一种气象卫星反演海雾湿度的同化方法技术

本发明专利技术公开了一种气象卫星反演海雾湿度的同化方法，包括全天候海雾监测模块，海雾湿度构建模块，海雾温度构建模块，温湿数据同化模块；其中，全天候海雾监测模块是基于MTSAT卫星数据对黄海海雾进行全天候监测，得到海雾的三维分布状态；海雾湿度构建模块和海雾温度构建模块是基于海雾信息构建雾区内的湿度和温度观测；温湿数据同化模块是利用cycling‑3DVAR进行同化。本发明专利技术的有益效果是能够并依据反演雾区以及海雾发展过程中温湿结构的变化特点来改进预报初始场，从而进一步改进海雾短时临近预报结果。

An assimilation method for retrieval of sea fog humidity by meteorological satellite

【技术实现步骤摘要】
一种气象卫星反演海雾湿度的同化方法
本专利技术属于短时临近数值预报与数据同化
，涉及一种气象卫星MTSAT(MultifunctionalTransportSatellites)反演海雾湿度的同化方法。
技术介绍
海雾是发生在海上大气边界层内，受海洋作用影响产生的一种海面大气水平能见度低于1km的天气现象，它对海上及沿岸交通与作业产生十分严重的影响。黄海是我国近海海雾高发区之一。近年来，随着计算能力的迅速提升，数值模拟已成为研究和预报海雾的有利工具。海雾数值预报尤其是短时临近预报，需求迫切。已有研究表明，数值模拟的结果对模式初始场的误差十分敏感。为了改进初始场质量，各国学者针对数据同化方法做出大量研究工作。黄海是我国近海海雾发生最为频繁的海域，其产生的重要机制是暖湿空气平流到冷的海面上从而冷却达到饱和，这一过程受海上大气边界层的影响。因此，初始场中近海面大气的风场、温度与湿度结构对海雾模拟结果至关重要。为了改进海雾模拟初始场质量，利用循环三维变分(cycling-3DVAR)同化方案同化海上非常规观测数据，特别是卫星辐射和反演数据来弥补海上观测数据的匮乏，是一种可行的途径。已有同化卫星辐射数据、卫星反演海面风数据与雷达径向风数据的研究结果表明，海雾模拟初始场中温度与风场结构均可得到不同程度的改善。然而，初始场中的水汽条件并没有获得明显的改善，这往往是导致海雾预报失败的一个重要原因。如何合理同化气象卫星反演的海雾湿度信息，提高海雾短时临近预报水平，需要发展一种同化方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种气象卫星反演海雾湿度的同化方法。本专利技术的有益效果是能够并依据反演雾区以及海雾发展过程中温湿结构的变化特点来改进预报初始场，从而改进预报结果。在10次海雾个例的数值预报中，本专利技术使雾区的公正预兆得分(ETS)相比改进前提高了16.9％。本专利技术所采用的技术方案是包括全天候海雾监测模块，海雾湿度构建模块，海雾温度构建模块，温湿数据同化模块；其中，全天候海雾监测模块是基于MTSAT卫星数据对黄海海雾进行全天候监测，得到海雾的三维分布状态；海雾湿度构建模块和海雾温度构建模块是基于海雾信息构建雾区内的湿度和温度观测；温湿数据同化模块是利用cycling-3DVAR进行同化。首先，全天候海雾监测模块基于MTSAT卫星数据，对夜间和白天的海雾三维结构分别进行反演：在夜间，计算MTSAT短波通道IR4波长3.5-4.0μm与长波通道IR1波长10.3-11.3μm的亮温差(SLTD)，满足-5.5K≤SLTD≤-2.5K的区域为雾区，利用SLTD计算雾顶高度Hn，Hn＝-212+191|SLTD×0.5|；在白天，计算MTSAT的IR4亮温与SST之差ISTD，ISTD<10K的区域为高云与晴空区，计算双通道法的SLTD，依据动态的SLTD阈值和可见光反照率拟合的海上能见度初步判断雾区，依据可见光反照率的均匀度排除纹理粗糙的云区，得到最终的雾区，由反照率和太阳天顶角计算光学厚度δ，并计算雾顶高度Hd，其中Hd＝45δ2/3。然后，利用海雾湿度构建模块诊断三维海雾雾体信息。由于海雾中空气接近饱和，该模块假设反演雾区内的相对湿度为100％，将100％的相对湿度置于每一个反演雾区内的模式格点上，从而构建可被cycling-3DVAR识别的湿度廓线族，记为MTSAT-RH。进一步，利用海雾温度构建模块构建三维海雾雾体中的温度信息。将高度≤400m的模式层中存在云水混合比qc≥0.016g/kg，且雾顶高度≤400m的区域作为模式预报雾区，对比预报和反演雾区，得到正报区，反演雾区中预报有雾的区域，记为H区，漏报区反演雾区中预报无雾的区域，记为M区和误报区预报雾区中反演无雾的区域，记为F区，修正模式预报温度从而构建温度廓线记为MTSAT-T：M区预报温度偏高，且没有出现近海面的中性层结，因此利用附近的H区温度廓线对其进行修正，将模式格点上的气温设置为海温加上距离最近的H区气海温差SATH-SSTH，垂向均匀：F区预报温度偏低，因此利用附近的预报晴空区温度廓线对其进行修正，将模式格点上的气温设置为海温加上距离最近的晴空区的同层气温与海温之差最后，温湿数据同化模块是通过cycling-3DVAR将预报起点前一段时间设为同化窗，其中包含多个同化更新时刻，背景场经多次积分和同化，产生初始场，流程为：在第1个更新时刻，将全球预报或分析数据插值到WRF模式的格点上，作为背景场；利用3DVar同化观测数据，得到分析场；将分析场输入模式，积分至下一同化时刻；重复进行同化和积分，直至预报起点。附图说明图1是全天候海雾监测的操作流程；图2是cycling-3DVAR运行流程；图3是在同化更新时刻同化MTSAT-RH的操作流程；图4是构建海雾雾区内温度廓线的主要方法；图5是在同化更新时刻同化MTSAT-RH和MTSAT-T的操作流程；图6是模式区域设置，圆点给出了沿岸气象台站位置；图7是预报雾区的比较，第1行为观测雾区随时间变化，第2，3，4行分别为Exp-A，Exp-B，Exp-C的预报雾区；图8是模式底层Exp-B(a)和Exp-C(b)的第5步同化分析增量，粗实线代表观测雾区，虚线代表预报雾区，等值线代表水汽增量(单位g/kg)，灰色填充代表温度增量(单位K)；图9是10次个例中，预报12h的温度(a)和水汽混合比(b)与探空观测数据的对比，实线代表均方根误差RMSE，虚线代表平均偏差bias；图10是10次个例的初始场中，850hPa至表面层的预报水汽相对于观测的bias。具体实施方式下面结合具体实施方式，对本专利技术进行详细说明。图1给出了全天候海雾监测模块的操作流程。该模块基于MTSAT卫星数据，对夜间和白天的海雾三维结构分别进行反演：在夜间，计算MTSAT短波通道IR4(波长3.5-4.0μm)与长波通道IR1(波长10.3-11.3μm)的亮温差SLTD，满足-5.5K≤SLTD≤-2.5K的区域为雾区，利用SLTD计算雾顶高度Hn(Hn＝-212+191|SLTD×0.5|)；在白天，计算MTSAT的IR4亮温与SST之差(ISTD)，ISTD<10K的区域为高云与晴空区，计算双通道法的SLTD，依据动态的SLTD阈值(随太阳高度角变化)和可见光反照率拟合的海上能见度初步判断雾区，依据可见光反照率的均匀度排除纹理粗糙的云区，得到最终的雾区，由反照率和太阳天顶角计算光学厚度δ，并计算雾顶高度Hd(Hd＝45δ2/3)。海雾湿度构建模块的主要思路是：由于海雾中空气接近饱和，该模块假设反演雾区内的相对湿度为100％，将100％的相对湿度置于每一个反演雾区内的模式格点上，从而构建一组湿度廓线(记为MTSAT-RH)。图4给出了海雾温度构建模块的主要思路。将高度≤400m的模式层中存在云水混合比qc≥0.016g/kg，且雾顶高度≤400m的区域作为模式预报雾区。对比预报和反演雾本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气象卫星反演海雾湿度的同化方法，其特征在于：包括全天候海雾监测模块，海雾湿度构建模块，海雾温度构建模块，温湿数据同化模块；其中，全天候海雾监测模块是基于MTSAT卫星数据对黄海海雾进行全天候监测，得到海雾的三维分布状态；海雾湿度构建模块和海雾温度构建模块是基于海雾信息构建雾区内的湿度和温度观测；温湿数据同化模块是利用cycling-3DVAR进行同化。/n

【技术特征摘要】
1.一种气象卫星反演海雾湿度的同化方法，其特征在于：包括全天候海雾监测模块，海雾湿度构建模块，海雾温度构建模块，温湿数据同化模块；其中，全天候海雾监测模块是基于MTSAT卫星数据对黄海海雾进行全天候监测，得到海雾的三维分布状态；海雾湿度构建模块和海雾温度构建模块是基于海雾信息构建雾区内的湿度和温度观测；温湿数据同化模块是利用cycling-3DVAR进行同化。


2.按照权利要求1所述一种气象卫星反演海雾湿度的同化方法，其特征在于：所述全天候海雾监测模块基于MTSAT卫星数据，对夜间和白天的海雾三维结构分别进行反演：在夜间，计算MTSAT短波通道IR4波长3.5-4.0μm与长波通道IR1波长10.3-11.3μm的亮温差SLTD，满足-5.5K≤SLTD≤-2.5K的区域为雾区，利用SLTD计算雾顶高度Hn，Hn＝-212+191|SLTD×0.5|；在白天，计算MTSAT的IR4亮温与SST之差ISTD，ISTD<10K的区域为高云与晴空区，计算双通道法的SLTD，依据动态的SLTD阈值和可见光反照率拟合的海上能见度初步判断雾区，依据可见光反照率的均匀度排除纹理粗糙的云区，得到最终的雾区，由反照率和太阳天顶角计算光学厚度δ，并计算雾顶高度Hd，Hd＝45δ2/3。


3.按照权利要求1所述一种气象卫星反演海雾湿度的同化方法，其特征在于：所述海雾湿度构建模块是由于海雾中空气接近饱和，该模块假设反演雾区内的相对湿...

【专利技术属性】
技术研发人员：高山红，高小雨，王永明，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37