提高空气质量模拟的新一代同步卫星气溶胶光学厚度反演同化试验研究外文翻译资料

 2022-12-10 16:10:26

英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

提高空气质量模拟的新一代同步卫星气溶胶光学厚度反演同化试验研究

摘要

地球同步卫星计划将提供高时空分辨率的气溶胶光学厚度（AOD）检索，这将被纳入目前使用低地球轨道的AOD同化系统。本文在一个真实的案例中探讨了纳入后的影响，真实案例中使用的AOD资料来源于通讯的同步卫星海洋彩色成像仪（GOCI）、海洋和观测亚洲东北部的同步气象卫星。GOCI AOD的加入对同化系统产生了积极的影响，而且相对于仅同化MODIS AOD资料时，效果更加显著。我们发现当模式能够描述污染程度并且反演过程中没有云的干扰时，GOCI AOD能显著改善表面空气质量模拟在韩国的粉尘、生物质燃烧的烟雾和人为的污染事件。我们预计未来的地球同步任务大大有助于空气质量预报，为健康评估和气候研究提供更好的再分析资料。

关键词：数据同化；AOD；GSI；WRF-Chem

1简介

在北美，欧洲和东亚的机构计划发射能不断监测大气组成的地球同步卫星。例如，地球同步沿海空气污染项目[Anthes等，2007]，亚洲大气污染项目[Akimoto 等， 2013]和韩国多功能地球静止卫星项目 [Kim 等， 2009]。这些项目的目标包括更好的观察空气质量，为空气质量和气候模式提供额外的约束条件。所用到的模式，一般是通过系统模拟试验来改善空气质量预测的可能性，其中以同化模拟观测值为主要部分[例如，Edwards 等， 2009; Zoogman 等， 2014]。

新观测系统的一个重要应用是提高预报环境气溶胶分布的能力，它帮助减少与人类健康和气候变化相关的很大不确定性估计。目前低轨卫星AOD同化方法的研究。[例如， Benedetti 等， 2009; Zhang 等， 2014]. 通讯同步卫星海洋彩色成像仪（GOCI）和气象卫星（COMS）提供了第一个地球同步多光谱气溶胶光学厚度（AOD）的反演。[Lee等， 2010].通过一个简单的同化模式的反演与模拟相结合的证明了亚洲东北部有跨界污染[Park 等， 2014]。虽然比起从低轨卫星和通过填补部分低轨道检索找到的数据间隙的估算值时GOCI AOD已被证明是可靠的，但是仍然有必要评估掺入GOCI AOD数据到已经同化了LEO资料的业务系统，即要进行观测系统试验。由于GOCI的规格与未来地球静止卫星计划的有效载荷差不多，这样的研究也是一次对以后完成任务的能力评估。在下文中，我们将描述一个实验的结果，这些新的观测结果对模拟水平的影响，并且利用这些新的观测为当前的模式和同化系统提供改进的方案。

2方法

新的观测对模拟水平的影响不仅取决于观测的质量（准确度、空间和时间采样，代表性等），而且取决于正演和系统同化的能力。我们运行了WRF-Chem模式3.5版本，在气象上这种模式应用于气溶胶的研究非常先进。采用网格点插值统计（GSI）三维变分（同化）系统。模拟气溶胶的相互作用结合化学气溶胶模式（MOSAIC），进行AOD资料同化。在一个给定的时间间隔内，三维变分系统能优化气溶胶粒子的质量和尺度分布，让AOD的值更适用于模式，同时减小模式初始预报的偏离程度。AOD被纳入WRF-Chem光学性质的模式计算，把气溶胶作为内部混合，明确气溶胶吸收水分，并采用Mie散射理论和切比雪夫膨胀系数。伴随着这个代码的是同化过程中的衍生物。优化后，WRF-Chem模式更新了气溶胶区域，产生一个完整的化学/气溶胶模拟，直到下一个循环同化，产生一个区域再重新模拟。此外，进行每天48小时无约束的模拟，以评估AOD同化预测系统的长期影响。

WRF-Chem配置了两个区域（图1a），​​覆盖研究区域的36公里的粗网格距和覆盖COMS/GOCI视场角的更小的12公里网格距。粉尘排放量计算使用戈达德气溶胶辐射和传输方案，生物质燃烧排放量估计是来自快速火灾排放数据库，使用在线WRF-Chem-rise模式。两个区域在垂直方向有52层，前五层每层五十米厚。粗域的初始条件和边界条件分别来自国家环境预报中心的最终分析和欧洲中期天气预报中心监测大气化学成分和气候再分析气象化学资料。粗糙区域连续模拟从2012年4月20日至5月9日，并且使用温度、湿度和边界层上的风的微小变化分析资料[Stauffer and Seaman， 1990].另外，中分辨率光谱成像仪（MODIS）AOD反演的粗糙区域的同化（详见下文），这些结果被用作在内部域进行的一切实验的边界条件。这种构造为传递方式、化学因素和同化方法都一致的内层提供了边界条件，如果全球分析被用作内层的边界条件那就不适用于这种情况了。

我们所展示的结果基于内层的三种模拟，它们分别代表了三种同化方法：没有数据同化、只有MODIS AOD同化、MODIS和GOCI AOD同时同化。虽然观测上建议使用MODIS同化约束反演[Saide 等， 2013]，然而这些反演还没有应用于GOCI AOD，所以为了一致性我们使用MODIS和GOCI的原始产品。MODIS AOD数据来自Terra和Aqua卫星，无论从土地（陆地修正光学厚度产品），还是海洋 （海洋平均有效光学厚度产品），在波长为550纳米处进行“暗目标”反演[Remer 等， 2005; Levy 等， 2007]。我们只在MODIS云量低于0.7的时候，才能进行AOD反演，它相对于我们只用AOD检索由10公里像素执行在至少30％的各10的“暗”区域（即，MODIS云量低于0.7），相对于不同的环境约束反演而言，它是一个中间阈值，它为高数据量提供折中值，并且减少云污染的可能性[Saide 等， 2013]。 GOCI AOD反演是最新版本（gloa2）的气溶胶反演算法[Lee 等， 2010; Park 等， 2014]，并且提供了从00:30到07:30（世界时）每小时 6公里的分辨率。为了减少同化中云的干扰和数据噪声，相邻像素点的缺失值就会被丢弃[例如， Eck 等， 2014]，只有AOD的值低于2.5的数据才能被使用。另外，这种算法仅仅被证实了能在海洋上反演[Lee 等， 2010]。

反演能生成在再分析资料，同化从4月23日开始，使用02：30-03：30和05：30-06：30的GOCI反演，均值每三个小时同化一次，分别用三个世界时周期和六个世界时周期，当使用00：30时刻的GOCI反演采用从零点开始的循环。GOCI AOD数据分辨率放大到每格十公里，为了去匹配的MODIS AOD分辨率。背景误差协方差阵的计算使用的是国家气象中心（NMC）赛德等人提出的方法[Parrish and Derber， 1992]，在36公里区域内，使用被FNL和NCEP /国家中心的大气研究再分析资料驱动的连续模拟，并且利用它们之间的差异，计算水平和垂直的标准偏差和尺度大小。观测值用于校正气溶胶观测网络站的观测结果[Holben等，2001]，气溶胶观测网络站为区域气溶胶网格化观测网络（DRAGON）亚洲（日本和韩国）区域试验部署分布，韩国PM10（直径小于等于十微米的颗粒物）的测量结果来自国家空气监测信息系统，后向散射衰减的数值来自首尔国立大学的激光雷达 [Sugimoto等，2008]。用于模式评估的指标在文本S1中，包括测量的绝对偏差和绝对误差。

图1a 模拟区域 图1b 观测场

图1C 模拟场（无同化） 图1d 模拟场（有同化）

3远距离传输分析

从2012年4月26日至5月9日，韩国和日本经历了灰尘、火羽和人为大气污染的长距离输送，这一时期地表和高空气溶胶浓度都很高。在此期间，可以评估GOCI数据对模拟的影响，以及测试系统（即，正演模式，观测，和同化）的各种组件。气溶胶的可变性在观测到的后向散射图中可以看出（图1b），气溶胶观测网络数据如图2a和图2b所示，和表面PM10浓度如图2c所示。

一次烟尘天气过程严重影响朝鲜半岛北部。4月27日至29日，气溶胶观测网络的AOD值有时会超过1.5，尘土将在4月28​​日至5月1日期间到达日本，并造成了小范围的影响（AOD的最大数值为0.7）（图2a和2b）。在此期间，AERONET Angstrom指数值分别为一般低于1和低至0.2（它表征粗粒子气溶胶的特征） [Schuster等，2006]。能代表该天气过程的背面轨迹如图1a（棕色）所示，它从4月28日世界时零时到达韩国首尔，其中激光雷达检测到，在该位置上有厚的烟羽（图1b）。观测到的烟羽来自于戈壁荒​​漠。尽管激光雷达通常显示出上述1公里处粉尘含量，此沙尘过程也影响了韩国的表面气溶胶浓度，4月28日所看到的表面附近的增强散射图如图1b所示，在此期间，PM10的浓度增加趋势图如图2c所示。

第二个沙尘过程类型为西风气流下的人为污染物的传播。韩国在5月2-3日、4-5日和7-8日的观测情况分别如图1b、图2a和2c所示，与后两者也于5月5-6日和7-8日影响日本（图2b ）。图1a深绿色所示为此过程，烟尘从相距500m的地方于5月4日世界时21时到达韩国首尔，由激光雷达观察到一个厚厚的羽典型的后向轨迹如图1b所示（图1b），并在研究期间观测到了最高的PM10浓度值（图2c）。由这些沙尘过程的传输模式可知，沙尘会停滞在中国东部人口稠密地区随后紧跟着低空快速正涡度平流（约1天）到达黄海，之后可能会到达日本。

研究期间的第三种情形是从北方西伯利亚东南部来的火灾（红背轨迹，图1a），即生物质燃烧的烟雾，可能在五月6-8日影响朝鲜半岛。首尔的激光雷达记录显示，5月6日世界时6时左右，在3-4公里高度，通过后向轨迹可以追踪到前天西伯利亚的北方火灾的排放烟羽。激光雷达的观测也显示在5月6日近地层有很高的气溶胶浓度，由其运动轨迹可以归为较旧的烟雾。如前所述，7-8日也可能发生了人为污染事件，所以这两个过程有重叠的部分，其中，不同来源的气溶胶量在一天中不同时刻位于不同高度层中。

没有数据同化（正演）的模拟能捕获这些发生污染事件的主要特征（图1c和图2）。例如，如果没有数据同化模式捕捉到了沙尘过程，但低估了到达韩国时的强度并且显著低估了近地层的浓度。完美的沙尘模式是很难实现的，其他研究沙尘排放的也出现了低估的问题。[Morcrette 等，2009; Liu 等，2011]. 没有加入数据同化的模式能捕捉到五月4-5日和7-8日的人为污染事件，但是低估了气溶胶量的峰值，而5月2-3日发生在韩国的主要沙尘过程会错过，可能模拟出少量的气溶胶将进入半岛。没有加入数据同化的模式的结果显示在3-4km处观测到了火羽，并且大大低估了近地面烟雾和气溶胶含量。在生物质燃烧排放的不确定性是空气质量预报的主要误差来源[Kaiser 等，2012]。这些结果表明，正演模式同时具有优点和缺陷。模式误差的来源包括沙尘过程中烟尘排放量的不确定性带来的误差、烟羽在水平和垂直方向上的误差，这种不确定性和气溶胶二级产品有关系等等。这些结果也说明需要使用数据同化，才能更好地约束同化系统，提高气溶胶模拟水平。值得注意的是，对于不同过程的轨迹在黄海有几个交点;因此，使用GOCI AOD数据同化有可能提高韩国的模式预报水平。

表1 有无资料同化的模拟值与AERONET和PM10的观测值对比

图2a 韩国AERONET站点 图2b 日本AERONET站点

图2c 韩国PM10含量随时间的变化情况

图3 分数偏差图

4同化系统试验

图2和图3显示了三个模式模拟的结果。在整个分析周期内做平均，与没有数据同化模拟相比，AERONET站和PM10站的值在朝鲜半岛都是偏低的（表1和图3）。仅仅同化MODIS AOD改进了韩国所有AERONET站和98％的PM10站点（表1）的模拟分数偏差。然而，偏差相对于AOD和PM10都有轻微的增加（图3，中间列），总的平均偏差对于AOD改进了是0.1（0.08），对于PM10改进了0.07（5.3微克/立方米）（表1）。

很重要的一点是，使用的同化方法导致气溶胶的含量随高度的变化。垂直梯度的同化模拟是一个复杂的函数增量，包括每个同化步骤和进一步这些增量的传递。4月28日在朝鲜各地的沙尘天气过程就是一个很好的例子。在这种情况下，地表的缩放因子比高空的要大，这不利于进行下一步的同化，缩放的上层会产生比较小的偏离，这将是更优化的成本函数。然而，随着系统执行一系列同化和模拟，有一次扫描到了近地表的羽流，然后羽流平流到激光雷达的位置。在这个机制中，AOD的测量也是这样，连续的AOD同化能改善模式上的垂直表示和冲击面的值。这种情况的经常发生使得数据量也增加了，GOCI数据同化时也是这种情况。相比AERONET站，加入GOCI AOD反演到同化系统改善了AOD模拟（表1和图3）。在韩国，大部分站提高了其性能，并且显著改进了GOCI反演同化分数偏差。例如，在韩国，MODIS GOCI同化分别是3和13位点具有小数偏置于分别小于0.08和0.23，而MODIS同化结果仅在8位点的值比0.23小，没有比0.08小（图3）。就AOD的时间序列而言（图2a），除了在平均和中值更接近观察值之外，在加入GOCI AOD反演后，气溶胶的观测网络也得到了扩展。

在日本，GOCI AOD反演同化对于其模拟水平的影响总体上呈中性，伴随着轻微的分数偏差，改进了绝对误差和绝对偏差的站点的比例在增加，被改进的个体站的部分指标相对于MODIS AOD同化而言有微小的变化，其他指标在不同的时刻都有下降（图2b）。由于几个因子的影响，GOCI同化效果在日本并不显著。首先，用于日本的正演模式的AOD显示出良好的效果（图2b），偏差通常小于0.1。其次，由于云的影响，日本的气溶胶探测网站点每天要比韩国气溶胶探测网站点少探测几个小时。受到污染的云会限制MODIS和GOCI反演的

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[31170]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章