基于卫星遥感资料的数值模式参数化方案改进及其在海气边界层现象模拟中的应用研究

Marine atmospheric boundary layer (MABL) phenomena, i.e., boundary layer rolls, atmospheric gravity waves, warm/cold/occlude fronts, atmospheric vortex streets, etc., play critical role in the exchange of energy, movement and mass between atmosphere and ocean. These MABL phenomena modify winds, temperature and moisture distribution within the MABL. These changes associated with MABL phenomena will modulate signals received by satellite sensors. With the fast developing of earth observation systems and increasing number of new SAR and optical sensors, there have been an increasing number of observations of MABL phenomena on remote sensing images. In this study, we will systematically analyze remote sensing images with MABL phenomena patterns that were collected over the past 10 years. In the meantime, we will implement the meso-scale community weather model, Weather Research and Forecasting (WRF) Model, as well as the optics and radar imaging simulation models to simulate these observed MABL phenomena and improve our understanding the following scientific questions: 1) What is the optimal planetary boundary layer (PBL) parameteration that can be used to best simulate the MABL phenomena? Is there any improvement that can be made? 2) The WRF simulation results will be used as inputs to satellite imaging simulation models to generate simulated remote sensing images. We compare simulated images with actual satellite images to gain insight into the mechanisms that contribute to imaging simulation under various environmental conditions and sensor specifications. 3) Through time series analysis of WRF and simulation results to better understand the generation, development and decay of the MABL phenomena.

海气边界层是在大气逆温层之下、海洋表面之上的大气层。虽然MABL仅存在于海洋表面之上1-2公里，但它决定着海气之间的能量、动量和物质的交换。海气边界层现象，如边界层涡旋、重力波、冷暖锋面、降水等，由于其空间尺度对常规气象观测网而言太小，对单个观测站点来讲又太大，因此关于它们发生发展的动力学过程机制的研究在相当长的一段时间内进展缓慢，数值模式对各类边界层现象的准确模拟也存在困难。随着对地观测卫星系统的快速发展，尤其是高分辨率的星载SAR卫星的相继发射，卫星遥感观测到的海气边界层现象不断增多，为开展海气边界层相关研究提供了新的资料来源。本研究将以卫星遥感观测到的典型海气边界层现象的生消机制研究为主线，通过主被动卫星遥感观测与中尺度数值模式模拟的结合，利用雷达遥感海面高分辨率成像和光学遥感云顶多波段成像能力，发挥数值模式连续动态多参量的模拟能力，重点研究复杂场景条件下的海气边界层现象遥感成像机理

海气边界层是在大气逆温层之下、海洋表面之上的大气层。虽然MABL仅存在于海洋表面之上1-2公里，但它决定着海气之间的能量、动量和物质的交换。海气边界层现象，如边界层涡旋、重力波、冷暖锋面、降水等，由于其空间尺度对常规气象观测网而言太小，对单个观测站点来讲又太大，因此关于它们发生发展的动力学过程机制的研究在相当长的一段时间内进展缓慢，数值模式对各类边界层现象的准确模拟也存在困难。随着对地观测卫星系统的快速发展，尤其是高分辨率的星载SAR卫星的相继发射，卫星遥感观测到的海气边界层现象不断增多，为开展海气边界层相关研究提供了新的资料来源。项目负责人和研究团队成员，围绕项目任务书中的研究目标，在 MABL现象的 SAR 成像机理、MABL 现象的数值模拟方法、典型 MABL 现象的生消机制方面开展了研究工作。本研究以卫星遥感观测到的典型海气边界层现象的生消机制研究为主线，通过主被动卫星遥感观测与中尺度数值模式模拟的结合，利用雷达遥感海面高分辨率成像和光学遥感云顶多波段成像能力，发挥数值模式连续动态多参量的模拟能力，重点研究重点研究了北部湾大气重力波、江苏沿岸流造成的高散射雷达图像和台风对海气现象的生消机制。.本项目共发表学术论文20篇，其中SCI论文19篇，EI论文1篇，引用138次。项目负责人和参加研究人员开展了广泛的国际合作和交流。项目执行期间，项目负责人李晓峰研究员当选为IEEE Fellow。