基于卫星辐射数据同化的黄海海雾数值试验研究

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1、中国海洋大学硕士学位论文基于卫星辐射数据同化的黄海海雾数值试验研究姓名：李冉申请学位级别：硕士专业：气象学指导教师：高山红2011-06-02基于卫星辐射数据同化的黄海海雾数值试验研究基于卫星辐射数据同化的黄海海雾数值试验研究摘要基于中尺度大气模式WRF（WeatherResearchandForecasting）及其3DVAR模块，采用循环3DVAR数据同化方案，针对6次明显的黄海海雾过程，实施了一系列同化对比数值试验来考察直接同化卫星辐射数据对黄海海雾数值试验的影响。本文实施了两组试验，第一组试验设计了同化不同

2、疏密程度ATOVS（AdvancedTelevisionandInfraredObservationSatelliteOperationalVerticalSounder）卫星辐射数据的对比研究方案，确定了使用辐射数据时的数据间隔。第二组试验包括不同化任何观测数据、仅同化GTS（GlobalTelecommunicationSystem）常规数据、仅直接同化辐射数据和同时同化二种数据四个试验。利用地面水平能见度与卫星云图对模拟海雾雾区的发展演变进行对比与统计分析；对比了同化试验的增量场均方根误差（RMSE）的垂直分

3、布，讨论同化不同数据对背景场中气象要素的整体调整作用；并且进一步比较了对海雾影响作用较大的中低层分析场与背景场的差异，细致地探讨了雾区模拟结果不同的原因。第一组试验结果探讨了同化试验中对辐射数据进行疏化的方案，通过分析确定了数据间隔为100km的试验设置。对第二组试验模拟的雾区与观测事实的对比分析表明：（1）同化试验与不同化试验相比，雾区的模拟结果有明显改善，尤其是模拟前的36小时，这也表明同化试验对初始场有明显的改善作用。在模拟后期，边界条件成为影响模拟结果的主要因素，试验的结果趋于一致，并且误差随模拟时间的推移

4、而逐渐变大。（2）同化广泛应用的GTS常规观测数据对雾区的模拟有很大程度的改进作用，ATOVS卫星辐射数据对结果也有相当程度的改善，并不逊色于常规观测数据，然而两种数据对细节的改变却不尽相同。总体来说，同时同化两种数据可以降低只同化一种数据带来的误差，综合两种修正作用，得到更好的模拟结果，因此，在同化模拟试验常规观测数据中加入辐射数据，能够有效地提高数值研究和业务预报工作的准确度。进一步分析六次海雾过程同化试验初始场的增量均方根误差（RMSE）随高度的变化，以及不同高度层增量的具体分布得到如下结论：基于卫星辐射数据

5、同化的黄海海雾数值试验研究（1）同化试验对温度场、湿度场（除高层外）和风场在各高度层上都有明显的调整，并且对于同一要素而言在高度层上的调节趋势基本一致，表明两种数据对背景场的改变作用相同，不过由于在同一高度层上不同试验改变的区域不尽相同，雾区的模拟结果也略有差异。（2）由于海雾是一种在稳定层结的边界层内发生、发展和消散的现象，因此在天气形势基本稳定的情况下，它主要受控于大气低层信息，对其非常敏感。如1000hPa等压面层上，同化辐射数据后海雾发生区域的降温作用明显，这一方面有利于空气冷却，另一方面使得大气层结更加稳

6、定，不过也可能会导致模拟雾区范围比实际偏大；辐射数据使天气形势中高低压的配置得到增强，对不同的海雾个例产生不同的影响效果；尽管辐射数据对高空的风场改变明显，但是这对海雾的模拟结果只有很小的影响；辐射数据对低层湿度的贡献较小，可能是因为众多通道中只有AMSU-B有三个通道探测大气湿度。常规观测数据对低层的增湿贡献明显；温度场和风场的改进趋势与辐射数据相同。同时同化常规观测数据和辐射数据后，对各气象要素的改变也是两种数据的体现，降低了偏差过大的风险，统计多个个例综合来看，同时同化两种数据的模拟结果与真实大气最为接近，总

7、体来说效果明显优于不进行同化的试验。关键词：黄海海雾，卫星辐射数据，同化试验，WRF，循环3DVAR基于卫星辐射数据同化的黄海海雾数值试验研究NumericalStudyofSeaFogsupontheYellowSeauponDirectAssimilationofSatelliteRadiancesDataAbstractWiththeaidofWRF(WeatherResearchandForecasting)andits3DVARsystem,assimilationnumericalstudywithcy

8、cling-3DVARschemeisconductedforsixseafogeventsovertheYellowSea,andAseriesofcontrastexperimentsareperformed,inordertoinvestigatetheimpactofdirectassimilationofATOVSradiancedata.Ther