卫星臭氧资料的质量控制与同化及其对热带气旋模拟的影响研究

发布时间：2017-03-19 09:07

  本文关键词：卫星臭氧资料的质量控制与同化及其对热带气旋模拟的影响研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在不同纬度、不同高度的臭氧浓度的高低与大气运动有直接关系,臭氧浓度的变化可以直接显示出天气尺度的波动,所以臭氧与许多大气参数具有相关性。基于臭氧总量和PV (potential vorticity)的密切关系,本文首先发展了AIRS (Atmospheric Infrared Sounder)臭氧资料和FY-3A (Fengyun-3A) TOU (Total Ozone Unit)臭氧资料的质量控制方案。随后,本文基于中尺度数值模式MM5发展并应用了AIRS臭氧资料的4D-Var (four-dimensional variational)同化方案,以改进热带气旋的数值预报。主要结论如下：(1) AIRS针对臭氧总量资料的原始质量控制方案是利用AIRS TPW的反演误差与AIRS TPW的比值作为筛选指标,但是此筛选标准使得AIRS TPW在热带气旋中心附近的反演值异常偏小,从而导致热带气旋中心附近大量的臭氧总量资料被筛除。针对此问题,本文发展了一种两步质量控制方案。在第一步中,将AIRS TPW替换为同一颗卫星平台上的AMSU TPW,再剔除掉新比值超过33%的资料。在第二步中利用臭氧总量与MPV的高相关性,建立了一个每日动态更新的线性回归模式,并基于此模式使用Biweight方案对通过第一步的资料进行处理。在两个台风个例和两个飓风个例中的试验表明,本文所发展的两步质量控制方案在提高资料质量的同时,可以保留热带气旋中心附近大量的AIRS臭氧资料。(2)为了在数值预报中应用TOU的臭氧资料,从资料同化角度发展了一套质量控制方案。首先基于臭氧总量和平均位势涡度的高相关性建立了逐日动态更新的臭氧线性回归预报模型,然后使用双权重算法对臭氧资料进行质量控制。将该质量控制方案应用于台风Tembin (2012)和Isaac(2012)个例,试验结果说明该方案可以体现出臭氧总量和平均位势涡度之间相关关系的逐日变化,识别出的离群资料百分比随时间变化较稳定,可以保留原始资料的主体信息,并且显著降低了原始资料的标准差。同时,质量控制后的臭氧数据与统计拟合量更加一致,观测减拟合的概率密度函数分布形式也更接近高斯分布,有利于后续的资料同化。(3)为了对AIRS臭氧总量资料进行同化,本文基于臭氧总量和PV之间的关系发展了一种4D-Var选层同化方案。首先从400—50 hPa之间的模式层中选出臭氧总量和PV的相关系数最高的5层,然后分层建立观测算子对AIRS臭氧总量资料进行4D-Var同化。将该同化方案应用到热带气旋Earl个例中,试验结果说明臭氧总量资料同化能够通过改善热带气旋高层的PV对中低层的PV产生影响。同化AIRS臭氧总量资料对模式中PV的调整又对热带气旋Earl的路径和强度预报产生积极影响。同化AIRS臭氧总量资料后,热带气旋Earl的暖心结构也得到增强。同时,试验结果表明热带气旋Earl路径预报的改进主要是由于同化试验中引导气流得到了调整。(4)为了进一步改进热带气旋数值预报,本文发展了一种BODA (bogus and ozone data assimilation)方案。首先,从400—50 hPa之间的模式层中选出臭氧总量和PV的相关系数最高的某些模式层,然后分层建立同化AIRS臭氧总量资料的观测算子。随后,通过4D-Var同化系统将臭氧资料同化与BDA (bogus data assimilation)结合,并通过多个个例的研究表明BODA方案的有效性。统计结果表明,使用4—6层模式层对AIRS臭氧资料进行同化可以显著改进热带气旋的路径和强度预报,同时热带气旋初始化所需的计算时间较为合理。与BDA方案相比,本文所发展的BODA方案对模式低层至高层的初始场都有显著调整。结果还表明,在使用BODA方案时同化层数对热带气旋的模拟有重要影响。值得注意的是,以合适的层数同化AIRS臭氧资料时,模式模拟不仅可以改进热带气旋Earl的路径预报,而且可以较好把握热带气旋Earl的强度以及强度变化。以上结果表明,AIRS臭氧资料包含丰富的高层大气信息,与低层bogus资料同时同化进入数值模式时,可以显著改进热带气旋初始化。
【关键词】：AIRS臭氧总量 紫外臭氧总量探测仪 质量控制 资料同化 热带气旋数值预报
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P412.27;P444
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 第一章 绪论10-42
• 1.1 引言10-11
• 1.2 星载臭氧探测仪的发展概况11-15
• 1.3 卫星臭氧资料的应用15-25
• 1.3.1 卫星臭氧资料在天气学中的应用15-17
• 1.3.2 卫星臭氧资料在气候学中的应用17-19
• 1.3.3 卫星臭氧资料在青藏高原对天气和气候的影响中的应用19-21
• 1.3.4 卫星臭氧资料的数值应用21-24
• 1.3.5 卫星臭氧资料对环境气象和大气污染监测发展过程的影响24-25
• 1.4 总结和展望25-26
• 1.5 论文主要研究内容和特色26-27
• 1.5.1 主要研究内容26-27
• 1.5.2 研究特色27
• 1.6 论文结构27-28
• 参考文献28-42
• 第二章 MM5模式及其四维变分同化系统介绍42-52
• 2.1 引言42
• 2.2 MM5模式的系统结构42-45
• 2.3 MM5四维变分同化系统45-50
• 2.3.1 目标函数45-46
• 2.3.2 目标函数极小化算法46-47
• 2.3.3 目标函数梯度47-49
• 2.3.4 边界处理49
• 2.3.5 MM5四维变分同化系统流程49-50
• 参考文献50-52
• 第三章 AIRS臭氧总量资料的质量控制方案及其在热带气旋中的应用52-74
• 3.1 引言52-54
• 3.2 个例概况54-56
• 3.3 数据简介56-58
• 3.3.1 AIRS臭氧数据56-57
• 3.3.2 AIRS和AMSU的TPW57-58
• 3.4 质量控制方案58-62
• 3.4.1 AIRS QC方案58-60
• 3.4.2 改进的AIRS QC方案60-62
• 3.5 数值结果62-69
• 3.5.1 QC1评估62-65
• 3.5.2 QC2评估65-66
• 3.5.3 QC1与QC2之间的关系66-68
• 3.5.4 质量控制前后的数据特征68-69
• 3.6 总结与讨论69-70
• 参考文献70-74
• 第四章 FY-3A气象卫星臭氧总量数据的质量控制方案及其在台风TembIN(2012)和Isaac(2012)中的应用74-94
• 4.1 引言74-76
• 4.2 个例概况76-77
• 4.3 数据简介77-78
• 4.4 质量控制方案78-81
• 4.5 数值结果81-89
• 4.5.1 Zqc的选取81-82
• 4.5.2 臭氧线性回归预报模型的评估82-83
• 4.5.3 质量控制前后的数据空间分布特征83-86
• 4.5.4 质量控制后的数据总体特征86-89
• 4.6 结论89-90
• 参考文献90-94
• 第五章 AIRS臭氧总量资料的四维变分同化对热带气旋Earl预报的影响94-114
• 5.1 引言94-95
• 5.2 个例介绍95-96
• 5.3 模式、资料及同化方案96-101
• 5.3.1 模式介绍96-97
• 5.3.2 资料及其质量控制介绍97-99
• 5.3.3 同化方案设计99-101
• 5.4 试验结果及分析101-108
• 5.4.1 热带气旋路径101-102
• 5.4.2 热带气旋中心海平面气压102-103
• 5.4.3 批量试验分析103-104
• 5.4.4 位势涡度增量场104-105
• 5.4.5 热带气旋的暖心结构105-107
• 5.4.6 引导气流107-108
• 5.5 结论与讨论108-109
• 参考文献109-114
• 第六章 Bogus and Ozone Data Assimilation(BODA)方案在飓风预报中的应用114-142
• 6.1 引言114-117
• 6.2 个例介绍117-118
• 6.3 模式、资料及同化方案118-123
• 6.3.1 模式介绍118
• 6.3.2 资料及其质量控制介绍118-120
• 6.3.3 同化方案设计120-123
• 6.4 数值结果123-134
• 6.4.1 初始结构123-127
• 6.4.2 路径和强度127-131
• 6.4.3 模拟结构131-134
• 6.5 总结134-135
• 参考文献135-142
• 第七章 总结与讨论142-146
• 7.1 主要结论142-143
• 7.2 主要创新点143-144
• 7.3 存在的问题与后续研究144-146
• 附录146-148
• 发表的学术论文146
• 主持与参与的科研项目146-147
• 参加的学术会议147-148
• 致谢148-149

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