基于多源掩星数据构建的对流层气候场及其在热带气旋研究中的应用
作者单位：中国矿业大学
学位级别：硕士
导师姓名：张克非
授予年度：2022年
摘 要：无线电掩星技术是一种全新的、有效的大气探测手段,具有垂直分辨率高、精度高、稳定性强、无需额外校正以及成本低等诸多优势,其可实现全天候全球观测的特点弥补了传统大气探测手段难以在海洋、高原、沙漠等无人区实现观测的不足。该技术可提供大量长期稳定的观测资料,为大气探测、气候监测和天气预报等领域的研究赋予了更多可能。自二十一世纪以来,COSMIC（Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere,and Climate）、CHAMP（CHAllenging Minisatellite Payload）以及GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）等掩星任务取得了极大的成功,基于这些任务取得的成果展现出掩星技术在大气探测领域的巨大潜力,促使掩星技术快速发展。近年来,以COSMIC-2、METOP（Meteorological Operational）和风云三号为代表的新一代掩星任务已经投入使用,为掩星技术注入了新的活力。目前,新一代的掩星任务已经积累了较长时间的观测资料,可用于构建长期的对流层气候场。本研究从掩星对流层探测的原理出发,针对掩星数据质量评估、多源掩星数据加权方法、融合多源掩星数据构建对流层气候场以及掩星技术在热带气旋研究中的应用这几个关键问题进行了一系列实验和分析。本文所研究的主要内容、成果及结论如下:1.介绍了利用无线电掩星技术探测对流层大气的原理,对近二十年来国内外的掩星任务进行了概述,对比了传统大气探测手段和掩星技术各自的优劣。分析了国内外研究现状,指出利用新一代掩星任务提供的精度更高且数据量更大的观测资料构建对流层气候场是目前的研究热点。阐明了目前我国在该领域的研究水平处于上升阶段,与国际上最先进的掩星技术还有一定差距。此外,还详细介绍了地球大气的结构、关键参数和热带气旋的相关知识。2.介绍了掩星反演方法并对多源掩星数据进行质量评估。首先介绍掩星事件的定义和几何关系,然后描述了利用掩星技术反演对流层大气参数的数学原理和技术流程,详细介绍了利用附加相位延迟量计算大气参数廓线的方法,从掩星数据的种类以及重要技术参数两方面简要介绍了本研究使用到的掩星数据。利用ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）提供的气象再分析数据在对流层高度范围内对多源掩星数据进行了质量评估,结果表明COSMIC-2的数据质量明显优于其他掩星数据,而FY-3C（Feng Yun-3C）和FY-3D（Feng Yun-3D）掩星数据的质量相对较差,具有较大提升空间。3.根据掩星数据质量评估的结果,提出了一种在对流层范围确定不同掩星数据权重的MROPW（Multiple Radio Occultation Profiles Weights）方法,结合掩星廓线与格网的共定位技术,构建了全球大气湿折射率、湿温度和水汽分压气候场,并且在纬度和高度两个维度分析了气候场的特征。基于湿折射率、湿温度和水汽分压数据构建了全球5°×5°的大气边界层高度格网,基于温度递减率算法和最冷点算法构建了全球5°×5°的对流层顶高度格网,并研究了它们的时空特征。4.介绍了掩星廓线与热带气旋共定位的方法和热带气旋事件的选择标准,阐述了利用掩星数据研究热带气旋路径上的大气参数的实验方案,给出了热带气旋期间大气压、湿折射率、湿温度和水汽分压数据的变化和分布情况,并结合热带气旋风速进行分析。结果表明利用掩星数据研究热带气旋还存在数据量不足,共定位标准较松弛,难以反映热带气旋中心的大气参数真实情况等问题,但相比传统的地基手段,掩星技术在热带气旋研究中的价值更高。5.利用COSMIC和COSMIC-2的掩星湿折射率数据研究了西北太平洋区域12次超强台风期间的大气边界层高度,指出在整个台风期间的大气边界层高度的均值低于相同时空范围内没有台风时的均值,证明了在台风期间,大气边界层高度与台风风速呈现中度负相关的现象,该结论可为热带气旋和台风路径的预测提供参考价值。
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