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土壤湿度在陆气相互作用中起着十分重要的作用,它通过改变陆面与大气之间的水分交换以及地表能量中感热和潜热通量的分配,从而对天气、气候产生较大影响。利用陆面模式和观测的有用信息得到土壤湿度等陆面变量的最优估计的陆面数据同化研究,对于改进数值天气预报与短期气候预测研究具有重要意义。本博士论文的主要研究目标是发屋基于多观测算子、能同化微波亮温并优化模型参数和状态变量(土壤湿度)的双通微波陆面数据同化系统,获取高时空分辨率陆表变量同化数据集。围绕上述研究目标,本论文在微波亮温模拟平台、陆面数据同化系统研发、以及高时空分辨率大气强迫场等方面开展研究,发展了基于陆面过程模型和辐射传输模型的微波亮温模拟系统,为卫星微波亮温模拟提供模式平台；建立一个基于多观测算子的双通微波陆面数据同化系统,它能够回化微波亮温且优化模型参数和状态变量(土壤湿度)；利用基于FY-2C的高时空分辨率大气强迫场驱动此系统,以及基于微波亮温资料,发展了高时空分辨率陆表变量回化数据集。论文主要成果总结如下:
(1)通过对高时空分辨率大气强迫场的评估研究,揭示了基于FY-2C的太阳辐射等数据集具有较高的可信度。利用地面辐射观测和三种其它卫星产品(ISCCP-FD、GEWEX-SRB和FLASHFlux)来验证和评估FY-2C反演的地表入射太阳辐射,结果表明:FY-2C不仅与地面观测比较接近,而且能够抓住地表太阳辐射的时间变异性。与其它三个卫星产品相似,FY-2C在东北区域表现最好,平均偏差不到3 W/m2且相关系数高达0.97,其次是在西北区域,但华北区域的偏差最大(8.55 W/m2),华南区域的相关性最差(0.86)。对比分析了再分析资料的地表入射太阳辐射估计,NCEP-DOE和ERA-Interim明显高估地面观测的太阳辐射,其与观测的偏差分别为46 W/m2和27 W/m2。这些结果表明,基于FY-2C的太阳辐射等数据集具有较高的可信度。
(2)发展了基于陆面过程模型和辐射传输模型的微波亮温模拟系统,为卫星微波亮温模拟提供模式平台。将微波辐射传输模型CMEM与陆面过程模型CLM3.0耦合,从而建立了从大气强迫模拟微波亮温的模式CMEM-CLM。把CLM3.0输出的土壤含水量、土壤温度、地表温度等陆表状态变量映射到由微波亮温构成的观测空间,利用AMSR-E的观测资料验证CMEM-CLM在东亚区域的表现。结果表明:CMEM-CLM模拟的垂直极化微波亮温与观测更接近,其均方根误差为15 K,而水平极化则超过30 K。在华北北部和西北区域,CMEM-CLM与观测吻合较好,相关系数超过0.8,而在华北南部和长江中下游区域的模拟效果较差(相关系数小于0.7)。这些结果说明本论文所建立的微波亮温模拟系统能够很好的反映微波亮温的真实情况,可以直接应用到陆面数据同化系统。
(3)建立了基于多种观测算子的双通微波陆面数据同化系统,生成了具有更高精度的中国区域高时空分辨率陆表变量同化数据集。将土壤水模型作为预报算子,辐射传输模型QH作为观测算子,发展了包括参数优化和土壤湿度同化的双通土壤湿度同化方案,同化结果表明该方案的合理性。将上述发展的方案并结合观测算子QH、LandEM和CMEM实现与陆面过程模型CLM3.0的耦合,从而建立了基于多种观测算子的双通微波陆面数据同化系统。该系统以陆面过程模型CLM3.0作为核心,采用SCE-UA方法优化参数并利用POD-4DVAR同化方法直接同化微波亮温。利用上述同化系统以及AMSER-E亮温和所评估的高时空分辨率大气强迫开展同化试验,研究观测算子对同化模拟的影响。结果表明:不同观测算子对应的同化土壤湿度更接近地面观测并能很好的反映其时间变异性；同化后的地表径流比模拟在我国大部分区域都有不同程度的改善。这些观测算子在不同区域的表现不同,CMEM观测算子的同化结果在长江中下游区域与观测的平均偏差仅为0.0008 m3/m3,相关系数达0.72,与观测最吻合；LandEM观测算子在西北区域与观测的均方根误差最小(0.028 m3/m3)；QH观测算子在华北和西北区域与观测的相关系数最高(分别为0.66和0.44)。通过以上研究,生成了具有更高精度的2005年7月-2010年6月中国区域高时空分辨率陆表变量同化数据集(0.25°×0.25°,1小时),能够为短期气候预测、数值天气预报等提供更真实的陆面初始场。