青藏高原科学试验关键区物理协调大气分析模型与数据集的构建研究

Based on routine in situ and remote sensing observations as well as the intensive observations of field experiments over the Tibetan Plateau (TP), this project will focus on the following scientific issues: (1) The constrained variational objective analysis method will be developed. (2) The developed objective analysis method will be applied to generate a thermodynamically and dynamically consistent atmospheric data set for the field experiment regions during the intensive observation periods. (3) The data integration analysis of multi-source observations will be studied to provide a 3D structure of clouds and cloud microphysical properties and their associated large-scale environment over the TP region. (4) The created dataset will be used to examine the weather and climate process studies and variability over the TP region, as well as to statistically evaluate the dataset for the improvements.

开展青藏高原地-气耦合系统的研究需要基于充分的观测数据并经过处理分析而且各要素间在物理上协调的数据集。本项目将主要针对高原典型科学试验区，利用高原日常多源直接与遥感观测资料及试验观测数据，采用满足大气结构“气柱”总质量、动量、水汽与静力能守恒的变分客观分析方法，构建与高原的基本大气物理过程协调、特别是能反映该区域水分与能量动态平衡的大气数据集；通过融合分析建立高原地区水汽、云和降水场的大气水物质数据集。利用变分分析后的大气场和融合分析后的水汽、云和降水资料，开展高原云降水的特征分析和过程研究，探讨非绝热加热对动力场的贡献，以及动力场对云降水物理过程的约束效应。本项目的实施将为青藏高原区域再分析资料的发展评估、模式物理参数化方案的改进评估以及天气气候的过程研究提供基础数据；同时，揭示高原地区水汽和能量的收支特征以及云降水物理过程与动力过程之间的相互影响机制。

青藏高原对东亚乃至全球的天气气候具有重要影响，对青藏高原的地-气耦合系统进行研究需要基于充分的观测数据，随着观测手段的不断发展，观测资料的种类越来越丰富，但由于大气观测中不可避免的误差，由探空资料直接计算的散度与大气上下边界的水、热通量不能代表大气的真实情况，也无法满足大气的水汽与能量收支平衡。而且，不同资料之间存在不协调性，很多关键物理量也难以直接计算。因此，如何处理多源的观测资料，从而得到大气物理过程互相协调、适应与动态平衡的大气数据集是青藏高原地-气耦合系统研究的重要科学问题之一。.本项目在高原上选取以那曲为中心、半径200km的气柱作为试验区域，基于约束变分分析方法构建青藏高原物理协调大气分析模型，通过气柱上下边界的通量资料对气柱各项收支进行约束，对气柱的高空风场、温度场和湿度场进行适量调整，建立热动力协调的大气分析数据集。结合第三次高原观测，项目首先以2014年8月作为试验期构建数据集，对该时段数据集的评估分析表明：物理协调大气分析模型可以处理调整不同时空分辨率的多源观测资料，生成众多重要的大气衍生量；模型生成的地表及大气顶的物理量、高空风场、温度场和湿度场比再分析资料更接近实际大气状态；模型得到的垂直速度等衍生量与降水过程更为匹配，在天气过程分析等研究中具有明显优势。.此外，项目建立了2013-2017年长时间序列的热动力协调数据集。该长时间序列数据集被广泛用于评估有限区域再分析资料的合理性，对模式物理参数化方案进行评估改进，为认识高原地区云-降水微物理特征、大尺度动力场演变规律和它们之间的相互影响等研究提供了可靠的资料条件，从而提高了对高原大地形的天气和气候过程和影响机理的认识。.鉴于本项目首次研发的“热动力协调大气分析建模”原理的普适性，本项目建立的“物理协调大气分析数据集生成技术”具有广阔的推广应用前景。