基于多种教据的大气水循环变量分析与评估

发布时间：2020-08-04 18:21

【摘要】：大气水循环是至关重要的天气、气候调节器,影响全球能量收支。因而对大气水循环的相关物理量进行研究对我们进一步地了解天气变化,地气系统,和精确预估未来的气候变化将有很大帮助。本论文将对大气水循环的两类变量,水汽和水凝物,进行多时空尺度的研究。对于水汽研究,我们将基于多种最新的再分析资料,分析水汽的全球大时空尺度变化规律,并着重比较了再分析资料间的气候态差异特征,可为气候研究时水汽数据的选取提供参考依据。对于水凝物研究,我们将从较小的时空范围着手,主要聚焦于台风水凝物。通过评估模式中台风不同阶段各种微物理参数化方案的水凝物模拟结果,研究它们的异同,可有助于更好地发展和改进对台风过程的模拟,并进一步增强对台风热动力过程的了解。具体而言,本文的研究成果如下:(1)全球水汽的气候特征水汽是气候变化研究中的关键一环,不同的再分析资料间水汽变量的差异能够造成相关气候变化研究的不确定性。因此,本文对比研究了三种当前最新的第3代再分析资料,即ERA-Interim,MERRA和CFSR的多年(2000～2012年)全球大气柱水汽含量气候态分布的异同并分析了可能原因。三种再分析水汽资料尽管在描述全球水汽的主要变化模态方面有很高的相似性,但在全球分布、时间序列和趋势变化等方面依然在一定程度上存在差异。其中,洋面上三种数据的年际变化较为相似,而差异主要集中在赤道两侧辐合带和暖云区,这可能是源于不同模式暖云模拟和对流参数化方案的不同,以及水汽对卫星遥感数据同化的敏感性差异。总体而言,三者与卫星观测均较为一致。而陆地上的差异主要集中在非洲中部、南美洲亚马逊流域以及一些高原地区,其主要原因是由于模式对复杂下垫面处理的不同,以及相应区域探空等地基观测数据的缺乏。并且,三者都较探空实测数据明显偏低。(2)台风水凝物模拟的微物理方案对比评估本文针对2014年台风“浣熊”(Neoguri)这一个例,对比分析了五种WRF模式微物理方案(包括单阶参数化方案WSM6和GSFC,不完全双阶方案THOM,及完全双阶方案MORR和NSSL)的台风水凝物模拟能力;并利用FY-3B卫星搭载的MWRI、MWHS的探测、反演结果和JTWC的路径和强度等数据,对这五种方案进行了相应的直接和间接评估。首先,台风模拟路径对微物理方案的选择并不敏感。此外,模拟的地表降水率在强对流区域普遍偏高,而在层云降雨区域则明显偏低。其中,NSSL方案模拟的台风强度及地面降水范围与观测更加一致。模拟得到的液体水凝物路径基本相似。此外,模拟的固态水凝物路径在微物理方案中有相当大的区别。随后,我们将模式输出的大气和水凝物廓线代入辐射传输模式,分别计算对应的MWRI的各通道亮温,并利用信道组合技术获得相应的散射(SI)及发射(EI)等辐射指数,分别作为固态和液态可降水凝物的指示。使用空间验证技术——非线性Lucas-Kanade(LK)光流(OF)方法,分别评估模拟辐射指数SI和EI与观测结果的异同。结果表明模拟的EI和SI均存在明显的强度偏差,特别是在强对流区。五种方案微物理方案得到EI空间分布偏向西南。在外围螺旋云带模拟的EI普遍偏低,而在内核区域则偏大。SI强度误差空间分布揭示了台风东侧普遍存在很强的负偏差,且台风西侧的外部云带边缘有轻微的正偏差。我们运用分析联合概率密度分布来评估固态降水水凝物和液态水凝物的含量。在整个台风生命周期中,NSSL的模拟的SI指数的取值范围更接近观测结果,与NSSL产生较少的霰相关。此外,五种微物理方案的频率分布大值区对应的EI值(或EI平均值)都明显低于MWRI的观测值。一般而言,在台风生命周期中的较强阶段(发展和成熟期),模拟和观测的联合概率密度差异较大,而在台风生命周期中的较弱阶段(形成和消亡期),模拟结果更接近于观测值。与其它方案相比,SI-EI联合概率分布显示NSSL与实际分布更加接近。此外,敏感性试验结果表明NSSL和TOMP具有更接近实际值的霰,而其它三种方案模拟的霰则被夸大;在全部五种方案中,雪的模拟都是过量的;NSSL的过冷水更接近实际值,而另外四种方案的值均偏低;此外,模拟的联合概率密度分布大值区更倾向于SI轴,而观测结果则倾向于EI轴,这可能是由于模拟和观测间的固、液态水凝物的匹配比例,以及水平垂直分布的差异所致。总之,具有更为复杂的微物理过程的全双阶四冰微物理方案NSSL对台风Neoguri的水凝物结构和发展过程的模拟更加可靠。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P339
【图文】：

电磁波谱,微波波段,位置,微波

小范围降水并追踪天气系统演变等的高密度卫星。按照物理机制，卫星遥感仪器逡逑的分类包括：可见光／红外遥感、微波遥感、和激光遥感等。逡逑这其中微波是指波长１１１１１１１？１０（＾（频率３００￣３０＆）的电磁波。图１．２（＼＾１１＾，逡逑１９９３）给出了微波在电磁波谱中的大致范围。由于全面掌握了微波波谱通过不同逡逑大气成分时发生的散射、吸收和发射特征，固可将微波遥感应用在监测天气状态逡逑和大气环境等方面。图１．３为微波在不同状态的晴空大气中的透射光谱，由图可逡逑知，微波波段中同时存在不透明区及窗口区，对于频率介于１ＧＨｚ到１９ＧＨｚ之逡逑间的微波大气几乎是透明的，但对１８３．３ＧＨｚ及１１８．７ＧＨｚ周围的波段，大气的逡逑透过性很低。窗口区域的波段甚至能够穿透云雨层，其经常应用于底层大气及地逡逑表探测；透过性很低的波段则可用于高层大气的探测，获取相应大气特征。例如，逡逑８９ＧＨｚ及３７ＧＨｚ附近通道常被用于云和降水的探测（Ｌｉｕ等，１９９５；邋Ｗａｎｇ等，逡逑２０１４）

瑞利散射,大气状态,大气粒子,水汽含量

ｘ邋（１．１）逡逑NB邋Ａ逡逑如图１．４所示，在整个微波波段（ｌｍｍ＜Ｘ＜１０ｃｍ）大气粒子从小的气体分逡逑子到大的雹粒子，散射体系被划分为忽略散射，瑞利散射，及米散射（Ｐｅｔｔｙ，逡逑２００４；邋Ｊｉａｎｇ，邋２００４）在；小于０．２时，瑞利散射适用；而在；ｉｆ大于０．２的情形逡逑下，米散射理论适用。逡逑１０逡逑

散射体,大气粒子,辐射波长,粒子尺寸

０逦２０邋ｉ０邋６０逦８０邋１００邋１２０邋？４０邋１６０邋１８０邋２００邋２２０邋２４０邋２６０邋２８０邋３００逡逑ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ邋（ＧＨｚ）逡逑图１．３微波在各种大气状态（标准，极地和热带）晴空时的的透射光谱逡逑Ｖ代表水汽含量，Ｔ代表气温（引自Ｊａｎｓｓｅｎ邋（１９９３））逡逑１．３．邋１水凝物对微波辐射的影响逡逑微波辐射在传播过程中会与水凝物发生吸收和散射等相互作用。因为水凝逡逑物与周围大气间维持着热动力平衡，从而其在吸收微波辐射时也向外辐射能逡逑量。通过对微波辐射的变化进行探测，能够进一步获得固、液相水凝物的分逡逑布。逡逑计算水凝物单体的吸收和散射的理论模型基于粒子尺寸大小。最为常用的逡逑是瑞利散射和米散射理论，其中瑞利散射适用于尺寸远小于波长的小粒子，而逡逑米散射适用于尺度接近或大于波长的较大的粒子。Ｋｉｄｄｅｒ和Ｈａａｒ邋（１９９５）引入逡逑了无量纲尺度参数，依据该参数（Ｚ邋）的值，将粒子对电磁波的散射划分成三逡逑部分。火的表达式见公式（Ｕ），１和ｒ分别为辐射波长和粒子半径。逡逑ｘ邋（１．１）逡逑NB邋Ａ逡逑如图１．４所示，在整个微波波段（ｌｍｍ＜Ｘ＜１０ｃｍ）大气粒子从小的气体分逡逑子到大的雹粒子

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