基于WRF模式的暖云降水潛熱物理反演算法研究

【摘要】：降水潛熱是驅(qū)動(dòng)區(qū)域和全球大氣環(huán)流的主要能量來(lái)源,準(zhǔn)確把握潛熱垂直結(jié)構(gòu)是正確理解Walker環(huán)流、厄爾尼諾南方濤動(dòng)(El Nino and Southern Oscillation,簡(jiǎn)稱ENSO)、季風(fēng)、熱帶太平洋30-60天低頻震蕩(Madden-Juian oscillation,簡(jiǎn)稱MJO)、臺(tái)風(fēng)和鋒面等不同尺度大氣現(xiàn)象的前提。然而,現(xiàn)有的衛(wèi)星潛熱反演產(chǎn)品大多以查表法為主,對(duì)云模式的依賴性較大,而對(duì)潛熱與云和降水可觀測(cè)量之間的物理聯(lián)系發(fā)掘不夠。最近出現(xiàn)的潛熱反演物理算法(CPPROF)則充分利用了衛(wèi)星觀測(cè)的高分辨率云水和雨水廓線信息,基于云物理基本原理構(gòu)建了潛熱與云和降水的定量聯(lián)系,對(duì)模式依賴性小,有很好的反演效果。但該方法在模式敏感性、算法實(shí)用性方面還亟待完善。本論文首先深入分析了基于查表法的衛(wèi)星反演潛熱產(chǎn)品(以TRMM, Tropical Rainfall Measuring Mission,2A12產(chǎn)品為例)的不確定性,闡明了發(fā)展?jié)摕岱囱菸锢硭惴ǖ谋匾?；其次利用WRF (Weather Research Forcasting Model)模式的模擬結(jié)果,研究了潛熱對(duì)多種大氣可觀測(cè)量的相關(guān)性,提出了潛熱反演物理算法的改進(jìn)方向；再次,檢驗(yàn)了CPPROF算法反演的效果對(duì)模式中不同微物理方案的敏感性,證明了該算法在不同模式中的通用性；最后,借助WRF模式對(duì)全球不同暖云降水系統(tǒng)的模擬,開(kāi)發(fā)了基于云頂高度(Cloud Top Height,簡(jiǎn)稱CTH)、云水路徑(Cloud Water Path,簡(jiǎn)稱CWP)和近地表降水率(Near Surface Rain Rate,簡(jiǎn)稱NSRR)的暖云降水云水廓線反演查算表算法,實(shí)現(xiàn)了CPPROF算法反演暖云降水潛熱的業(yè)務(wù)化。取得的具體結(jié)果如下：(1)基于查表法的衛(wèi)星反演潛熱產(chǎn)品的檢驗(yàn)和評(píng)估本文針對(duì)潛熱資料不易直接檢驗(yàn)的特點(diǎn),首先匹配融合了TRMM 2A12、 1B11(微波成像儀資料)和1801(可見(jiàn)光和近紅外掃描儀數(shù)據(jù))資料。借助融合資料中的紅外和微波信號(hào),對(duì)云頂高度和云相態(tài)進(jìn)行了分類識(shí)別。通過(guò)評(píng)估2A12資料云水廓線的合理性來(lái)間接評(píng)估潛熱廓線的垂直結(jié)構(gòu)。檢驗(yàn)結(jié)果表明,由于2A12資料僅利用云頂和微波亮溫作為潛熱反演的查表要素,未利用云頂溫度對(duì)潛熱廓線進(jìn)行約束,未建立潛熱與具體云雨垂直結(jié)構(gòu)的物理聯(lián)系,因此其結(jié)果出現(xiàn)了一定程度的誤差。具體表現(xiàn)為：2A12反演的降水冰云基本合理,降水冰云云層深厚,潛熱廓線表現(xiàn)出了明顯的對(duì)流降水加熱形態(tài),統(tǒng)計(jì)顯示合理的降水冰云比例達(dá)到70%以上；不確定降水冰云多為層云或卷云,云層較薄,云量較少,2A12資料常將此類云誤判為暖云,統(tǒng)計(jì)顯示合理的不確定降水冰云比例不到1%；盡管降水暖云紅外云頂亮溫較高(278K)、微波的冰粒子散射信號(hào)不強(qiáng)(280K),但2A12資料仍會(huì)將其誤判為冰云,統(tǒng)計(jì)顯示誤判的比例不高(少于10%)。多年臺(tái)風(fēng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,隨著云頂亮溫的降低(云頂高度增加),2A12資料反演的云液水量、云冰量和潛熱加熱廓線都會(huì)相應(yīng)的增大,但不能很好的反映云頂高度的變化。(2)潛熱與不同大氣參數(shù)的相關(guān)性借助WRF模式對(duì)CHABA臺(tái)風(fēng)個(gè)例成熟期的模擬,分析了不同類型潛熱及大氣可觀測(cè)量的分布特征；并檢驗(yàn)了潛熱與云水量(Cloud Water Content,簡(jiǎn)稱CWC)、降水率(Rain Rate,簡(jiǎn)稱Rr)、垂直風(fēng)速(Vertical Velocity,簡(jiǎn)稱W)、降水率的垂直梯度(dRr/dz)等多種大氣可觀測(cè)量的相關(guān)性。對(duì)流降水云層深厚,CWC主要分布在凍結(jié)層以下,潛熱釋放主要來(lái)自水汽的凝結(jié)；層云降水云底較高,凍結(jié)層以上以潛熱釋放為主,且主要來(lái)自水汽的凝華,凍結(jié)層以下以蒸發(fā)過(guò)程為主,潛熱為負(fù)。暖云降水云層淺薄,對(duì)流不強(qiáng),潛熱釋放也較弱。潛熱與大氣可觀測(cè)量敏感性檢驗(yàn)表明,凝結(jié)潛熱與CWC、Rr、W及dRr/dz都有很強(qiáng)的相關(guān)性,其中與W的相關(guān)性最強(qiáng),相關(guān)系數(shù)最高可達(dá)0.9(對(duì)流降水)；未來(lái)的算法應(yīng)考慮增加W和dRr/dZ作為潛熱反演的輸入?yún)?shù)。(3)CPPROF凝結(jié)潛熱反演對(duì)WRF模式不同微物理方案的敏感性分別利用WRF模式的不同微物理參數(shù)化方案對(duì)同一臺(tái)風(fēng)個(gè)例進(jìn)行了模擬。檢驗(yàn)了凝結(jié)潛熱在不同微物理方案中與雨水碰并增長(zhǎng)率的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)凝結(jié)潛熱與碰并增長(zhǎng)率在不同微物理方案中一致性非常好。除MORRISON方案中的對(duì)流降水外,凝結(jié)潛熱與碰并項(xiàng)的平均結(jié)果在不同類型降水和不同微物理方案中都非常接近。該檢驗(yàn)說(shuō)明CPPROF算法所建立的潛熱與雨水碰并項(xiàng)物理聯(lián)系在不同模式中均適用,算法在不同模式平臺(tái)之間的移植性性較好。建立了基于不依賴特定微物理假設(shè)的CPPROF算法綜合參數(shù)化方案,實(shí)現(xiàn)了算法從二維模式到三維模式的移植、從特定微物理模式向多種微物理模式的移植。通過(guò)反演驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),該參數(shù)化方法能夠很好的抓住潛熱的主要特征,所反演的潛熱平均廓線與真值非常一致。(4)暖云降水云水廓線的反演CPPROF的重要輸入量云水廓線以前未能獨(dú)立的反演,限制了該算法走向?qū)嶋H應(yīng)用。本研究利用WRF模式對(duì)全球不同區(qū)域多個(gè)暖云降水系統(tǒng)進(jìn)行了模擬,創(chuàng)建了云水廓線數(shù)據(jù)庫(kù)。開(kāi)發(fā)了利用CTH、CWP和NSRR反演云厚(Cloud Depth,簡(jiǎn)稱CD)的新方法；建立了運(yùn)用CTH、云底高度(Cloud Bottom Height,簡(jiǎn)稱CBH)和CWP三個(gè)云參數(shù)反演暖云降水中云水廓線新算法。云水廓線反演在不同微物理方案、不同降水系統(tǒng)和與CloudSat衛(wèi)星實(shí)測(cè)資料對(duì)比檢驗(yàn)中表明,雖然不同微物理方案的云水參數(shù)化不同,不同降水系統(tǒng)大氣的動(dòng)力和熱力條件差異很大,但本算法準(zhǔn)確可信,反演的云水廓線在不同尺度上都能很好的與模式“真值”或?qū)崪y(cè)結(jié)果保持一致。 【關(guān)鍵詞】：潛熱 潛熱廓線 潛熱反演算法 微物理方案 云水量 云水廓線 云水路徑 暖云降水 WRF模式 TRMM衛(wèi)星
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P426.6;P435
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-15
• 第1章 緒論15-29
• 1.1 潛熱的重要性15-20
• 1.1.1 潛熱與地氣系統(tǒng)15-16
• 1.1.2 潛熱與大氣環(huán)流16-18
• 1.1.3 潛熱與天氣系統(tǒng)18-20
• 1.2 潛熱反演研究的現(xiàn)狀20-22
• 1.3 暖云降水介紹22-25
• 1.3.1 暖云降水微物理過(guò)程23-24
• 1.3.2 云水廓線反演研究介紹24-25
• 1.4 基于云水及降水廓線的潛熱反演算法(CPPROF)介紹25-27
• 1.5 本論文研究的內(nèi)容27-29
• 第2章 資料、模式和方法29-51
• 2.1 資料介紹29-35
• 2.1.1 TRMM衛(wèi)星及TMI資料介紹29-32
• 2.1.2 TRMM VIRS 1801資料介紹32
• 2.1.3 TRMM PR 2A25降水資料32-33
• 2.1.4 TRMM PR 2H25潛熱資料33
• 2.1.5 CloudSat衛(wèi)星及云產(chǎn)品介紹33-34
• 2.1.6 NCEP-FNL再分析資料34
• 2.1.7 JTWC臺(tái)風(fēng)軌跡資料34-35
• 2.2 模式介紹和試驗(yàn)設(shè)計(jì)35-43
• 2.2.1 WRF模式介紹35-37
• 2.2.2 WRF模式云微物理方案介紹37-38
• 2.2.3 CHABA臺(tái)風(fēng)個(gè)例模擬38-40
• 2.2.4 暖云降水模擬及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)40-43
• 2.3 研究方法43-51
• 2.3.1 2A12與1801資料的匹配及融合43-44
• 2.3.2 微波和紅外信號(hào)結(jié)合的云分類方法44-45
• 2.3.3 降水雨型的分類45
• 2.3.4 Levenberg-Marquardt非線性擬合方法45-46
• 2.3.5 WRF模式中潛熱的獲取46-48
• 2.3.6 WRF模式中降水率的獲取48-51
• 第3章 現(xiàn)有衛(wèi)星潛熱產(chǎn)品的不確定性分析——以TRMM 2A12為例51-69
• 3.1 西太平洋臺(tái)風(fēng)個(gè)例分析51-64
• 3.1.1 臺(tái)風(fēng)過(guò)程簡(jiǎn)介51-52
• 3.1.2 融合數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)52-53
• 3.1.3 臺(tái)風(fēng)個(gè)例中水成物及潛熱廓線的檢驗(yàn)53-59
• 3.1.4 個(gè)例對(duì)比分析59-64
• 3.2 多年臺(tái)風(fēng)水成物及潛熱廓線的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)64-66
• 3.3 本章小結(jié)66-69
• 第4章 潛熱對(duì)多種大氣可觀測(cè)量的相關(guān)性69-85
• 4.1 臺(tái)風(fēng)模擬及檢驗(yàn)69-71
• 4.1.1 臺(tái)風(fēng)過(guò)程簡(jiǎn)介69-70
• 4.1.2 模擬結(jié)果檢驗(yàn)70-71
• 4.2 潛熱與各物理量的相關(guān)性分析71-80
• 4.2.1 潛熱及各物理量的空間分布特征71-75
• 4.2.2 凝結(jié)潛熱與CWC、Rr、W和dRr/dz的相關(guān)性75-78
• 4.2.3 蒸發(fā)潛熱與CWC、Rr、W和dRr/dz的相關(guān)性78-80
• 4.3 潛熱反演與其它可觀測(cè)量的相關(guān)性分析80-83
• 4.4 本章小結(jié)83-85
• 第5章 凝結(jié)潛熱對(duì)WRF模式不同微物理方案的敏感性分析85-101
• 5.1 臺(tái)風(fēng)模擬85-88
• 5.1.1 臺(tái)風(fēng)模擬路徑比較85-86
• 5.1.2 臺(tái)風(fēng)模擬云水路徑和柱潛熱與觀測(cè)的比較86-88
• 5.2 凝結(jié)潛熱與碰并增長(zhǎng)項(xiàng)在不同微物理方案下的敏感性88-92
• 5.3 凝結(jié)潛熱反演結(jié)果分析92-100
• 5.3.1 不同微物理方案各自反演凝結(jié)潛熱分析92-96
• 5.3.2 總的凝結(jié)潛熱反演分析96-100
• 5.4 本章小結(jié)100-101
• 第6章 暖云降水中云水廓線的反演101-119
• 6.1 云水廓線反演過(guò)程介紹101-105
• 6.1.1 模式模擬結(jié)果的檢驗(yàn)101-104
• 6.1.2 云水廓線反演思路104-105
• 6.2 云水廓線參照表的創(chuàng)建105-108
• 6.2.1 基于D1_WSM6模擬創(chuàng)建的參照表105-107
• 6.2.2 基于D1-D7區(qū)域模擬創(chuàng)建的參照表107-108
• 6.3 云底高度(云厚)的反演108-110
• 6.4 云水廓線反演的檢驗(yàn)110-116
• 6.4.1 基于D1區(qū)域不同微物理方案云水廓線反演的檢驗(yàn)111-113
• 6.4.2 基于不同區(qū)域云水廓線反演的檢驗(yàn)113-115
• 6.4.3 基于CloudSat云廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)115-116
• 6.5 本章小結(jié)116-119
• 第7章 總結(jié)與展望119-125
• 7.1 本論文主要結(jié)論119-122
• 7.2 論文工作的創(chuàng)新點(diǎn)122
• 7.3 未來(lái)工作展望122-125
• 參考文獻(xiàn)125-143
• 附錄 論文中英文縮寫(xiě)相應(yīng)全稱對(duì)照表143-145
• 致謝145-147
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文147

您可以在本站搜索以下學(xué)術(shù)論文文獻(xiàn)來(lái)了解更多相關(guān)內(nèi)容

巨核對(duì)暖云降水影響的模擬研究    房文;鄭國(guó)光;

基于WRF模式的暖云降水潛熱物理反演算法研究    郭靜超