云区卫星微波资料直接变分同化研究

摘要

目前卫星资料广泛应用于数值天气预报系统，并明显地提高了数值天气预报的准确率。然而在进入同化系统前的预处理阶段，超过75%的卫星资料被剔除，其中一个关键原因就是受云和降水的影响。目前业务用资料同化系统大多只同化晴空卫星观测，导致在诸如台风、暴雨这类严重灾害天气系统中受云和降水影响的、具有巨大潜在意义的卫星资料都被直接剔除，这严重制约了卫星资料的应用。为探索云区卫星微波资料的直接变分同化，本文通过增加一维变分反演的云、雨参数信息与大气温度、湿度等参数共同作为资料同化系统的初猜场，弥补初猜场中云、雨参数的不足，启动辐射传输模式的散射模块，达到同化吸收云区卫星微波资料的目的。　　首先，针对卫星微波成像仪观测的无线电频率干扰(RFI)问题，提出一种新的无线电频率干扰识别算法(改进的主成分分析识别算法MPCA)，以解决冰雪下垫面时成像仪观测中的无线电频率干扰难以识别的困难。将MPCA法的识别效果与现有的谱差法、PCA法、NPCA法和DPCA法的识别效果进行比较，发现新的MPCA法普适性广、计算效率高，为后续的微波成像仪资料的使用奠定了基础。　　基于无线电干扰订正后的成像仪观测利用一维变分算法反演云、雨参数，包括云液水含量、云冰水含量和雨水含量垂直廓线。将反演廓线与CloudSat云雷达观测进行比较，发现水成物分布在垂直剖面上与CloudSat的云雷达回波对应良好。进一步对比晴空、有云两种情况下辐射传输模式对亮度温度的模拟效果，发现如果初猜场中不补充额外的云、雨参数信息，CRTM并不能模拟出洋面上与实际观测接近的台风云系，对于微波低频通道晴空模拟亮温比观测亮温普遍偏低；而对于高频通道晴空模拟亮温比观测亮温普遍偏高，并且这种晴空模拟亮温与观测亮温间的偏差非常大。而增加反演的云、雨廓线与大气温、湿廓线共同作为辐射传输模式的输入参数后，CRTM模式在AMSR-2各通道均可以较好地模拟出台风外形轮廓、强度及螺旋结构，有云模拟亮温与观测亮温间的偏差明显降低，大大增加了吸收入同化系统的卫星资料量。　　最后，将反演的云、雨廓线与大气温度、湿度等参量共同作为三维变分资料同化系统(GSI)的初猜场，直接同化云区AMSU-A亮度温度资料。本文以2014年8月台风“夏浪”成熟阶段的观测资料为例，设计三组平行同化试验，即控制试验、同化试验1和同化试验2。其中控制试验只同化常规观测资料，试验1同化常规观测资料和晴空区AMSU-A观测资料，而试验2则利用本研究提出的云区直接变分同化方案，同化常规观测资料和全天候AMSU-A观测资料。比较三组试验的同化分析场，发现试验2可有效提高卫星资料利用率，改进大尺度的温度、湿度和风场，特别是对台风高空暖核有明显改进。虽然改进台风暖核并不能马上改进海表气压场、进而改进初始阶段台风的位置和强度，但在WRF模式的积分过程中，随着积分时间延长，暖核的增强（减弱）通过加大（减小）与周围环境的梯度帮助模式动力场产生更强（减弱）的气旋。因此尽管在初始同化时刻模拟的台风位置并不靠近观测台风，但是随着同化循环及预报时间的增加，试验2逐渐减少了对台风路径的预报误差。

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