《多源衛星臭氧觀測的高效全球四維變分同化技術研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由曹小群擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：多源衛星臭氧觀測的高效全球四維變分同化技術研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：曹小群
- 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
近年來在軌運行的衛星臭氧遙感儀不斷增加，豐富的臭氧觀測不但能有效彌補平流層等區域觀測信息的不足，而且對提高數值天氣預報質量具有巨大潛力。雖然許多業務預報中心已成功實現臭氧資料同化，並取得一定正效果；但是仍存在一系列急需解決的科學難題。本項目將開展多源衛星臭氧資料全球四維變分同化的關鍵技術研究，主要包括：大氣成分資料同化新方法、臭氧不同尺度背景誤差特徵刻畫、基於混合範數的觀測質量控制、自適應偏差訂正、臭氧化學輸送模式、平流層物理和化學參數化方案以及衛星觀測運算元的切線性/伴隨模式等。目標是實現不同類型衛星(包括風雲三號)臭氧觀測的最優融合和高效同化，提高高解析度全球數值天氣預報系統的分析場質量和中期天氣預報能力，重點挖掘臭氧同化在改進中高層風場和對流層颱風等高影響天氣預報上的潛力。本項目的研究是對衛星資料同化方法的進一步探索，對資料同化理論完善和業務同化系統研製都有重要實用價值。
結題摘要
臭氧是影響全球數值天氣預報(NWP)效果的重要因素之一，在模式頂擴展到平流層及其以上區域後，如何引入和刻畫臭氧成為一個重要科學問題。隨著在軌運行的衛星臭氧遙感儀器數量不斷增加，豐富的臭氧觀測對提高NWP質量具有巨大潛力。本課題主要研究了多源衛星臭氧資料全球四維變分同化的關鍵技術。首先，完成了大氣臭氧資料同化新方法、適合痕量氣體的控制變數轉換運算元和新目標泛函最最佳化求解的預條件、刻畫臭氧不同尺度的小波背景誤差協方差模型、自適應偏差訂正、基於混合範數的觀測質量控制、臭氧化學輸送模式、平流層物理和化學參數化方案以及衛星臭氧觀測運算元的切線性/伴隨模式等研究內容。其次，設計和實現了臭氧觀測資料同化軟體模組，集成到已有的全球大氣四維變分資料同化系統後最終形成了全球臭氧觀測資料同化系統。最後開展了衛星臭氧資料同化實驗，通過對比分析驗證了高解析度臭氧觀測資料同化系統的有效性。實驗結果表明：高解析度全球臭氧資料同化系統具有衛星臭氧資料同化能力，能提供三維臭氧濃度分析產品，產品水平解析度為水平格線距25千米、垂直分層91層；由分析場轉換得到的初始場輸入全球大氣數值預報模式後能生成臭氧、溫度、壓強、風場等大氣變數的10天預報場；在同化衛星臭氧資料後總氣柱臭氧含量的預報場分布具有明顯變化：臭氧預報場的最大值、最小值有較大變化，總氣柱臭氧預報場的高值區和低值區形狀明顯不同。統計檢驗結果表明：在同化衛星臭氧觀測資料後南北半球500hPa位勢高度10天預報的距平相關數值都有明顯變化，北半球第一至第十天預報技巧都有一致改進，而且隨著預報時間延長提高越大，南半球第一至第八天預報都產生了一定的正效應。總之，衛星臭氧觀測的引入增加了新的觀測信息、填補了觀測信息“盲區”，從而提高了分析場和背景場質量，增加了與觀測實況的一致性，提高了其它類型觀測的同化利用率。本課題的研究對衛星資料同化方法進一步探索和業務同化系統研製都具有重要科學意義和實用價值。
