【摘 要】
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星载微波遥感仪器在云和降水区的观测包含与天气系统的热力、动力过程相关的关键大气信息,具有提高灾害性天气预报准确度的潜力,因此在过去十年间,全球各数值预报中心都逐步开展了微波资料的云降水区同化研究,我国自主研发的数值预报模式对云和降水区的观测信息需求日益迫切。微波探测仪资料云降水区同化因存在辐射传输计算不准确、云降水区同化技术方案不完善等问题,是国际学术界的研究热点,尤其是在存在固态水凝物的热带对流
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星载微波遥感仪器在云和降水区的观测包含与天气系统的热力、动力过程相关的关键大气信息,具有提高灾害性天气预报准确度的潜力,因此在过去十年间,全球各数值预报中心都逐步开展了微波资料的云降水区同化研究,我国自主研发的数值预报模式对云和降水区的观测信息需求日益迫切。微波探测仪资料云降水区同化因存在辐射传输计算不准确、云降水区同化技术方案不完善等问题,是国际学术界的研究热点,尤其是在存在固态水凝物的热带对流降水云区的同化挑战性较大。本文针对风云三号星微波湿度计（Microwave Humidity Sounder,MWHS）资料在台风降水云区的同化开展研究,取得的进展和结论如下:（1）建立MWHS全天候观测仿真模型,采用观测模拟偏差分析、垂直截面分析和亮温概率密度分布分析对全天候观测仿真模型的模拟效果进行了分析,利用欧洲中期天气预报中心全球模式进行对比验证,结果表明全天候仿真低估了云中水凝物的散射作用,区域模式比全球模式存在更严重的预报云错位问题。目前国内外研究对MWHS通道,尤其是118GHz通道的云降水区观测信息缺少定量评估,本文利用两种方法对该问题进行了研究:利用雅可比矩阵方法计算了各通道对水凝物的敏感性和敏感高度,利用自由度减少方法定量评估了各通道在台风对流降水云区的大气和云信息量,结果表明,118GHz频段和183GHz频段在台风对流降水云区的观测主要信息量均来自于雪,分别占该频段湿大气总信息量的98.2%和76.8%,118GHz通道穿透能力强,能够探测到的高度更低,且通道数较多,因此比183GHz包含更多雪信息量。（2）为改进全天候仿真精度,对辐射传输模式的雪粒子散射计算方案进行了改进。数值模式云的错位问题是影响全天候观测-模拟偏差计算的关键,本文提出了一种新的基于主被动联合观测的方法,主被动联合的观测-模拟偏差能够减轻云错位问题造成的影响,精确评估不同非球形散射计算方案的模拟效果。基于该方法建立了适用于微波湿度计台风区观测的雪粒子散射方案,优选出大块状聚合体、盘状等单形状假设散射方案,其中最好的大块状聚合体（Large Block Aggregate）方案计算的主被动观测模拟偏差从球形方案的-16.52K减小到1.09K,均方根误差从26.74K减小到19.03K。进一步建立了雪的非球形粒子集合方案,利用带约束的最小二乘法统计计算了非球形粒子集合散射方案中不同形状的权重比例,非球形粒子集合方案计算的平均偏差为-0.07K,均方根误差为12.68K。经多个台风场景的全天候仿真检验,非球形粒子集合方案相对于球形粒子方案能够有效的减轻全天候仿真云中水凝物散射效应偏低的问题,改进了观测-模拟偏差的分布偏度（通道9偏度从0.34改进到0.28;通道15偏度从0.51改进到0.47）和平均偏差（通道9从-3.34K改进到-3.03K,通道15从-6.77K改进到-5.15K）,使分布更接近无偏高斯分布。（3）由于台风降水云区MWHS观测信息量主要来自于雪等固态水凝物,本文对传统的一维贝叶斯反演加三维变分同化总水汽量方案进行了改进,将同化台风降水云区总水汽量的原方案替代为同化MWHS固态水凝物柱总量。基于改进的辐射传输散射方案和贝叶斯方法反演台风降水云区的固态水凝物,并通过在同化模式中耦合水凝物观测算子实现了MWHS资料在台风降水云区资料的变分同化。台风个例同化结果表明,改进的一维贝叶斯反演加三维变分同化水凝物方法能够通过影响初始场的温湿度和风场,显著改善对台风风场结构和台风最大风速的模拟,同时改善了台风降水云螺旋结构的预报。
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