（大气物理学与大气环境专业论文）南海季风试验区海洋对流结构与trmm卫星反演研究.pdf

摘要 本文利用9 8 年5 6 月南海季风试验( s c s m e x ) 加密观测期( 1 0 p s ) 的 t r m m 卫星上测雨雷达p r 、t r m m 微波成像仪t m i 的探测资料和产品，研究了南海 北部季风爆发前后，海上对流云的水平和垂直结构，并利用格点探空资料分析 了南海北部对流云的中尺度结构与对流能量、水汽输送特征。 首先，利用热带测雨卫星( t r m m ) 的雷达( p r ) 和微波成像仪( t m i ) 探测 信息，研究了1 9 9 8 年5 - 6 月中国南海季风试验( s c s m e x ) 期间南海北部( 1 5 。 2 5 。n ，1 0 8 。1 2 2 。e ) 夏季风爆发期间中尺度对流云的微物理组织结构和降水 特征。结果表明，季风爆发前，锋面云带经过我国沿海进入南海后，云带减弱 和消散，而季风爆发后，进入南海的锋面云带系统不但没有减弱，而且在南海 地区显著加强，发展为较深厚的对流系统，并伴随着强降水过程发生。卫星雷 达观测发现，季风爆发前，雷达最大回波和回波顶高度都比较小，而南海季风 爆发后，海洋对流发展很快，回波顶高度达到2 0k m 左右。雷达反演的降水分 布显示出有强烈的降水发生。卫星搭载的微波成像仪反演的云结构显示出季风 爆发期间暖性对流云塔发展旺盛，云冰含量显著增加，主要分布在8k m 以上， 而且很深厚。地面总降水在季风爆发期间显著增加，且主要为对流性降水，潜 热加热率增加2 倍以上，且达到对流层顶部，这种潜热的向上输送可能会引起 局地大气环流的变化。季风爆发后平均云液、固态水含量廓线分布显示出显著 增加的情况，且向高层发展。 其次，利用中国南海季风试验( s c s m e x ) 区1 9 9 8 年5 6 月“科学1 号”和 “实验3 号”观测船得到的一天4 次加密探空资料及，重点分析了南海北部地 区( 1 5 。- 2 5 。n ，1 0 8 。- 1 2 2 。e ) 夏季风爆发前后中尺度大气环流的动力、热力 和湿度场分布与海洋对流能量和水汽输送特征。结果表明：南海北部季风爆发 前后的中尺度大气动力场、温湿场出现快速而明显的变化。季风爆发前，南海 北部地区高层辐合、低层辐散，以下沉气流为主；季风爆发后，在2 0 0h p a 左 右高层辐散、而在9 0 0 9 5 0h p a 左右低层辐合，并出现强上升气流。这种动力 场的显著变化引起温度、湿度场的改变，直接导致南海对流的快速发展，对流 活动伴随着剧烈的能量和水汽垂直输送和转化。 关键词： s c s i v i e xt r m m 季风动力场温湿场中尺度对流云与降水 - l - a b s t r a c t u s i r l gt h ed a mo f t h et r m m p r 、t r m m - t m ii nm a y - - j u n e ，1 9 9 8d u r i n gt h e s o u t h c h i n as e a ( s c s ) m o n s o o ne x p e r i m e n t ( s c s m e x ) ，t h em e s o s c a l es t r u c t u r ea n d t h es t r o n gc o n v e c t i v et r a n s p o r ta n dt r a n s f o r m a t i o no fe n e r g ya n dw a t e rv a p o ro nt h e n o r t h o f t h es o u t hc h i n as e a ( s c s ) w a ss t u d i e d f i r s t l y ，b yu s i n gd a t ao fp r e c i p i t a t i o nr a d a r ( p r ) a n dm i c r o w a v ei m a g e r ( t m r ) $ c n s o r so nt h et r o p i c a lr a i n f a l lm e a s u r i n gm i s s i o n s ( t i 珊r m ) ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t r u c t u r ea n dp r e c i p i t a t i o no fm e s o s c a l ec o n v e c t i v ec l o u d so v e rn o r t h e r ns o u t h oooo c h i n as e a ( 1 5 2 5n 1 0 8 - 1 2 2e ) d u r i n gm o n s o o no n s e to f s o u t hs e ai ns c s m e x f r o mm a yt oj u n eo f1 9 9 8h a sb e e ns t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef r o n t a lc l o u d b a n ds t a r t e dt ow e a k e na n dd i s s i p a t e 船i te n t e r e ds o u t hc h i n as e af r o ms o u t hc h i n a c o a s t a lr e g i o nd u r i n gp r e m o n s o o n , a n di n t e n s i f i e da n dd e v e l o p e dd e e p e rc o n v e c t i v e c l o u d sw i t hh e a v yp r e c i p i t a t i o nd u r i n go n s e to f m o n s o o n t h et r m mp rs h o w st h a t t h em a x i m u mr a d a re c h oa n de c h ot o pw a sl o wd u r i n gp r e m o n s o o n , a n dt h ee c h o i n c r e a s e dr a p i d l ya n de c h ot o pr e a c h e da b o u t2 0k md u r i n go n s e to fm o n s o o n d u r i n gm o n s o o np e r i o d ，t h ep r e c i p i t a t i o nr e t r i e v e df r o mp rw a ss t r o n g ，t h ec l o u d s t r u e t u l er e t r i e v e df r o mt m is h o w st h a tt h es t r o n ga n dd e e pc o n v e c t i v ew a r mt o w e r d e v e l o p e da n dc l o u di c ec o n t e n te n h a n c e do b v i o u s l ya n dd i s t r i b u t e dm o r et h a n8k m l e v e la n dt h et o t a ls u r f ep r e c i p i t a t i o ni n c r e a s e dp r o m i n e n t l ya n dw a sp r i m a r i l yi n c o n v e c t i v ep r e c i p i t a t i o n t h el a t e n th e a t i n gr a t ea l s oi n c r e a s e dm o l et h a nt w ot i m e s a n dp e n e t r a t e dt h ew h o l et r o p o s p h e r e ，w h i c hm i g h ti n d u c et h ev a r i a t i o no fl o c a l a t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o n t h ep r o f i l e so fc l o u dh y d r o m e t e o r sa l s oc h a n g e do b v i o u s l y d u r i n gm o n s o o np e r i o d s e c o n d l y ，b yu s i n gt h es o u n d i n gd a t ao ff o u rt i m e sad a yi nm a y - - j u n e ，1 9 9 8 c o l l e c t e d o n t w oo b s e r v a t i o n a ls h i p so f “k e x u e1 a n d “s h i y a n3 ”d u r i n g t h es o u t h c h i n as e a ( s c s ) m o n s o o ne x p e r i m e n t ( s c s m e x ) ，t h em e s o s c a l es t m e m mo f d y n a m i c s ，t e m p e r a t u r ea n dm o i s t u r e ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f o c e a n i cc o n v e c t i o n t r a n s p o r to fe n e r g ya n dm o i s t u r ew e r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m e s o s c a l ea t m o s p h e r i cd y n a m i c s ，t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ye x p e r i e n c e dar a p i da n d o b v i o u sc h a n g ea f t e rm o n s o o no n s e to v e rt h es c s i nt h ep e r i o do f p r e - m o n s o o n , t h e u p p e ra i rw a sc o n v e r g e n ta n dt h el o w e ra i rw a sd i v e r g e n ts h o w i n gs t r o n gd o w n w a r d a i rc u r r e n ti nt h en o r t h e r ns c s a f t e rm o n s o o no n s e t , t h eu p p e ra i ri sd i v e r g e n ta t 2 0 0 h p a , t h el o w e ra i rw a sc o n v e r g e n tb e t w e e n9 0 0a n d9 5 0 h p a , s h o w i n gas t r o n g u p w a r da i rc u r r e n t t h i sn o t i c e a b l ec h a n g ei nd y n a m i cf i e l dc a u s e st h ec h a n g e so f t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yf i e l d , a n dd i r e c t l yl e a d st ot h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o n v e c t i o no v e rn o r t h e r ns c s ，a n dt h ec o n v e c t i v ea c t i v i t yw a sa c c o m p a n i e db y v e r t i c a l l ys u o n gt r a n s p o r ta n dt r a n s f o r m a t i o no fe n e r g ya n dw a t e rv a p o r k e yw o r d s ：s c s m e x , t r m m ，m o n s o o n , d y n a m i cf i e l d , t e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t y , s t r u c t u r ea n dp r e c i p i t a t i o no f t h em e s o s e a l ec o n v e c t i v ec l o u d 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：查叠邀 日期：盆! 兰里 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密 的学位论文在解密后适用本规定 作者签名；垒查堡垒 日期i 塑! 兰旦 第一章引言 第一章引言 目前，全球有6 0 9 6 以上的人口生活在季风区，季风活动造成的干旱和洪涝直 接影响该地区的经济建设和社会发展。中国处于亚洲季风区，每年的天气气候 深受季风活动的影响，特别是在5 _ 9 月的汛期。中国大范围地区的降水分布、 降水带移动以及旱涝灾害在很大程度上受夏季风控制。 基于这种认识，过去9 0 余年中，国际上先后进行了不少与季风有关的大规 模科学试验，如印苏季风试验( i s m e x - 7 3 ) 、国际冬夏季风试验( m o m e x ， 1 9 7 8 1 9 7 9 ) 、澳大利亚季风试验( a m e x ，1 9 8 6 - 1 9 8 7 ) 等，但这些试验重点都放 在印度一阿拉伯海和西、中太平洋地区，主要研究夏季( 6 - 8 月) 的印度季风， 很少注意到过渡季( 4 5 月) 和其它地区季风问题，使得许多季风的科学问题仍 然未得到回答，包括东亚季风和爆发及其影响问题，对东亚季风特别是南海夏 季风还没有单独进行过一次大规模观测和研究试验，南海是亚洲季风区最后一 个未进行系统观测和研究的季风区。 1 1 南海季风试验及t r m m 卫星的国内外研究进展 季风的经典定义是盛行风向在冬夏的相反变化，是由于海陆热力对比的改 变所引起。在南海海域，气流流场的位置变化、强度、范围均有明显的季节性 变化，冬季以东北、西北气流为主，夏季以西南和东南季风气流为主。亚洲季 风系统由东亚季风和南亚季风两个既相互独立又相互联系的予系统组成。每年 亚洲季风在南海地区爆发，然后分别向西北和北方扩展，使印度夏季风和东亚 夏季风逐渐建立。南海季风是东亚夏季风的一个重要分支，是联系东亚与南亚夏 季风系统的纽带，在区域乃至全球能量和水循环过程中具有重要作用。 南京信息工程丈学硕士学位论文 国内外对南海季风对流系统的研究发现，在梅雨季节( 6 、7 月) 到来一个 月前，亚洲东南季风就开始在南海爆发，在中国南部和南海北部形成对流系统 。一，该对流系统在季风爆发期间是大气主要降水和非绝热加热源“ 町 为了更好地了解南海季风的爆发、维持与变化，以改进东亚和东南亚地区 的季风预报，1 9 9 8 年5 胡月在我国南海季风区域进行了一次国际综合观测试验 哪，旨在更好地了解南海夏季风爆发、维持和变化的关键物理过程。中国南海季 风实验是首次在该地区开展的一次中尺度季风观测计划，该试验采用了包括大 气探空、多普勒雷达、观测船、风廓线仪等多种观测平台。在外场试验期间进 行了两次加强期观测，实验得到的有关热带洋面上中尺度对流系统演变、云微 物理过程等详尽的资料，有利于提高我们对季风区对流云结构、组织、动力与 微物理等过程的认识，特别是配合加强期观测试验的科学观测船，进行了高分 辨率的大气探空观测和详细的地面观测。相对其他国际试验资料的分析研究而 言，有关南海季风试验资料的国内外分析研究工作并不是很多 “1 。这些研究利 用探空资料分析了南海季风爆发的大尺度环流结构和演变特征，利用雷达资料 进行了对流云带分布特征的研究，另外，也利用数值模式进行了南海季风爆发 期间大气环流特征、中尺度对流结构、降水等方面的研究。吕达仁、林海“”分 析了雷达测雨和微波辐射计测雨两种方法的原理特点。根据m i e 散射公式计算 所得模式雨滴谱和实际雨滴谱的各种微波辐射特性，定量分析了两种方法各自 的可靠性和测雨能力。在此基础上提出了一个雷达辐射计联合测雨的求解方法 证明可较好地改进现有遥感测雨能力。l a u 等0 1 通过t r 删卫星资料发现，在南 海季风爆发期间南海北部云量会骤然加。很早就有研究“1 指出，亚洲夏季风的爆 发最早开始于南海北部，然后向西向北分阶段推进。柳艳菊和丁一汇“”通过南 海季风加密探空资料发现，季风爆发在南海北部表现出明显不同于南部的特征， 其突然的爆发性( 尤其在热力层结上) 更为显著，对流层中低层表现出明显不 同的层结结构。南海北部季风爆发日期是5 月1 7 日，而南海南部季风爆发的日 期是5 月2 1 2 2 日，季风爆发在南海北部表现出与南海南部明显不同的特征， 第一章引言 其突然地爆发性更为显著。因此，有必要对南海北部季风爆发前后的热力动力 场相关物理量的时空演变特征进行研究。 1 9 9 8 年5 - 6 月间进行的中国南海季风试验( s c s m e x ) 提供了新的南海季 风爆发期间对流系统结构、组织和降水的中尺度观测资料。一些研究者采用常 规和加密探空资料分析了试验期间伴随季风爆发的大、中尺度环流结构。“。棚。 w a n g 3 3 利用试验期间收集的双多普勒雷达资料分析了东亚季风爆发早期伴随副 热带锋面过境时的中尺度对流系统的结构和演变特征。j o h n s o n 等7 1 采用雷达 和加密探空资料分析了试验期间中尺度对流系统中对流线的分布方向与中、低 层垂直风切变的关系。 研究表明“”，垂直风切变和对流有效位能( c a p e ) 是影响热带对流组织和 结构的两个主要因素。在其他海洋地区的观测研究也表明删，环境风对对流 云带的结构、方向和移动具有强烈影响。中低层垂直切变是决定对流带方向的 关键因子，而c a p e 主要影响对流云带的厚度和生命期。数值试验结果也支持这 一结论“。由此可见，海洋对流的形成是与大气环流动力结构和热力状况密切 相关。一方面，海洋大气的动力、热力状态改变导致了海洋对流的产生，而海 洋对流的发展伴随着水分相变和潜热释放，直接影响到对流的结构和组织，并 有可能进一步影响较大范围的大气环流结构和降水系统。南海季风之所以引起 广泛的关注，其中的一个很重要的原因是，南海季风的爆发与随后全面爆发的 东亚季风有密切的联系。与夏季东亚地区旱涝的发生也存在密切的关系”41 这说明，南海对流活动1 产生的热量和水汽垂直输送有可能影响区域大气环 流的结构及降水系统。目前有关南海海洋对流的动力与微物理相互作用问题的 研究比较少。需要进一步了解南海季风爆发期间的对流云组织、云物理结构和 演变特征。 t r l v i v i 卫星资料在热带降水的测量、降水预报准确率的提高、暴雨研究、 预报模式的数据同化、热带海面温度反演、热带气旋的观测等方面的均有较好 应用。吴庆梅等跚1 国内外利用t r m l v i 卫星作了大量的研究，另外，它的闪电图像 南京信息工程大学硕士学位论文 仪及云和地球辐射能量系统的测量资料在热带和亚热带的闪电分布和气候模式 研究方面也有很大的应用价值。可以充分地利用t r m m 的数据资源来改进天 气、气候预报的精度，同时加深对热带和亚热带地区降水特性的理解。 佛罗里达州立大学的研究人员把t r m m 卫星和s s m i ( s p e c i a ls e n s o r m i c r o w a v ei m a g e r ) 准实时资料数据加入到多分析过程的数值天气预报模式中。 改进局地和全球预报准确性，准确地预报出1 9 9 9 年主要飚风的路径，于短期预 报拓展到3 0 天的预报中”，李锐，傅云飞利用g p c p ( g l o b a lp r e c i p i t a t i o n c l i m a t o l o g yp r o j e c t ) 数据集( v e r s i o n2 ) 和t r m m 卫星资料分析对比，定量估算 热带地区的月平均降水，程明虎等人1 利用t r m m 卫星p r 资料研究分析了 1 9 9 8 年7 月2 1 日的武汉暴雨，发现武汉暴雨的降水带由多个降水塔组成，其底 部相连，在顶部却是分开的，c h e n g 等人还利用t r m m 卫星资料详细地研究了 1 9 9 9 年s a m 台风的台风眼位置和降水的垂直结构，研究了云中水和冰的含量 及云高、降水所达到的高度、o 等温线高度及云底高度等重要信息。姚展予 等1 利用t r m m - p 星微波成像仪高频通道( 8 5 5 g h z ) 的被动遥感资料，通过 辐射传输模式，计算反演出云中液态水含量及其分布，并与对应的卫星红外云 图作对比，验证其真实性。气象工作者把t r m m 卫星和其它卫星资料的降水资料 加入到预报模式中，结果模式的预报精度提高了3 倍。 1 2 需要进一步解决的问题 从上面的研究综述可以看出，国内外针对夏季风爆发期间，热带海洋对流 云系统结构的探测开展了大量的试验研究，对了解，南海季风试验在研究南海 夏季风爆发、维持和变化的关键物理过程方面，为我们提高季风的预报能力， 尤其是季风爆发和中国南方主要雨带变化的中短期预报，研究部分将包括观测 资料分析、物理成因研究，数值模式模拟与预报方法研究等方面，通过这个试 验和研究，将大大改进对南海地区季风爆发和维持的认识，在此基础，为提高 第一章引言 南海和华南地区的天气与气候预报水平，提供了大量的试验数据资料，但是仍 存在一些问题有待解决。例如： l 、对降水的研究主要停留在大尺度的气候学领域，对中尺度对流系统的大尺 度天气条件研究也较少，对于这类的研究，丁一汇等已经得出了一些成果。 本文利用加密探空资料，对大尺度天气背景场进行了分析，对南海季风爆 发前后的中尺度动力场特征、温湿场的水平分布、能量、水汽输送转化特 征进行了较全面的分析。 2 、利用t r m m 卫星上的微波成像仪t m i 进行的降水和反演算法的研究较 多，但从云和降水物理角度，利用其资料来对比分析，季风爆发前后，对 流云的微物理结构，四种水汽凝结物的垂直分布的研究较少，我们希望得 到进步定量的，分辨率较高的，对云的微物理结构的定量分析。 3 ，利用t r m m 卫星上的测雨雷达，分析降水个例的较多，但直观地，对季 风爆发前后，降水云系雨强的水平垂直分布的对比分析方面的研究较少， 大尺度天气背景下的中尺度对流系统的发展演变研究较少。 4 、作为南海季风试验观测的一部分，t r m m 卫星上的主要两颗测降水的传 感器( 降水雷达p r 和微波成像仪1 m i ) 和海上加密探空站和观测仪器， 在观测期发挥了不同的作用，在以往的研究中，多数是利用单个传感器， 对某个问题进行独立的研究，并取得了很多研究成果，但是若能利用各传 感器的特性，把各传感器的资料有效地整合起来，对大尺度的天气背景场， 中尺度的流系统，及两者之间的相互作用，进行分析研究，定能对天气系 统有一个全面的认识。特别是目前，很多有用的资料由于探测仪器一定的 误差或者资料之间时空尺度不相匹配，很难在研究中取得突破，而南海季 风试验的大规模海气观测试验和t r m m 卫星的发射，为解决这个问题提 供了一个很好的机会。本文在这方面做了一些尝试性的研究。 1 3 本文的研究目的、主要内容及论文安排 在充分调研了相关方面的研究进展和研究成果的前提下，针对上述出现几 南京信息工程大学硕士学位论文 个值得研究的问题，本文首先利用中国南海季风试验区1 9 9 8 年5 娟月加密格点 探空资料分析了南海北部地区( 1 5 - 2 5 。n ，1 0 8 - 1 2 2 。e ) 夏季风爆发前后大气环 流的动力、温湿场分布与对流发展的特征，为随后进行的南海季风期间海洋对 流云的组织结构、物理特征的可分辨云中尺度数值模拟和积云参数化研究提供 背景基础研究；其次采用t r 删卫星的测雨雷达( p r ) 和微波成像仪( t m i ) 遥感反 演资料，研究南海季风试验期间，季风爆发前后的云物理结构和对流云降水特 征，为下一步进行的有关南海对流云结构的可分辨云中尺度数值模拟和海洋积 云对流参数化研究提供基础观测背景知识。 本文所做的具体工作如下：选取了9 8 年5 到6 月加密探空期作为研究时间 段，南海北部地区( 1 5 - 2 5 。n ，1 0 8 1 2 2 。e ) 作为研究背景场，首先利用加密探 空资料分析计算了动力场在各个时间段的水平分布，其次分析了垂直4 0 个层 ( 1 0 0 0 i o o h p a ) ，纬向、径向、垂直风速、散度区域平均后的时间一气压剖面图， 相对湿度、温度、风场的水平分布叠加，分析了水汽源，汇随时间高度的垂直 分布，及地面蒸散率的时间变化曲线，得到了南海季风爆发的中尺度结构与对 流能量、水汽输送特征；其次利用热带测雨卫星t r m m 卫星的p r - 2 a 2 5 、 t m i - 2 a 1 2 ，3 8 4 2 、g m s 5 红外卫星云图资料，对中尺度对流云带的发展演变 特征进行宏观分析，分析了降水雷达p r 探测的雷达反射率和降水随时间、高度 的变化，并选取几个剖面，对两个时次( 5 月1 5 日和5 月2 4 日) 降水的水平垂 直结构进行分析研究，直观分析了雷达探测到的对流性降水率、云中可降水含 量、雷达反射率、地表反射率、冻结层高度的垂直分布，并研究了微波探测的 对流云中四种水成物随时间、高度的演变特征，对比了三种资料在反演地面降 水率上的差异。 第二章s c s m e x 加密探空、t r m m 卫星及资料介绍 第二章s c s m e x 加密探空、t r m m 卫星及资料介绍 2 1s c s m e x 及加密探空介绍 南海季风试验海洋探测船“实验3 号”于9 8 年5 月3 号从中科院广州南海海 洋研究所码头顺利出船，拉开了我国历史上规模最大、涉及范围最广、投入 设备最好、参与人数最多的四大气象科学试验的序幕。期间5 月8 月我国将 进行四大气象科学试验，分别为第二次青藏高原大气科学试验( t i p e x ) 、南 海季风试验( s c s m e x ) 、华南暴雨试验( h u a m e x ) 、淮河流域能量与水分循环试 验( h u b e x ) 。 加密试验区为南海及其附近地区( 1 0 。s 3 0 。n ，9 5 。1 3 0 。e ) ( 图1 ) ， 本文的资料采用南海北部加强观测区( 0 。4 0 。n ，8 0 。1 3 0 。e ) 由加密探空 得到的格点资料，其水平分辨率为1 ，每6 h 一次，垂直4 0 个等压面，从10 0 0 - 2 5 h p a , 及南海北部多边形区域平均后的加密格点资料。 堕塞堕星兰堡查兰堡主兰堡堡文_ 图2 1 ”在4 7 天加强观铡期间，中国南海季风试验区的加密探空网( 南海北部n e s a 、南海南部s e s a ) 及其站点的分布圈，上面的n e s a 不规则方框表示本文研究区域 f i 9 21s o u n d i n gs i r ea n dc n h s o c c ds o u n d i n g n e t w o r k s ( n e s a 、s e s a ) d u r i n g t h e 4 7 - d a y i n t e n s i f i e d o b s e r v a t i o n a lp e r i o d sc l o p s ) o f $ c s i v i e x 1 9 9 8 年南海季风试验( s c s m e x ) 进行了为期4 个月( 1 9 9 8 年5 8 , 9 ) 的综 合观测试验，包括大气观测、海洋观测、海气界面观测、卫星观测等。在外 场观测期进行了两次加强观测( i o p s ) ，即5 月5 2 5 日与6 月5 2 5 日，第一加 密观测期( 5 月5 2 5 日) 目的在于：重点观测南海季风的爆发，突然的季节 转换及其对华南和东南亚地区降水的影响：第二加密观测期( 6 月5 2 5 日) 重点监测东亚季风活跃推进时期的南海的大气与海洋条件及其对长江流域， 朝鲜半岛和日本降水的影响。2 0 0 1 年4 月以后，s c s 脏x 建立了完整的符合国际 标准的资料库( s c s i l e xd a t a b a n k ) ，包括各种气象观测、特别观测、海洋观 测、卫星雷达、有限区四维同化资料，t b b 与降水资料等。这些资料已被中国、 一 苎三兰! 兰! 丝兰塑童堡皇：型坚里里墨窒壁坌塑 日本、美国和其他国家广泛用于四维资料同化系统、数值预报试验以及季风 研究中南海季风实验的海气观测及各国参与情况见下表2 1 、2 2 、2 3 t w ： 观测要素 观测系统观测现象( 西覆丁一 度、温、压、湿、风等) 遥感，船舶，岛屿，无人飞机层中层气旋、水分和能量循环 降水 地面气象要素 云和对流 海表风，风应力 辐射( 长波、短波) 海表通量( 动量、感热、潜 热) 卫星遥感，雨量站，雷达， 浮标 地面站，浮标或锚定浮标， 船舶，岛屿 雷达，卫星，i s s 和船舶组成 的观测阵 沿海和岛屿常规测站，特殊 站，锚定浮标，卫星遥感 她面站，卫星遥感 降水分布型，不均匀加热 e ln i n o 。季节内振荡。季风低 压 对流加热，水分和能量循环 季节变率，海气相互作用，低 频震荡的风场异常 海表熟平衡，海气相互作用 铁塔岛屿站，船舶 海气相互作用，e l n i n o 海表气温( 1 0 m 高度) 浮标列阵卫星遥感，岛屿站 海表气温分布型，海气相互作 船舶 用e 1 n i n o 海平面高度 次表层海温 海洋盐度 海表和次海表 海流速度 潮汐站。锚定的温度传感器，船载观 测，锚定浮标列阵 浮标列阵，卫星遥感，x b t $ 考察船( 海表抽样) ，x b t s c t d 浮标，a d c p , 锚定测流器 海表温度船舶观测，浮标，卫星遥感c t d 斜温层的变化，海表地形表层洋流， 风应力响应，斜压过程 s s t 分布型，海洋内部冷热源变化 海水密度变化。分层和涌升 海表和次海表海流运动 海洋环流的异常事件，海表和次海表 海流 - 9 - 南京信息工程丈学硕士学位论文 表2 3 各国和地区对s c s m e x 的贡献 国家和地区主要贡献 四条海洋船，地面和探空升级，雷达、p b l 中国大陆 观测和海气界面与边界层观测，作业运行中 心资料管理和项目办公室 美国 马来西亚、泰国、菲律宾、新加坡、印度尼 西亚、越南和文莱 日本 韩国 澳大利亚 中国台湾 中国香港 中国澳门 g p s 探空，t o g a 多普勒雷达，t r m m t 卫 星，n o a a - k 辐射观测，a x b t , 浮标 探空升级，常规和雷达观测，l o p 资料提供 和当地后勤支持 1 1 m 仉i 和g m s 卫星 与k o m e x 交换资料 t r m m 项目中的多普勒雷达 南沙高空站升级，无人飞机探测系统，一个 i s s ，装有c t d 和a d c p 的两条船。3 个 a 几a s 锚定浮标阵，地面探空升级和p b l 观测，雷达观测 风廓线仪，预报指导、高空和地面升级观测 预报指导，高空和地面升级观测 2 2t r m m 卫星介绍 降水是地气系统的重要组成部分，它通过释放潜热，从而驱动大气环流。 直接产生暴雨的天气系统的尺度较小，使我们现有的常规探空网和地面气象及 水文资料难于弄清降水天气系统发生发展和演变的全貌，用卫星估算降水是测 量降水的又一新的途径，特别是估算大尺度降水最有效的方法。在热带地区的 对流降水及其释放的潜热是大气环流的重要强迫机制之一啪，热带降水量占全 球总降水量的2 3 ，而我们对降水尤其是洋面上的降水知之甚少，t r 姗卫星作 为第一架携带主动遥感测量降水雷达( p r ，p r e c i p i t a t i o nr a d a r ) 的卫星平台， 第二章s c s m e x 加密探空、t r m m 卫星及资料介绍 对于研究影响全球的能量循环和水循环具有重要的意义。 目前降雨资料来源主要有三种途径：1 ( 地面上) 雨量计来直接测量地面 附近的降雨量，特点是真实，成点分布，但从点到面误差大。2 ( 地面上) 雷 达采用主动遥感技术，覆盖区域很大，较准确。3 天空上主要采用星载被动辐 射计( 如t m i ) 。1 1 r m m 计划是由日本国家空间发展署( n a s d a ) 和美国国家 航空航天局( n a s a ) 地球科学办公室共同主持的一项国际联合计划。在t r m m 计划之前，大气探测地面论证主要将雨量计和雷达安装在代表不同热带地区地 形和降雨类别的区域，在海上将雷达装在船上，对热带地区降雨特性进行观测， 只有主动遥感( 如p r ) 才能进行高分辨率的结构性观测。一般被动遥感( 红外、 可见光、微波) 所得信息来自云顶，不能获得云内部结构及大气低层的降水信息。 t r m m 卫星资料产品在热带降水测量、提高预报准确率、暴雨研究、资料同 化、反演热带海面温度、热带气旋等观测领域有广泛地应用。 t r m m ( t r o p i c a lr a i n f a l lm e a s u r i n gm i s s i o n ) 卫星即热带降雨测量卫星， 采用三轴定向稳定，是近赤道非太阳同步轨道卫星，于1 9 9 7 年1 1 月美日两国 联合研制发射升空，其轨道高度约为3 5 0 k m ，轨道倾角为3 5 。，运行周期为9 1 3 分钟，每日运行1 5 7 7 轨，设计时的原始寿命为3 年，覆盖赤道附近南北纬4 0 。之间的低纬地区，为减少功耗，于2 0 0 1 年8 月将轨道提升到距地约4 0 2 5 k m ， 周期增加到9 2 5 分钟，扩大了仪器的观测范围。t r m m 卫星的仪器有测雨雷达 p r 、微波成像仪t m i 、可见光和红外扫描仪v i r s 、云和地球辐射能量系统c e r e s 、 闪电成像传感器l i s 。其中n a s a 提供的p r 和t m i 产品被用在本研究中作为主要 的卫星观测数据。图2 2 姗为t r m m 卫星上的v i r s 、t m i 、p r 的扫描方式示意图， 表2 4 列出了轨道提升前后这三种基本测量降水仪器的工作波长、分辨率、扫 描宽度等特性。 重塞堕星三里盔堂婴主兰垡笙兰 图2 2 跚t r m m 卫星上v i r s 、t m i 、p r 的扫描方式示意图 ，表2 4 蚓t r m m 卫星的v i r s 、t m i 、p r t 作特性 ( v i 路)( 硼i )( 腿) 扫描方式与轨道垂直扫描 k 平分辨率2 2 k i n 2 4 h 扫描宽度7 2 0 k m 8 3 3 1 m 垂直极化：2 1 g h z 圆锥扫描 t4 1 m 5 1 l m ( 8 5 湖z ) 7 6 0 l 血8 7 8 l 咀 与轨道垂直扫描 4 3 1 u d 5 0 1 m 1 2 第二章s c s m e x 加密探空、t r m m 卫星及资料介绍 2 3t r m m 资料和软件 1 1 t m m 科学数据信息系统t s d i s ( t r m ms c i e n c ed a t ai n f o r m a t i o ns y s t e m ) 承担了t r m m 卫星资料的接收、实时处理和后处理工作。t s d i s 接收t r m m 卫星观测的原始资料几乎与卫星扫描同步进行。 垃验站点 鬣始觳描 蚣盘晖甲 t t c l 糟黼1 4 l d f 格式i l r 叫技镌囊t 挣制h i l 硅呻 由 碎求强 度田 一最产品 d a a c 穿争中 圈2 3m jt r m m 卫星资料处理流程示意图 按资料处理流程划分：t r m m 数据共有5 个层次( 0 4 ) ，它们分别代表经 过不同处理的资料：第o 层，以时间为序并且有质量控制的原始卫星数据；第1 层，标定后的v r s 反射率亮温，n m 的亮温，p r 的回波功率和反射率数据，它 们的分辨率等于观测仪器的像素点的大小：第2 层，用第1 层数据计算出的大气 状况数据( 如：降水、云中液态水的含量、潜热释放等) ，它具有与第l 层数据相同 的分辨率；第3 层，经过空间和时间平均后得到的格点形式的气象数据；第4 层， 南京信息工程人学硕士学位论文 资料分析产品和t r m m 资料与其它探测资料联合反演得到的数据产品。图2 1 3 8 j 为 q m m 卫星资料处理流程示意图。 t r m m 资料按分辨率还可分为三类：1 原始分辨率的轨道资料2 降低分辨率 的格点资料3 每一经纬度上低分辨率的作气候用的格点资料 所用软件为o r b i tv i e w e r ，用于分析和显示t r m m 的一、二、三级产品，此 外o r b i tv i e w e r 软件中轨道截取程序需独立编译，并需t o o l k i t 软件的支 持。算法需h d f 4 i r x 软件库的支持。 本文所用资料包括t r m m - p r 的二级资料2 a 2 5 ，它是p r 的廓线产品，提供了 近地面雨强( m h ) 、亮带高度和降水粒子所达到的高度、衰减订正后的2 0 k m 高度范围内的8 0 层雨强( m h ) 及降水类型的信息；t r m m t m i 的二级标准资料 2 a 1 2 ，提供了水汽凝结体的垂直廓线，在垂直方向1 4 个高度层上( 分辨率是距 地面0 5 k m ，1 0 k m ，1 5 k m ，2 0 k m ，2 5 k m ，3 0 k m ，3 5 k m ，4 0 k m ，5 0 k m ，6 0 k m 。 8 0 k m ，1 0 0 k m ，1 4 0 k m ，1 8 0 k m ，) ，给出了云水、云冰、可降水、可降冰晶的 三维空间分布信息。 2 4 资料的选取及处理方法 t r m mp r 所取得的资料在据地面高度1 5 k m 以下仍包含较强的地物回波， 而且越接近扫描带的边缘，地物回波就越强，且由于海洋表面下垫面均一，数 据质量较高，因此在对卫星资料进行处理时选择海洋覆盖的下垫面来进行研究。 n 舡的观测目的是海上降雨强度，从微波遥感角度看，海面可区分为平静 海面、风浪海面、污染海面和冻结海面。海水成分比较复杂，包含有各种盐类 以及有机质和悬浮粒子等，所以可以这样认为：海水是含有n a c i 等盐类的导电 溶液。它由五波长九个通道组成，其中频率为8 5 5 g h z 通道的水平分辨率为4 4 k i n 对中小尺度的对流性降水系统有较好的遥感监测能力，频率为8 5 5 g i - i z 微 波遥感对流性降水的物理机制眇1 是对流性系统上部的冰晶对该波段的微波有很 第二章s c s m e x 加密探空、t r m m 卫星及资料介绍 强的散射作用，进一步由云雾理理论1 删知道，中小尺度对流系统中较强的上升 气流使其上部的冰晶层随着雨强的增加而变得深厚】，8 5 5 g h z 微波遥感的最 大优点是可以测量对流云产生的强降水，而对上部无冰晶层的连续性降水不敏 感。 探空资料的处理方法是：通过g i d v 3 格点资料算出南海北部区域，各物理量 的的水平垂直分布，还有一种是资料是直接将南海北部多边形区域平均后的资 料。 对于t r m m 卫星资料，由于一天有两到三轨经过南海北部观测区，而且时 间上不连续，而一般来说下午2 、3 点的卫星观测资料较为准确。所以作者利用 o r b i t v i e w e r 根据以上两点，选取南海北部典型的个例，以每个象素观测点为单 位，取区域平均后的最大值。 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章南海季风的环流结构与对流能量、水汽输送特征 3 1 南海季风爆发前后的环流结构 东亚夏季风环流的基本特征是在低层( 如8 5 0h p a ) 盛行西南风，高层( 如 2 0 0h p a ) 盛行东北风，与此夏季风密切相关的后期重要降水过程( 如，我国 长江流域的梅雨过程) 在我国南方和整个东亚地区具有很重要的影响。图3 i 为1 9 9 8 年5 埔月南海季风爆发前后，高低层大气气流的分布和演变情况。季风 爆发前，中国南海地区主要受西太平洋副高的控制0 1 ，受其影响，低层8 5 0h p a 副高西侧南海南部为东南风，弱辐合区，而南