云液态水路径和总可降水量反演算法评估及在FY-3E的实现

来源 :南京信息工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:leijian_118
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
大气中云液态水路径(CLW)和总可降水量(TPW)对研究云和降水的形成、改进灾害天气预测方法,以及全球气候系统分析等方面起着重大作用。这两个参数可由地基和卫星观测反演获得,但目前全球范围高质量云水产品较少。一般,地基与机载观测受空间分辨率、探测成本限制,很难获得全球连续分布的云水产品。极轨卫星覆盖范围更广,但是只有在其扫描范围内才能获取云水信息。利用星载微波探测仪器的23.8GHz和31.4GHz两个低频通道,可以反演出全球洋面的云液态水路径和总可降水量。2021年7月,中国风云3E(FY-3E)晨昏轨道气象卫星成功发射,该星上搭载的微波温度计(MWTS-Ⅲ)新增了上述两个重要通道。FY-3E可以提供更多大气参数的昼夜信息,也为清晨云遥感提供了新的机遇。本文首先使用先进辐射传输模拟系统(ARMS)确定了MWTS-Ⅲ通道1和2的极化方式。随后利用发展较成熟的先进技术微波探测仪(ATMS)数据,对经验和物理算法进行评估。下一步,对评估结果较优的物理算法进一步研究,简要分析了物理算法中CLW误差对地球物理参数的敏感性。最后,订正了基于发射的辐射传输模型偏差,并将物理算法移植到MWTS-Ⅲ。由FY-3E微波温度计生成的高质量云液态水路径和总可降水量产品已用于中国气象局数值预报模式同化系统,作为业务质量控制新方案。主要研究内容如下:(1)MWTS-Ⅲ目前正处于定标测试阶段,其通道极化方式并未明确规定。因此,使用ARMS分别模拟ATMS和MWTS-Ⅲ通道亮温,提出了一种定义MWTS-Ⅲ通道极化的方法。(2)基于ATMS观测数据,分别利用经验和物理算法反演出全球洋面CLW和TPW,与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第五代全球大气逐小时再分析资料(ERA5)进行时空匹配,并对比三种云水产品的结构和数值统计结果。结果表明,两种算法的云结构与ECMWF再分析云场基本一致,但经验算法产品在南半球中高纬地区偏高,物理算法与ERA5产品偏差更小;经验算法的TPW在热带地区偏高,物理算法与ERA5产品更接近。此外,西北太平洋不同轨道观测结果可以反映出更多的云水细节,通过物理算法的云液态水产品可以看出台风区云团垂直结构信息,并且该算法的云与VIIRS可见光云图更加一致,物理算法综合性能更优。(3)为了进一步研究物理算法原理特性,对多种云液态水路径和总可降水量产品进行纬度带统计,分析不同季节各产品随纬度的分布特征。结果表明,经验算法的CLW在中高纬度偏高,一维变分反演产品在热带地区液态水含量偏低;一维变分反演的TPW产品在北半球冬季偏低,经验算法在热带地区数值偏高。此外,研究发现云温一定程度上会影响CLW反演结果。随后对物理算法进行误差源灵敏度分析,研究海面温度和风速对CLW反演的影响。得出结论,当CLW含量相同时,低海温对其更敏感;海温对高含量CLW的影响更大。不同风速对含量相同的CLW影响程度相同;并且风速对含量低的CLW更敏感。(4)在物理反演过程中,发现星载被动微波探测仪的观测与反演模型存在一定误差,会降低反演产品质量,因此提出一种订正方法,分别对ATMS和MWTS-Ⅲ观测进行订正。随后选取ATMS和MWTS-Ⅲ同天观测数据,获得全球洋面云液态水路径和大气总可降水量,与ERA5产品进行对比。结果显示,MWTS-Ⅲ与ERA5的CLW产品在全球分布和数值大小均对应较好,西北太平洋上空的云团以及赤道附近的热带辐合带云系清晰可见;同时MWTS-Ⅲ与ATMS在全球海洋上空云系统相似,但MWTS-Ⅲ产品覆盖范围更广,轨道间几乎没有空白。对于TPW,MWTS-Ⅲ与ERA5产品十分吻合,定量分析显示,ATMS和MWTS-Ⅲ的TPW产品与ERA5再分析资料高度相关,两个仪器的探测性能相当。然而两条连续轨道产品有轻微不连续性,若两仪器在轨道过境时相近,可基于ATMS和MWTS-Ⅲ生成全球洋面微波观测的连续TPW产品。
其他文献
实时获取北极大气温湿度信息对北极气候和科学研究具有重要意义。对大气温湿度反演而言,云被作为卫星观测辐射中的污染因子,红外高光谱探测仪能够提供高精度探测,但是探测会受到云的影响。北极地区是全球云量较多的地区,常年被云覆盖,传统的云检测方法挑选晴空像元仍然会存在晴空样本不准确的情况,从而影响反演模型的精度。微波探测仪虽然光谱分辨率较低,但对云的敏感性要低得多,能够穿透云层。因此本论文提出基于人工神经网
学位
青藏高原作为世界上海拔最高的高原,地形复杂且气候恶劣,对高原空投伞降和航空安全是巨大的挑战。数值预报模式可以弥补高原观测资料不足的问题并模拟边界层地气交换过程,对高原边界层风速预报和航空安全保障具有重要意义。本文将数值预报模式WRF(Weather Research and Forecasting)、三维变分同化系统WRFDA-3DVar(Weather Research and Forecast
学位
有效利用受云影响的卫星微波观测资料对提高重大天气过程的预报具有重要意义。本文基于人工神经网络算法,利用FY-3D微波温度计二型(Microwave Temperature Sounder-2,MWTS2)和微波湿度计二型(Microwave Humidity Sounder-2,MWHS2)资料研制了云区大气温湿廓线的反演模型,并制定了反演结果的质量控制方案。针对MWTS2和MWHS2晴空观测建立
学位
雨滴谱是描述降水的一个重要参量,它不仅能反映降水的微观特性,帮助分析降水粒子的破碎、凝结等微物理过程,也能反映降水强度和降水类型等宏观特性。结合雨滴谱数据可进一步提高雷达定量测量降水精度和临近预报准确率,在雷达气象上有重要的研究价值。本文利用南京信息工程大学C波段双偏振雷达数据反演雨滴谱,并计算降雨参数。首先,建立了指数雨滴谱模型和C-G雨滴谱模型,由雷达观测量和雨滴谱参数的关系反演雨滴谱,并使用
学位
在星载激光雷达的设计、研制和数据反演过程中,正演模型起到至关重要的作用。本文建立了一套星载激光雷达探测云与气溶胶的正演模型,具有模拟冰云场景、气溶胶场景等复杂多场景的能力,整个模型由8个子模块构成。在少量冰云场景中,云层较弱,穿透效果好,可获取云层内部结构;在冰云混合少量水云场景中,冰云回波信号强,水云回波信号衰减严重,无法获取水云内部结构;在冰云和气溶胶的场景中,云量适中,需要考虑云层的微物理特
学位
作为国际上第一个搭载在静止气象卫星轨道平台上的红外高光谱探测仪FY-4A GIIRS(Geostationary Interferometric Infrared Sounder)首次使用32×4的矩形视场面阵扫描方式,能够实现对大气的三维遥感,对其观测资料质量进行评估尤为迫切。本文通过分析2020年7月FY-4A红外高光谱干涉式大气垂直探测仪GIIRS所有通道观测误差随视场和纬度的变化及偏差(观
学位
与常规多普勒天气雷达相比,双线偏振多普勒天气雷达可以提供更多的参量,在雷达定量估测降水等方面具有广阔的应用潜力,是短时强降水监测和临近预报的重要工具。然而双线偏振雷达定量降水估计精度受多种因素影响,为了更好地应用双偏振雷达估计降水并进一步提高降雨估测精度,需对雷达降水估计进行误差分析和建模。本文基于2015-2016年南京信息工程大学C波段双线偏振多普勒天气雷达(NUIST-CDP)观测资料、结合
学位
基于光散射探测的激光雷达,能够将高时空分辨率与高精度相结合,以满足进行准确、高分辨率和实时的全球大气温度场数据的探测需求。以往的基于能量检测的激光雷达系统,只能根据两个点能量的相对变化来获取温度,不能获取整个瑞利布里渊散射光谱;而基于扫描激光频率或者法布里珀罗干涉仪方式获取散射谱线的激光雷达,扫描过程耗时长,测量结果可能受云的影响。基于完整的瑞利布里渊散射光谱激光雷达在检测端可以完成对散射光谱的实
学位
雨滴谱反演对于研究云和降水微物理过程有着重大的意义,是研究降水系统形成和发展的重要手段,可以用以分析降水的分布特征,并且可提高雷达估计降水的精度。本文首先设置给定滴谱参数并将其作为真值,然后利用T矩阵法模拟滴谱对应的固态、混合态和液态降水粒子的水平反射率因子(ZH)、差分反射率因子(ZDR)等雷达观测参数,再分别使用基于降雨率与质量加权直径(R-Dm)约束双频雷达雨滴谱反演方法和基于约束伽马(C-
学位
星载雷达降水产品的误差特征对于雷达数据的应用至关重要,例如多源降水数据融合和水文建模等。为了分析全球降雨观测卫星(GPM)星载双频测雨雷达(DPR)测量近地面降雨以及三维瞬时液态降雨产品的不确定性,利用经过质量控制和最优反演后的地基C波段双偏振雷达降雨量产品,对DPR测量的近地面降雨以及三维瞬时液态降雨进行误差分析及建模。结果表明:(1)DPR与南信大C波段双偏振雷达(CDP)探测的近地面降雨量整
学位