卫星臭氧资料的发展与应用

随着卫星探测技术的进步、天气学和气候学理论的不断完善,以及高性能计算机广泛应用,卫星臭氧资料的种类得到极大丰富并被应用到多个研究领域中,取得了一系列重要成果。文中介绍了主要星载臭氧探测仪的发展概况,回顾了卫星臭氧资料在气象领域的应用研究成果,主要包括卫星臭氧资料在气旋或低压过程中、全球或区域臭氧的气候分布及变化特征、高原臭氧分布及变化特点、数值应用等方面的应用研究,并展望了卫星臭氧资料研究的未来发展趋势。

飓风中卫星臭氧总柱观测与位涡相关性和在飓风中心定位中的应用

本文使用搭载于极轨气象卫星S-NPP(Suomi National Polar-orbiting Partnership)的臭氧成像廓线仪(Ozone Mapping and Profiler Suite,OMPS)观测的臭氧总柱(Total Column Ozone,TCO)资料对大西洋飓风“Maria”(2017)进行研究。针对对流区域TCO与气柱平均位涡(Mean column-integrated Potential Vorticity,MPV)的低相关性构建了分区域线性回归模型,不仅能同时提高大尺度和对流尺度上TCO和MPV的相关性,还能提高对流区域S-NPP OMPS TCO观测资料的利用率(95.5%)。TCO观测资料可以清晰地反映出飓风的顶部结构,据此可得到对流层顶附近的飓风中心位置。卫星总柱臭氧资料对飓风Maria中心定位结果与最佳路径的距离相差58.1 km,略大于使用S-NPP先进技术微波探测仪(Advanced Technology Microwave Sounder,ATMS)、MetOp-A微波湿度计(Microwave Humidity Sounder,MHS)和FY-3B微波湿度计(MWHS)亮温观测资料得到的Maria中心定位结果与最佳路径的距离(47.5 km)。臭氧定位结果与垂直风切变(Vertical Wind Shear,VWS)具有一定关系,垂直风切变越强,臭氧资料定位中心偏离最佳路径越大。本研究构建的分区域线性回归模型可作为间接同化卫星TCO资料的观测算子,也可应用到涡旋初始化中,以改进飓风路径和强度预报水平。

基于CESM-EnSRF系统全球甲烷及臭氧卫星资料同化试验研究

臭氧(O3)与甲烷(CH4)均是大气中重要的微量气体,对全球气候变化有着重要的影响.为提高全球范围的臭氧、甲烷在气候模式中的预报效果,使用集合平方根滤波(En SRF)同化方法及地球系统模式(CESM)构建了CESM-En SRF卫星资料同化预报系统,并通过设计试验,将大气红外探测器(AIRS)的臭氧与甲烷观测资料同化到气候模式中,对模式的同化再预报效果进行系统的测试与评估.结果显示,臭氧、甲烷分析集合均值的偏差及均方根误差皆低于背景集合均值的偏差及均方根误差.臭氧、甲烷的同化再预报偏差及均方根误差较控制实验都得到改善,但对5 h Pa以上高度臭氧预报准确性的改进效果很小.随循环同化的进行,平流层臭氧与甲烷的平均同化改进率呈增加趋势,并逐渐趋于稳定;对流层平均同化改进率随时间变化不明显.试验表明,该系统可有效利用臭氧与甲烷的观测资料对模式场进行合理的改善,从而有效地提高臭氧、甲烷在气候模式中的再预报效果,但对于平流层顶-中间层高度(5 h Pa以上)臭氧预报准确度的提高,模式中臭氧光化学过程的准确模拟较同化观测资料具有更重要的作用.此外,循环同化对提高5~150 h Pa高度臭氧及1~200 h Pa高度甲烷在CESM模式中的预报效果最有效.