高光谱红外辐射资料在区域模式中的直接同化及应用研究

发布时间：2016-12-18 04:49

本文关键词：高光谱红外辐射资料在区域模式中的直接同化及应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

《华东师范大学》 2015年

高光谱红外辐射资料在区域模式中的直接同化及应用研究

刘延安

【摘要】：在全球气候变化大背景下,近些年来,台风、暴雨等极端灾害性天气频繁发生,灾害损失和影响持续加重。高光谱红外大气探测资料可提供高分辨率的大气垂直温度和湿度信息,其同化应用己明显地改善了全球数值模式预报精度。随着人们对中小尺度灾害性天气的模拟和预测的重视,高光谱红外大气探测资料在区域模式中的应用研究逐步加强。然而,由于区域模式是以全球模式的预报场或分析场作为初始边界条件,不同分析时间卫星资料覆盖差异较大,而且与全球模式相比,总的可用同化资料有限,导致高光谱红外辐射资料在区域模式中的同化应用依然存在诸多难题。本文以中尺度模式WRF-ARW (Advanced Research Weather Research and Forecasting)为预报模式,通用模式GSI (Gridpoint Statistical Interpolation)作为同化系统,以AIRS (Atmospheric Infrared Sounder)红外辐射资料为例,结合中国及周边区域地形和气候特征,针对红外辐射资料同化研究中最重要的因素,背景场误差协方差调整和辐射偏差校正,开展了AIRS红外辐射资料区域同化应用研究,深化对高光谱红外辐射资料在区域同化过程的理解和认知,同时探索了背景场误差协方差(B矩阵)调整和辐射偏差校正对台风路径和强度预报的影响,实现AIRS红外辐射资料在区域模式中的同化应用。本文的主要内容和研究成果如下： (1)基于NCEP (National Centers for Environmental Prediction) GDAS (Global Data Assimilation System)中使用的AIRS同化通道,利用温度敏感性分析法剔除权重函数中对区域模式顶高l0hPa以上有较大贡献的通道,诊断和分析GSI中云检测、数据稀疏化及阂值控制在亚洲区域资料质量控制效果,保证了同化数据的质量,为AIRS辐射资料区域同化应用奠定了基础。 (2)利用NMC(National Meteorological Center)方法,基于2个月预报统计,结合区域天气特征,估计区域B矩阵,并与GSI中预设全球B矩阵进行特征比较,加深了对区域B矩阵结构特征的理解。从当前NMC方法估计B矩阵存在问题出发,创新性地使用敏感性分析法对B矩阵中最重要的参数,水平长度尺度和标准差,进行了优化调整,并应用同化试验中,将其24小时的温度、湿度和风场预报与探空资料进行对比验证,研究表明区域统计B矩阵水平长度尺度存在尺度偏小,标准差偏大的问题。进而将B矩阵调整应用到台风预报试验研究中,发现调整后的B矩阵改善了WRF模式对台风个例72小时路径预报的精度。 (3)采用卫星扫描角偏差校正和气团质量校正方案,基于一个月更新,统计偏差时间序列变化特征,发现AIRS位于15μm CO2吸收波段的通道存在较大的扫描角偏差,且星下点偏差有明显时间依赖性,而其他通道的扫描角偏差较小,时间依赖性较弱,气团质量偏差校正中天顶角和温度递减率预测因子随区域模式资料覆盖影响而呈较大波动。利用新息(O-B,即观测辐射值减去模式背景场模拟辐射值)直方图分布,探究该方案在区域模式中偏差校正效果,结果表明,除几个地表通道外,绝大部分通道的校正效果达到预期,满足了新息统计的无偏性且服从正态分布的标准。在台风预报试验中,检验了辐射偏差校正对预报的影响,试验表明,相比于GDAS中提供的更新系数,使用本文研究的区域辐射偏差校正系数明显改进了台风个例72小时强度预报。 (4)在背景场误差协方差调整和辐射偏差校正研究基础上,以一次台风登陆个例,梳理了AIRS辐射资料在GSI3DVAR(Three-dimensional Variation)同化过程中代价函数收敛过程,统计了O-B/O-A (Observation-Background/Observation-Analysis)同化前后变化,以检验分析增长合理性。结果表明,AIRS辐射资料变分同化过程能稳定收敛,且分析增长合理；同时,同化AIRS辐射资料后不仅改善了台风个例72小时路径预报,同时也提高了对台风强度的预报精度。 (5)为巩固本文研究成果,拓展应用可能,尝试将直接广播卫星数据与区域同化模式相结合,研究基于WRF/GSI区域同化模式本地的准实时预报可行性。基于华东师范大学X／L双波段极轨卫星遥感数据接收系统,以威斯康星大学CIMSS (Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies)开发的CRAS(CIMSS Regional Assimilation System)简化模式为先行载体,实现了本地的准实时预报,奠定了WRF/GSI本地准实时预报应用的根基。

【关键词】：
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P407
【目录】：

下载全文更多同类文献

CAJ全文下载

(如何获取全文？欢迎：购买知网充值卡、在线充值、在线咨询)

CAJViewer阅读器支持CAJ、PDF文件格式

【参考文献】

中国期刊全文数据库前10条

1 张华,薛纪善,朱国富,庄世宇,吴雪宝,张风英;Application of Direct Assimilation of ATOVS Microwave Radiances to Typhoon Track Prediction[J];Advances in Atmospheric Sciences;2004年02期

2 龚建东;;资料同化中二维特征长度随模式分辨率变化的分析研究[J];大气科学;2007年03期

3 Ji-Hyun HA;Dong-Kyou LEE;;Effect of Length Scale Tuning of Background Error in WRF-3DVAR System on Assimilation of High-Resolution Surface Data for Heavy Rainfall Simulation[J];Advances in Atmospheric Sciences;2012年06期

4 ZHENG Jing;Jun LI;Timothy J.SCHMIT;Jinlong LI;Zhiquan LIU;;The Impact of AIRS Atmospheric Temperature and Moisture Profiles on Hurricane Forecasts: Ike(2008) and Irene(2011)[J];Advances in Atmospheric Sciences;2015年03期

5 朱国富;薛纪善;张华;刘志权;庄世宇;黄丽萍;董佩明;;GRAPES变分同化系统中卫星辐射率资料的直接同化[J];科学通报;2008年20期

6 李佳英;薛建军;王维国;张建忠;许映龙;;2013年国外重大台风灾害分析与启示[J];气象与减灾研究;2014年02期

7 董佩明;薛纪善;黄兵;王德英;;数值天气预报中卫星资料同化应用现状和发展[J];气象科技;2008年01期

8 龚建东;魏丽;陶士伟;赵刚;万丰;;全球资料同化中误差协方差三维结构的准确估计与应用Ⅰ:观测空间协方差的准确估计[J];气象学报;2006年06期

9 龚建东;赵刚;;全球资料同化中误差协方差三维结构的准确估计与应用Ⅱ:背景误差协方差调整与数值试验分析[J];气象学报;2006年06期

10 刘志权;张凤英;吴雪宝;薛纪善;;区域极轨卫星ATOVS辐射偏差订正方法研究[J];气象学报;2007年01期

【共引文献】

中国期刊全文数据库前10条

1 陈靖;李刚;王根;;一个基于视场的AIRS云检测方案[J];安徽农业科学;2010年07期

2 齐琳琳;孙建华;;Application of ATOVS Microwave Radiance Assimilation to Rainfall Prediction in Summer 2004[J];Advances in Atmospheric Sciences;2006年05期

3 崔丽梅;孙建华;乔琳琳;雷霆;;Application of ATOVS Radiance-Bias Correction to Typhoon Track Prediction with Ensemble Kalman Filter Data Assimilation[J];Advances in Atmospheric Sciences;2011年01期

4 丁伟钰;万齐林;闫敬华;蒙伟光;陈子通;;对流天气系统自动站雨量资料同化对降雨预报的影响[J];大气科学;2006年02期

5 岳彩军;;“海棠”台风降水非对称分布特征成因的定量分析[J];大气科学;2009年01期

6 蒋德明;董超华;;大气廓线物理反演的最优化方法进展[J];地球科学进展;2010年02期

7 顾松强;王振会;翁富忠;薛纪善;董佩明;;利用NOAA/AMSU资料和GRAPES同化系统对陆面比辐射率计算的改进研究[J];高原气象;2006年06期

8 岳彩军;寿绍文;曾刚;王咏青;;“海棠”(Haitang)台风降水非对称分布成因初步研究[J];高原气象;2008年06期

9 王叶红;赖安伟;林春泽;王明欢;;基于GRAPES-MESO模式的非静力三维变分同化方案性能分析[J];高原气象;2013年03期

10 路亚奇;王建;焦美龄;;2012年庆阳市一次短时大暴雨的诊断[J];干旱气象;2013年03期

中国重要会议论文全文数据库前10条

1 董海萍;郭卫东;李兴武;;ATOVS卫星资料同化对台风预报的试验研究[A];2012北京气象学会中青年优秀论文评选论文集[C];2012年

2 陆其峰;张文江;张鹏;吴雪宝;张凤英;刘志权;DALE M.Barker;;基于区域ATOVS数据同化的2008中国南方低温雨雪冰冻灾害的暴雪监测研究[A];“2010年北京气象学会中青年优秀论文评选”学术研讨会论文集[C];2011年

3 张爱忠;纪飞;崔锦;;ATOVS微波辐射资料变分同化试验研究[A];中国气象学会2006年年会“中尺度天气动力学、数值模拟和预测”分会场论文集[C];2006年

4 岳彩军;;“海棠”台风(2005)降水非对称分布特征的数值模拟与定量诊断分析[A];第26届中国气象学会年会热带气旋科学研讨会分会场论文集[C];2009年

5 希爽;马刚;张鹏;陆其峰;徐幼平;王鑫;郑婧;李小青;;在台风数值预报中同化ATOVS微波资料的研究Ⅰ——对台风路径预报及形势场的影响[A];第27届中国气象学会年会灾害天气研究与预报分会场论文集[C];2010年

6 王叶红;赖安伟;赵玉春;;降水资料同化在梅雨锋特大暴雨个例模拟中的应用研究[A];第27届中国气象学会年会灾害天气研究与预报分会场论文集[C];2010年

7 王云峰;王斌;马刚;卢强;安成;;ATOVS卫星亮温资料的三维变分同化试验及其应用研究[A];第27届中国气象学会年会灾害天气研究与预报分会场论文集[C];2010年

8 蒋德明;董超华;;大气廓线物理反演的最优化方法进展[A];第27届中国气象学会年会大气物理学与大气环境分会场论文集[C];2010年

9 董海萍;郭卫东;李兴武;;ATOVS卫星资料同化对台风预报的试验研究[A];第28届中国气象学会年会——S2风云卫星定量应用与数值[C];2011年

10 黄江平;董佩明;张文军;刘君;;卫星资料循环同化方案对区域数值预报效果影响分析[A];第28届中国气象学会年会——S2风云卫星定量应用与数值[C];2011年

中国博士学位论文全文数据库前10条

1 崔丽梅;基于一个全球谱模式的集合Kalman滤波同化系统研究[D];中国海洋大学;2010年

2 邱晓滨;流依赖的背景误差协方差在资料同化和雷达风场反演中的应用[D];兰州大学;2011年

3 伍湘君;GRAPES高分辨率气象数值预报模式并行计算关键技术研究[D];国防科学技术大学;2011年

4 梁旭东;模式约束三维变分资料同化技术及其在台风数值预报中的应用研究[D];中国科学院研究生院（大气物理研究所）;2007年

5 杨艳蓉;面向雷电预报的雷达、卫星遥感资料同化及其应用初步研究[D];南京信息工程大学;2008年

6 赵军;数值天气预报资料同化关键技术及并行计算研究[D];国防科学技术大学;2007年

7 王雨;APRAMVI算法及气溶胶间接气候效应研究中的应用[D];中国科学技术大学;2008年

8 周玲丽;登陆台风短时暴雨中的中β尺度辐合线研究[D];浙江大学;2009年

9 闫冠华;太行山脉对华北暴雨影响的研究[D];南京信息工程大学;2013年

10 杨舒楠;江淮梅雨锋暴雨的中尺度可预报性研究[D];南京大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库前10条

1 叶晨;风电功率组合预测研究[D];华北电力大学（北京）;2011年

2 杨寅;云和降水影响下AMSU资料一维变分反演的评估及改进[D];中国气象科学研究院;2011年

3 王征虎;基于相似的背景误差协方差统计及在三维变分中的应用[D];兰州大学;2011年

4 陶俞锋;AMSU辐射率资料在暴雨预报中直接同化研究[D];南京信息工程大学;2011年

5 杨春;WRF-EnSRF卫星资料同化系统构建及应用研究[D];南京信息工程大学;2011年

6 张蕾;多普勒天气雷达和TCFM导风资料同化在个例分析中的应用研究[D];南京信息工程大学;2011年

7 王根;主成分累计影响系数法[D];南京信息工程大学;2011年

8 皇群博;云水污染的卫星微波资料变分同化技术[D];国防科学技术大学;2011年

9 胡言青;FY-3A微波湿度计资料的质量控制研究[D];南京信息工程大学;2012年

10 孔莹;WRF-EnSRF同化ATOVS辐射率资料的实现与应用研究[D];南京信息工程大学;2012年

【二级参考文献】

中国期刊全文数据库前10条

1 孟智勇 ,陈联寿 ,徐祥德;中国近几年热带气旋研究进展(英文)[J];Advances in Atmospheric Sciences;2002年01期

2 曲晓波 ,JulianHeming;下投式探空资料对Debby飓风路径预报影响的数值试验(英文)[J];Advances in Atmospheric Sciences;2002年06期

3 顾建峰,Ying-Hwa KUO,Dale M.BARKER,薛纪善,马晓星;Assimilation and Simulation of Typhoon Rusa (2002) Using the WRF System[J];Advances in Atmospheric Sciences;2005年03期

4 Jo-Han LEE;Hyun-Ha LEE;Yonghan CHOI;Hyung-Woo KIM;Dong-Kyou LEE;;Radar Data Assimilation for the Simulation of Mesoscale Convective Systems[J];Advances in Atmospheric Sciences;2010年05期

5 Eun-Han KWON;Elisabeth WEISZ;;Use of Total Precipitable Water Classification of A Priori Error and Quality Control in Atmospheric Temperature and Water Vapor Sounding Retrieval[J];Advances in Atmospheric Sciences;2012年02期

6 陈联寿，罗哲贤;Effect　of　the　Interaction　of　Different　Scale　Vortices　on　the　Structure　and　Motion　of　Typhoons[J];Advances in Atmospheric Sciences;1995年02期

7 ;初论西风带和热带辐合带环流系统的相互作用[J];大气科学;1977年02期

8 庄世宇,薛纪善,朱国富,赵军,朱宗申;GRAPES全球三维变分同化系统——基本设计方案与理想试验[J];大气科学;2005年06期

9 庄照荣;薛纪善;庄世宇;朱国富;;资料同化中背景场位势高度误差统计分析的研究[J];大气科学;2006年03期

10 俞小鼎;郑媛媛;廖玉芳;姚叶青;方翀;;一次伴随强烈龙卷的强降水超级单体风暴研究[J];大气科学;2008年03期

中国硕士学位论文全文数据库前2条

1 庄照荣;背景场误差的结构特征及其对三维变分同化影响的研究[D];中国气象科学研究院;2004年

2 朱立娟;背景场误差协方差估计技术的应用研究[D];南京信息工程大学;2005年

【相似文献】

中国期刊全文数据库前10条

1 李宁;曾新民;席朝笠;;我国华东地区月尺度气候动力预测的研究:(Ⅰ)区域模式建立及模拟检验[J];气象科学;2006年06期

2 布和敖斯尔，励惠国;亚洲季风区环境变化区域模式及遥感应用的时空域[J];国土资源遥感;1994年04期

3 薛永康,曾凡荣,ＡｄａｍＣ．Ｓｃｈｌｏｓｅｒ,ＳａｍｏｎＪ．Ａｌｌｅｎ;一个植被模式的检验和它在陆气相互作用中的应用[J];大气科学;1998年04期

4 陈子通;万齐林;沈学顺;黄燕燕;张艳霞;张诚忠;丁伟钰;;GRAPES区域模式水汽平流方案的比较与改进[J];热带气象学报;2010年01期

5 刘黎平,钱永甫,吴爱明;区域模式和GCM对青藏高原和西北地区气候模拟结果的对比分析[J];高原气象;2000年03期

6 秦贺;赵克明;汤浩;李如琦;;新疆中强天气过程GRAPES区域模式降水预报检验[J];沙漠与绿洲气象;2010年06期

7 唐敬;陈江云;刘杰;;新疆GRAPES区域模式降水产品的性能检验分析[J];科技信息;2012年24期

8 刘黎平,钱永甫,吴爱明;初始条件和边界条件对区域模式模拟青藏高原区域气候的影响[J];高原气象;1999年01期

9 ;全球变化区域模式研究（SRMGECI）与华北平原人类影响模拟[J];地理研究;1996年02期

10 石英;高学杰;;温室效应对我国东部地区气候影响的高分辨率数值试验[J];大气科学;2008年05期

中国重要会议论文全文数据库前2条

1 陈得松;萧玲凤;叶天降;黄康宁;;台湾区域模式台风路径预测能力之测试与发展[A];2008年海峡两岸气象科学技术研讨会论文集[C];2008年

2 宗森龙;罗坚;黄应喜;;台湾岛地形对台风“海棠”影响的数值模拟研究[A];中国气象学会2006年年会“中尺度天气动力学、数值模拟和预测”分会场论文集[C];2006年

中国重要报纸全文数据库前2条

1 ;[N];组织人事报;2013年

2 记者王朝霞;[N];甘肃日报;2010年

中国博士学位论文全文数据库前1条

1 刘延安;高光谱红外辐射资料在区域模式中的直接同化及应用研究[D];华东师范大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库前1条

1 孙希进;区域模式单向嵌套和双向嵌套的理论分析与应用比较[D];中国气象科学研究院;2013年