基于WRF模式的暖云降水潜热物理反演算法研究

【摘要】：降水潜热是驱动区域和全球大气环流的主要能量来源,准确把握潜热垂直结构是正确理解Walker环流、厄尔尼诺南方涛动(El Nino and Southern Oscillation,简称ENSO)、季风、热带太平洋30-60天低频震荡(Madden-Juian oscillation,简称MJO)、台风和锋面等不同尺度大气现象的前提。然而,现有的卫星潜热反演产品大多以查表法为主,对云模式的依赖性较大,而对潜热与云和降水可观测量之间的物理联系发掘不够。最近出现的潜热反演物理算法(CPPROF)则充分利用了卫星观测的高分辨率云水和雨水廓线信息,基于云物理基本原理构建了潜热与云和降水的定量联系,对模式依赖性小,有很好的反演效果。但该方法在模式敏感性、算法实用性方面还亟待完善。本论文首先深入分析了基于查表法的卫星反演潜热产品(以TRMM, Tropical Rainfall Measuring Mission,2A12产品为例)的不确定性,阐明了发展潜热反演物理算法的必要性；其次利用WRF (Weather Research Forcasting Model)模式的模拟结果,研究了潜热对多种大气可观测量的相关性,提出了潜热反演物理算法的改进方向；再次,检验了CPPROF算法反演的效果对模式中不同微物理方案的敏感性,证明了该算法在不同模式中的通用性；最后,借助WRF模式对全球不同暖云降水系统的模拟,开发了基于云顶高度(Cloud Top Height,简称CTH)、云水路径(Cloud Water Path,简称CWP)和近地表降水率(Near Surface Rain Rate,简称NSRR)的暖云降水云水廓线反演查算表算法,实现了CPPROF算法反演暖云降水潜热的业务化。取得的具体结果如下：(1)基于查表法的卫星反演潜热产品的检验和评估本文针对潜热资料不易直接检验的特点,首先匹配融合了TRMM 2A12、 1B11(微波成像仪资料)和1801(可见光和近红外扫描仪数据)资料。借助融合资料中的红外和微波信号,对云顶高度和云相态进行了分类识别。通过评估2A12资料云水廓线的合理性来间接评估潜热廓线的垂直结构。检验结果表明,由于2A12资料仅利用云顶和微波亮温作为潜热反演的查表要素,未利用云顶温度对潜热廓线进行约束,未建立潜热与具体云雨垂直结构的物理联系,因此其结果出现了一定程度的误差。具体表现为：2A12反演的降水冰云基本合理,降水冰云云层深厚,潜热廓线表现出了明显的对流降水加热形态,统计显示合理的降水冰云比例达到70%以上；不确定降水冰云多为层云或卷云,云层较薄,云量较少,2A12资料常将此类云误判为暖云,统计显示合理的不确定降水冰云比例不到1%；尽管降水暖云红外云顶亮温较高(278K)、微波的冰粒子散射信号不强(280K),但2A12资料仍会将其误判为冰云,统计显示误判的比例不高(少于10%)。多年台风的统计结果显示,随着云顶亮温的降低(云顶高度增加),2A12资料反演的云液水量、云冰量和潜热加热廓线都会相应的增大,但不能很好的反映云顶高度的变化。(2)潜热与不同大气参数的相关性借助WRF模式对CHABA台风个例成熟期的模拟,分析了不同类型潜热及大气可观测量的分布特征；并检验了潜热与云水量(Cloud Water Content,简称CWC)、降水率(Rain Rate,简称Rr)、垂直风速(Vertical Velocity,简称W)、降水率的垂直梯度(dRr/dz)等多种大气可观测量的相关性。对流降水云层深厚,CWC主要分布在冻结层以下,潜热释放主要来自水汽的凝结；层云降水云底较高,冻结层以上以潜热释放为主,且主要来自水汽的凝华,冻结层以下以蒸发过程为主,潜热为负。暖云降水云层浅薄,对流不强,潜热释放也较弱。潜热与大气可观测量敏感性检验表明,凝结潜热与CWC、Rr、W及dRr/dz都有很强的相关性,其中与W的相关性最强,相关系数最高可达0.9(对流降水)；未来的算法应考虑增加W和dRr/dZ作为潜热反演的输入参数。(3)CPPROF凝结潜热反演对WRF模式不同微物理方案的敏感性分别利用WRF模式的不同微物理参数化方案对同一台风个例进行了模拟。检验了凝结潜热在不同微物理方案中与雨水碰并增长率的相关性,发现凝结潜热与碰并增长率在不同微物理方案中一致性非常好。除MORRISON方案中的对流降水外,凝结潜热与碰并项的平均结果在不同类型降水和不同微物理方案中都非常接近。该检验说明CPPROF算法所建立的潜热与雨水碰并项物理联系在不同模式中均适用,算法在不同模式平台之间的移植性性较好。建立了基于不依赖特定微物理假设的CPPROF算法综合参数化方案,实现了算法从二维模式到三维模式的移植、从特定微物理模式向多种微物理模式的移植。通过反演验证发现,该参数化方法能够很好的抓住潜热的主要特征,所反演的潜热平均廓线与真值非常一致。(4)暖云降水云水廓线的反演CPPROF的重要输入量云水廓线以前未能独立的反演,限制了该算法走向实际应用。本研究利用WRF模式对全球不同区域多个暖云降水系统进行了模拟,创建了云水廓线数据库。开发了利用CTH、CWP和NSRR反演云厚(Cloud Depth,简称CD)的新方法；建立了运用CTH、云底高度(Cloud Bottom Height,简称CBH)和CWP三个云参数反演暖云降水中云水廓线新算法。云水廓线反演在不同微物理方案、不同降水系统和与CloudSat卫星实测资料对比检验中表明,虽然不同微物理方案的云水参数化不同,不同降水系统大气的动力和热力条件差异很大,但本算法准确可信,反演的云水廓线在不同尺度上都能很好的与模式“真值”或实测结果保持一致。 【关键词】：潜热 潜热廓线 潜热反演算法 微物理方案 云水量 云水廓线 云水路径 暖云降水 WRF模式 TRMM卫星
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P426.6;P435
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-15
• 第1章 绪论15-29
• 1.1 潜热的重要性15-20
• 1.1.1 潜热与地气系统15-16
• 1.1.2 潜热与大气环流16-18
• 1.1.3 潜热与天气系统18-20
• 1.2 潜热反演研究的现状20-22
• 1.3 暖云降水介绍22-25
• 1.3.1 暖云降水微物理过程23-24
• 1.3.2 云水廓线反演研究介绍24-25
• 1.4 基于云水及降水廓线的潜热反演算法(CPPROF)介绍25-27
• 1.5 本论文研究的内容27-29
• 第2章 资料、模式和方法29-51
• 2.1 资料介绍29-35
• 2.1.1 TRMM卫星及TMI资料介绍29-32
• 2.1.2 TRMM VIRS 1801资料介绍32
• 2.1.3 TRMM PR 2A25降水资料32-33
• 2.1.4 TRMM PR 2H25潜热资料33
• 2.1.5 CloudSat卫星及云产品介绍33-34
• 2.1.6 NCEP-FNL再分析资料34
• 2.1.7 JTWC台风轨迹资料34-35
• 2.2 模式介绍和试验设计35-43
• 2.2.1 WRF模式介绍35-37
• 2.2.2 WRF模式云微物理方案介绍37-38
• 2.2.3 CHABA台风个例模拟38-40
• 2.2.4 暖云降水模拟及实验设计40-43
• 2.3 研究方法43-51
• 2.3.1 2A12与1801资料的匹配及融合43-44
• 2.3.2 微波和红外信号结合的云分类方法44-45
• 2.3.3 降水雨型的分类45
• 2.3.4 Levenberg-Marquardt非线性拟合方法45-46
• 2.3.5 WRF模式中潜热的获取46-48
• 2.3.6 WRF模式中降水率的获取48-51
• 第3章 现有卫星潜热产品的不确定性分析——以TRMM 2A12为例51-69
• 3.1 西太平洋台风个例分析51-64
• 3.1.1 台风过程简介51-52
• 3.1.2 融合数据的检验52-53
• 3.1.3 台风个例中水成物及潜热廓线的检验53-59
• 3.1.4 个例对比分析59-64
• 3.2 多年台风水成物及潜热廓线的统计检验64-66
• 3.3 本章小结66-69
• 第4章 潜热对多种大气可观测量的相关性69-85
• 4.1 台风模拟及检验69-71
• 4.1.1 台风过程简介69-70
• 4.1.2 模拟结果检验70-71
• 4.2 潜热与各物理量的相关性分析71-80
• 4.2.1 潜热及各物理量的空间分布特征71-75
• 4.2.2 凝结潜热与CWC、Rr、W和dRr/dz的相关性75-78
• 4.2.3 蒸发潜热与CWC、Rr、W和dRr/dz的相关性78-80
• 4.3 潜热反演与其它可观测量的相关性分析80-83
• 4.4 本章小结83-85
• 第5章 凝结潜热对WRF模式不同微物理方案的敏感性分析85-101
• 5.1 台风模拟85-88
• 5.1.1 台风模拟路径比较85-86
• 5.1.2 台风模拟云水路径和柱潜热与观测的比较86-88
• 5.2 凝结潜热与碰并增长项在不同微物理方案下的敏感性88-92
• 5.3 凝结潜热反演结果分析92-100
• 5.3.1 不同微物理方案各自反演凝结潜热分析92-96
• 5.3.2 总的凝结潜热反演分析96-100
• 5.4 本章小结100-101
• 第6章 暖云降水中云水廓线的反演101-119
• 6.1 云水廓线反演过程介绍101-105
• 6.1.1 模式模拟结果的检验101-104
• 6.1.2 云水廓线反演思路104-105
• 6.2 云水廓线参照表的创建105-108
• 6.2.1 基于D1_WSM6模拟创建的参照表105-107
• 6.2.2 基于D1-D7区域模拟创建的参照表107-108
• 6.3 云底高度(云厚)的反演108-110
• 6.4 云水廓线反演的检验110-116
• 6.4.1 基于D1区域不同微物理方案云水廓线反演的检验111-113
• 6.4.2 基于不同区域云水廓线反演的检验113-115
• 6.4.3 基于CloudSat云廓线雷达数据的检验115-116
• 6.5 本章小结116-119
• 第7章 总结与展望119-125
• 7.1 本论文主要结论119-122
• 7.2 论文工作的创新点122
• 7.3 未来工作展望122-125
• 参考文献125-143
• 附录 论文中英文缩写相应全称对照表143-145
• 致谢145-147
• 在读期间发表的学术论文147

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