不同导风系统的云迹风资料及其在台风预报中同化应用的对比分析

摘要

西太平洋是全球热带气旋发生频率最高的海域，特别是东亚地区的中国和韩国都是受台风影响较为严重的国家。过去由于在海洋上的观测资料不足，对台风登陆前的研究十分有限。而近几年，云迹风等一系列高时空分辨率的气象卫星的非常规资料弥补了海洋上观测资料不足，特别是利用同化方法把非常规资料应用到模式中，可以有效地改善对台风路径的数值预报。 本文首先通过不同导风系统的云迹风资料的对比、云迹风资料和探空风资料的对比，得到CWIS(cloud motion wind inferring system developed by NUJIST)云迹风资料的误差特征。然后利用WRF模式的三维变分同化系统将CWIS云迹风资料引入模式，进行台风数值模拟试验和诊断分析，研究了云迹风资料在模式模拟中对台风预报的影响，并对比分析不同导风系统得到的云迹风资料的数值模拟差异。本研究可为提高台风的预报效果提供线索。主要得到以下结果： 1.通过对比CWIS、NSMC(中国气象局国家卫星中心)和JMSC(日本气象卫星中心)云迹风资料，并将这三种云迹风资料与探空风进行比较，评价了CWIS云迹风资料。CWIS的风速与JMSC、RAOB之间有较好的一致性，而CWIS的风向相对于NSMC、JMSC和RAOB差异较大。虽然CWIS存在一些误差，但CWIS云迹风资料可以较好地描述天气形势。 2.同化CWIS单通道的云迹风资料以及同时同化两个通道的云迹风资料对2005年第9号台风“麦莎”的路径预报有明显的改善作用，其中同时同化两个通道(时间间隔为3小时)的路径预报模拟结果更好。 3.CWIS、NSMC和JMSC云迹风资料对2005年第15号台风“卡努”路径预报都有不同程度的改善，减小的平均误差分别为49％、19％和39％。并且3小时间隔的云迹风资料模拟出的台风路径非常接近实况。GTS(探空，地面)资料模拟对台风路径预报出现负面现象，但是合并云迹风资料后，能改进其对台风路径的预报，尤其是合并JMSC云迹风资料后的同化结果比单独同化JMSC云迹风资料和GTS资料的模拟更好。同时同化各云迹风资料和GTS资料减小的平均误差分别为26％、15％和50％。 4.通过对台风2005年第14号“彩蝶”引发的特大暴雨的分析，发现此次暴雨在台风的倒槽内有中尺度对流云团产生。模式的降水预报中，从综合降水范围、中心位置和中心强度来看，云迹风资料对台风降水中心和强度都有较好的模拟能力。 5.积云对流参数化方案在模式模拟台风“彩蝶”路径的影响较大。与Betts-Millec-Janjic(BMJ)方案相比，Kain-Fritez(KF)方案能够更好地模拟出台风路径。使用KF方案时，选择微物理方案对于台风路径有更好的模拟结果。其中，Ferriec、WSM6和Lin方案非常接近于实况。JMSC云迹风资料在不同模式参数化方案中对台风预报的影响也有明显的差异，在KF方案中，只有选用Kessler方案时，同化云迹风资料才有比控制试验更好的结果。而在BMJ方案中，选用任何微物理方案，同化云迹风资料都比控制试验的结果好。

目录

声明

摘要

外文摘要

第一章绪论

1.1引言

1.2云迹风资料研究进展

1.3气象资料同化方法及其研究进展

1.3.1牛顿松弛法

1.3.2最优插值法

1.3.3统计动力法

1.3.4卡尔曼滤波和集合卡尔曼滤波

1.3.5变分同化方法

1.4研究目的、方法和内容

参考文献

第二章CWIS云迹风资料简介与评价

2.1 CWIS云迹风资料简介

2.1.1云迹风的图像识别算法

2.1.2云迹风的高度配准

2.1.3 CWIS云迹风的风矢编辑-质量控制

2.1.4 CWIS云迹风资料在台风分析风场应用

2.2 CWIS云迹风资料的质量评价

2.2.1 CWIS，JMSC与NSMC云迹风的逐点比较

2.2.2面向特征云系的云迹风资料比较分析

2.3云迹风资料与探空风资料比较

2.4本章小结

参考文献

第三章中尺度模式及三维变分同化系统介绍

3.1 WRF中尺度模式简介

3.2 WRF模式动力框架

3.3模式物理过程及参数化

3.3.1微物理过程参数化

3.3.2积云对流方案

3.3.3其他物理方案

3.4三维变分同化系统介绍

3.4.1WRF 3DVAR主要特点和结构

3.4.2背景场误差协方差矩阵的处理

参考文献

第四章CWIS云迹风资料对台风“麦莎”的数值模拟研究

4.1个例介绍和大气环流分析

4.1.1“麦莎”概况简介

4.1.2大气环流分析

4.1.3 CWIS云迹风资料

4.1.4试验方案

4.2变分同化结果分析

4.2.1同化分析场的均方差分析

4.2.2高度场分析

4.2.3风场分析场对比分析

4.2.4水平风场的垂直分布

4.3模式模拟结果分析

4.3.1台风路径数值预报

4.3.2台风强度数值预报

4.3.3高度场分析

4.3.4副高位置演变

4.3.5流场和风场分析

4.4其他诊断分析

4.4.1卫星云图分析

4.4.2相对涡度分析

4.4.3垂直速度分析

4.4.4散度场分析

4.5本章小结

参考文献

第五章不同导风系统云迹风资料的同化对比研究-以台风“卡努”为例

5.1个例介绍和大气环流分析

5.1.1个例介绍

5.1.2大气环流分析

5.2 CWIS云迹风资料对台风“卡努”的数值模拟研究

5.2.1数值模拟试验

5.2.2 CWIS云迹风资料

5.2.3变分同化结果分析

5.2.4模式模拟结果分析

5.3 NSMC云迹风资料对台风“卡努”的数值模拟研究

5.3.1数值模拟试验

5.3.2 NSMC云迹风资料

5.3.3变分同化结果分析

5.3.4模式模拟结果分析

5.4JMSC云迹风资料对台风“卡努”的数值模拟研究

5.4.1数值模拟试验

5.4.2JMSC云迹风资料

5.4.3变分同化结果分析

5.4.4模式模拟结果分析

5.5高分辨率的CWIS云迹风资料对台风的数值模拟试验

5.5.1台风路径数值预报

5.5.2同化结果分析

5.6本章小结

参考文献

第六章云迹风资料对模式物理参数化方案的影响—以JMSC云迹风资料研究台风“彩蝶”为例

6.1个列介绍和大气环流分析

6.1.1“彩蝶”概况简介

6.1.2大气环流分析

6.1.3JMSC云迹风资料

6.2JMSC云迹风资料对台风“彩蝶”的数值模拟研究

6.2.1数值模拟试验

6.2.2积云对流参数化方案与微物理方案对台风路径的影响

6.3云迹风资料对积云对流参数化方案与微物理方案的影响

6.3.1云迹风资料对KF积云对流参数化方案的影响

6.3.2云迹风资料对BMJ积云对流参数化方案的影响

6.4降水过程数值模拟试验

6.5模式模拟的分析场对比分析

6.5.1高度场分析

6.5.2水平风垂直变化

6.6各试验模拟的预报场对比分析

6.6.1高度场分析

6.6.2副高位置演变

6.6.3流场和风场分析

6.7台风“彩蝶”暴雨成因的分析

6.7.1卫星云图分析

6.7.2相当位温分析

6.7.3 850 hPa风场分析

6.7.4相对湿度分析

6.7.5相对涡度分析

6.7.6垂直速度分析

6.7.7辐散分析

6.8本章小结

参考文献

第七章总结和展望

7.1总结

7.2本研究的新意

7.3展望

致谢

博士在读期间发表论文情况