2．1微波湿度计资料云检测研究

1．2．2湿度资料的偏差订正研究

1．3论文的主要结构

第二章GRAPES-GFS模式三维变分同化系统介绍

2．1 GRAPES模式介绍

2．2GRAPES三维变分同化系统

2．2．1基本公式

2．2．2变量变换

2．2．3极小化算法

第三章卫星资料同化理论及资料介绍

3．1卫星辐射率资料的同化及其观测算子

3．2辐射传输模式介绍

3．3 FY-3C微波湿度计资料

第四章利用主成分分析法消除FY-3C微波湿度计条带噪音

4．1FY-3C微波湿度计中的条带噪音

4．2方法介绍

4．3结果分析

第五章FY-3C微波湿度计的陆地云检测

5．1利用CRTM快速辐射传输模式的敏感性试验

5．1．2 MWHS-2模拟亮温对云水含量的敏感性分析

5．2观测资料分析

5．3微波湿度计单视场陆地云检测方案

5．4效果检验

5．4．1对O-B的分析

5．4．2指数对不同云类的检测效果分析

5．4．3新方案在全球范围的适用性

5．5本章小结

第六章FY-3C微波湿度计在GRAPES-GFS中的偏差订正

6．1偏差订正方法

6．1．1扫描角偏差订正

6．1．2气团偏差订正

6．2资料处理

6．3偏差订正效果检验

6．4本章小结

第七章FY-3C微波湿度计资料在GRAPES模式中的同化试验

7．1天气过程分析

7．2试验方案设计

7．3结果分析

7．3．1增量分析

7．3．2与EC再分析资料比较

7．4本章小结

第八章结论与展望

8．1本文的主要结论

8．2论文创新点

8．3存在的问题和下一步工作计划

参考文献

附录

致谢