MWHS/FY-3资料同化在四川盆地暴雨预报中的应用研究

为了研究同化风云三号B星(FY-3B)和C星(FY-3C)的微波湿度计(MWHS及MWHS-2)观测资料在四川暴雨数值预报中的影响,本文基于Weather Research and Forecasting Model(WRF)及其三维变分同化系统Weather Research Forecast Variatinal Data Assimilation System(WRFDA),实现了对MWHS/FY-3B和MWHS-2/FY-3C观测资料的直接同化。针对2018年7月的一次四川盆地区域性暴雨过程的同化试验结果表明:同化风云三号系列卫星的微波湿度计观测资料对试验开始时刻均有改善,对相对湿度和矢量风场等物理量场有一定的正向调整作用,尤其是同化MWHS-2/FY-3C资料对风场的调整较为明显。同化试验对龙门山北部降水有较明显的改善作用,改善了降水的分布与落区,其中同化MWHS/FY-3B对盆地中部到东北部的降水量级的预报更接近实况,雨区更为连续。同化试验证明了同化风云三号系列卫星的微波湿度计观测资料对于四川盆地暴雨数值预报有一定的业务应用价值。      

利用卫星微波观测亮温与云辐射模拟亮温的台风定位分析北大核心

极轨气象卫星S-NPP、MetOp-A和FY-3B上搭载的微波湿度计观测资料可以反映出台风周围水汽和云雨结构。本文使用权重函数峰值在800 hPa附近的微波湿度计通道观测资料和ERA5再分析资料全天空模拟亮温,以飓风Sandy和Isaac为例,对用方位谱台风中心位置定位方法得到的观测和模拟中心位置进行了比较。利用下午星S-NPP搭载的先进技术微波探测仪(Advanced Technology Microwave Sounder,ATMS)和上午星MetOp-A搭载的微波湿度计(Microwave Humidity Sounder,MHS)观测亮温得到的飓风Sandy(Isaac)中心位置与最佳路径平均相差35.8 km(32.9 km),但用ERA5全天空模拟亮温得到的飓风Sandy(Isaac)中心位置与最佳路径平均相差73.3 km(82.1 km)。若按照热带风暴和台风等级来划分,ATMS和MHS观测和模拟亮温得到的台风中心位置与最佳路径的平均距离对热带风暴分别是36.5 km和105.9 km,对台风分别是25.8 km和56.4 km。若用FY-3B搭载的微波湿度计(以MWHS表示)替换ATMS,所得结果类似。ERA5作为全球大气再分析资料的典型代表,用方位谱台风中心位置定位方法得到的台风中心位置误差较大的原因是ERA5再分析资料全天空模拟亮温在台风中的分布结构与观测亮温相差较大,而模拟亮温与冰水路径分布结构极为相似。研究对台风数值预报中的全天空模拟亮温资料同化具有一定的参考意义。     

同化MWHS-2/FY-3C资料对一次西南涡暴雨数值模拟的影响研究

利用WRF模式及WRFDA同化系统,循环同化风云三号微波湿度计资料（MWHS-2）,对2019年6月4日四川西南涡暴雨天气过程进行数值模拟试验。结果表明:WRF模式成功预报出本次暴雨天气过程,同化MWHS-2观测资料对模式初始场盆地中东部的相对湿度有明显调整,较控制试验对盆地降水的模拟结果更接近于实况,不仅改善了700hPa低涡模拟路径与实况路径的差距,也改善了模拟结果中850hPa西南涡在盆地东部打转的虚假活动路线。整个过程中水汽辐合区与强降水区有很好的对应关系,强降水主要出现在700hPa低涡东南侧偏南气流气旋性曲率最大值区与850hPa低涡切变南侧的重叠位置。      

台风暴雨数值预报中ATOVS资料的变分同化试验

利用ATOVS卫星辐射率资料和NCEP资料,采用中尺度数值模式WRF(V3.3)及其同化系统WRF-3DVar,设计了几组同化试验方案,对由0908号台风"莫拉克"导致的台湾南部2009年8月8—9日特大暴雨过程进行数值预报。结果表明,直接同化ATOVS辐射率资料对初始温度场、湿度场和风场均有较明显的改善,其中连续循环同化试验的改善效果最显著,同化后初始场增加了暴雨中心上空对流不稳定性,同时风场也表现出更强的低层辐合、高层辐散的中尺度特征。对比不同的辐射率资料发现,同化MHS资料对湿度场改进效果较好,同化AMSUA资料对温度场和风场改进效果较好,同时同化MHS和AMSUA资料改进效果整体上要好于前两者。在对降水预报定量检验中,同化试验的整体评分要高于控制试验,特别是降水临界值超过300 mm后评分提高最为显著。连续循环同化试验对这次台风暴雨的预报与实况最为接近。     

ATMS卫星资料的同化应用及与AMSUA/MHS的比较研究

针对数值预报中ATMS卫星资料的同化应用问题,在WRFDA框架下扩展了对ATMS卫星资料的同化功能,选择2012年7月第9号强台风“苏拉”开展初步研究,比较了NOAA18卫星上搭载微波传感器AMSUA/MHS的结果,分析卫星资料特征并试验资料同化应用对区域数值预报的影响。结果表明,ATMS探测质量优于或与AMSUA/MHS相当;同时由于ATMS具备的高空间覆盖率、增多的温度探测扫描点和湿度探测通道,可为资料同化系统提供更丰富的观测信息,有效改善数值预报效果。ATMS卫星资料的降噪处理是资料同化应用的一个初始环节,对于个例的研究结果表明,总体上可以降低噪声和提高资料的使用效果,但在湿度探测段低层通道存在经偏差订正后降噪处理结果误差有所增大的现象,说明针对处理方式还需要调整资料应用的多个环节。偏差订正前,卫星微波资料同化目前普遍使用的ATMS温度探测9通道和湿度探测22通道的卫星观测和模拟间存在较大偏差,是ATMS资料同化应用中需要注意的。此外,ATMS卫星探测与AMSUA/MHS探测通道设置较大的差别之一在于窗区通道,由此主要依据窗区通道探测的云检测方案在ATMS资料同化应用中需要加以调整和试验。      

FY-3C MWHS-Ⅱ辐射亮温在RMAPS-CA中的同化

中亚地区常规气象观测稀疏，同化极轨卫星FY-3C上的微波湿度探测器-Ⅱ(MWHS-Ⅱ)辐射率资料可有效减小该地区数值预报初始场的不确定性。本研究首次在中亚快速更新多尺度资料分析和预报系统RMAPS-CA中同化了FY-3C/MWHS-Ⅱ辐射率，评估了其同化效果。研究发现：（1）单个时次冷启动的同化时间窗口内，仅约有56%的辐射率资料通过了质量控制并被RMAPS-CA同化。（2）偏差订正整体减小了各水汽通道的背景场辐射亮温偏差，最大减幅出现在通道14，达0.5 K。通道14偏差订正前的观测辐射亮温和背景场辐射亮温间存在较大偏差，是其同化应用中需要特别注意的。（3）FY-3C/MWHS-Ⅱ辐射率同化整体提高了RMAPS-CA系统对高空温度、位势高度、高空风速等的中短期预报准确率。同时，使得2米温度和10米风速的预报准确率预报均方根误差分别平均减小了0.2 K和2 m/s。其同化有效降低了小雨预报的漏报率和空报率，小雨预报的TS评分提升了16%。降低了中雨和大雨预报的漏报率，三个量级降水预报的BIAS评分分别提升了18%、38%和36%。     

风云三号卫星微波湿度计的扫描角偏差订正

首先统计分析了FY-3A卫星MWHS(Micro Wave Humidity Sounder,微波湿度计)2010年1月整月和8月28日—9月6日Level-1b全球观测亮度温度T_O和背景场(NCEP GFS 6 h预报场)用辐射传输模式(美国通用辐射传输模式CRTM 2.0版本)模拟的亮度温度T_B随扫描角的分布特征,发现通道3和4的观测随仪器扫描角有抖动、不连续现象。同时沿着仪器扫描线在星下点两测存在观测不对称现象,而且权重函数峰值越接近地面的通道该不对称现象越明显。在统计观测增量T_O-T_B随扫描角和纬度变化的基础上,定量给出了不同纬度带内(每隔5个纬度)MWHS通道3、4和5的扫描角偏差订正系数,该系数可直接提供给各种资料同化系统同化FY-3A MWHS资料时使用。     

采用双权重算法进行FY-3A微波湿度计资料质量控制试验

针对FY-3A卫星微波湿度计MWHS(Microwave Humidity Sounder)资料的质量控制进行研究.选用2010年冬季1月17-23日FY-3A微波湿度计MWHS LlC格式的全球观测资料作为研究对象,采用双权重算法对观测增量O-B进行质量控制,其中O是Fy-3A微波湿度计观测的亮度温度,B是基于NCEP GFS全球预报系统6h预报场用辐射传输模式RTTOV模拟的亮度温度值,目的是剔除受地表发射率或云影响的离群资料.结果表明,通过双权重的质量控制后,FY-3AMWHS3、4、5通道O-B的标准差明显减小了2～3K,同时,质量控制后O-B偏差和标准差随时间窗变化也很稳定,可见该方法除去异常资料的效果较为理想,能够应用到卫星资料的质量控制中.     

ATMS微波资料特征及其对台风路径预报的影响

采用2012年8月1—30日ATMS(Advanced Technology Microwave Sounder)卫星微波资料,在WRFDA系统中进行资料特征统计分析以及偏差订正试验。针对2012年8月第13号台风“启德”、第14号台风“天秤”和第15号台风“布拉万”,检验同化ATMS卫星微波资料对台风路径预报的影响。结果表明:偏差订正前,ATMS除个别窗区通道和湿度通道偏差大于对应AMSUA/MHS通道外,其余通道偏差均小于后者;与AMSUA/MHS相比,ATMS偏差随扫描位置的变化较小且平滑,ATMS96个扫描点的资料均可用;ATMS窗区通道偏差最大,温度中层通道偏差最小;使用ATM S资料导出的偏差订正系数,可减小温度和湿度通道偏差,相比于直接使用NOAA-18偏差订正系数,可改善台风路径和最低气压预报;个例研究表明,同化中加入ATMS资料后可使台风路径预报偏差降低31%。     

基于西南涡加密探空资料同化的一次奇异路径耦合低涡大暴雨数值模拟研究

利用WRF模式及WRFDA同化系统,引入业务探空资料和西南涡加密探空资料,对一次四川盆地奇异路径低涡耦合大暴雨过程进行了数值试验,对比检验不同同化试验对本次过程降水和低涡移动路径的模拟能力,分析了加密探空资料同化对西南涡结构及其降水演变的影响。结果表明:在同化业务探空资料的基础上,引入西南涡加密探空资料能改善模式对本次降水和低涡移动路径的模拟,而仅同化业务探空资料对模拟结果的改善作用有限;引入西南涡加密探空资料,一方面能在初始风场上产生气旋式扰动,增加初始高原涡和西南涡的强度,另一方面通过调整初始四川盆地上空大气温、湿度结构,使模式在积分初期就能产生出实况量级的降水;西南涡加密探空资料的同化试验揭示了仅靠高层的高位涡不足以激发和维持700 hPa的西南涡,需要通过低层水平辐合引起正涡度增加并向上输送来增强700 hPa的气旋式环流,进而促进西南涡的移动和发展,而模拟初期降水的潜热释放也起重要作用,加深了对西南涡及其降水成因的认识。      

同化ATOVS不同类型资料对华北一次暴雪模拟的改进试验

针对2007年3月2~5日发生在华北地区的一次降雪过程,采用WRF及其3DVAR同化系统,基于ATOVS卫星的红外和微波3类资料以及常规台站资料和TRMM降水资料进行不同循环同化模拟试验,探讨同化ATOVS资料后WRF模式对此次暴雪过程的模拟效果。结果表明:相对于同化常规资料对此次降水强度和中心位置模拟的正效应,AMSU-A、AMSU-B对降水的模拟改进较小,而HIRS对降水的模拟改进最为显著。同时同化AMSU-B、HIRS和常规资料的组合试验对此次降水模拟的效果改进最大,它有效地调整了风场和湿度场的分布,使得在降水中心及邻近地区对流层低层出现明显的水汽辐合区,显著地增强了降水的模拟效果。     

FY-3A卫星微波资料的集合变分混合同化试验

以2012年"北京7.21暴雨"为例,实现了集合变分混合同化方法对FY-3A的微波温度仪和微波湿度仪资料的直接同化,并与三维变分方法进行了比较。结果表明:虽然两种同化方法同化FY-3A微波资料都能改进降水模拟效果,但是与实况相比,集合变分混合同化方法改进效果更为明显,其能有效减少虚假强降水的模拟,改进强降水中心位置的模拟,SAL评分定量检验也同样表明,集合变分混合同化方法对暴雨的模拟效果要优于三维变分同化方法;无论是热力学变量还是动力学变量,集合变分同化得到的初始场均方根误差均显著小于三维变分同化的结果;两种方法同化FY-3A微波资料均能改变初始场中的各种物理量信息,但不同方法得到的同化增量大小和分布却有明显的差异:三维变分同化方法对初始场的调整区域和强度都要大于混合同化方法,且其同化增量表现出均匀和各向同性的分布特点;而利用集合信息的混合同化方法得到的同化增量分布表现为非均匀性和各向异性,具有"流依赖性"的特征,这使得初始场的分布更合理,有利于改善降水的模拟效果。     

卫星辐射率资料EnSRF同化及暴雨模拟应用

基于自主构建的WRF—EnSRF（Weather Researchand Forecasting—Ensemble Square—Root Filter）同化系统,同化了ATOVS（Advanced TIROS Operational Vertical Sounder）辐射率资料,以检验该系统同化卫星资料的能力及其在暴雨过程模拟中的效能。对2008年6月6—7日广东地区一次大暴雨过程进行了同化及数值模拟试验,结果表明,同化ATOVS辐射率资料得到的分析场,丰富了对流层高层的大气温度和对流层中低层的大气湿度信息,对风场也有一定的改进。控制试验和同化试验都较好地模拟出了降水的主要落区和发生时段,但控制试验对暴雨、大暴雨的雨区和雨强的模拟效果欠佳;相比而言,同化试验对强降水中心的位置、范围的模拟均有更好的反映,模拟的暴雨强度也与实际降水量级基本一致,同化改进效果明显。     

掩星弯角资料同化在一次暴雨过程中的应用

使用GPS掩星弯角资料和NCEP预报场资料,采用GSI(Grid-point Statistical Interpolation)变分同化系统,对同化掩星弯角资料前后的分析场以及数值预报结果进行详细比较,分析了弯角资料同化对2012年7月21日北京特大暴雨预报结果的影响。结果表明,同化掩星弯角资料对初始场中的温度、湿度产生明显影响,500 hPa和700 hPa温度调整中心量值达到0.5℃和-0.6℃,700 hPa湿度调整中心最大量值达-0.14 kg·kg-1;同化过程改变了强降水发生前流场结构,明显提高了强降水中心位置、雨带走向及范围、降水强度的预报准确性;由降水TS评分可知,200 mm以上大暴雨模拟改善效果明显,但对弱降水预报效果较差。     

基于亮温通道变率的FY-3C微波湿度计陆地云检测新方法

云检测是卫星资料同化的重要前处理步骤,无论是晴空资料同化还是有云资料同化,都需要准确地区分有云和晴空资料。由于陆地地表发射率的多变性和微波能穿透部分云类的特点,微波湿度计资料在陆地上空的云检测研究一直是难点。利用快速辐射传输模式（CRTM）分析了不同云类条件下FY-3C微波湿度计（MWHS-Ⅱ）各通道亮温的通道间变率特征,根据MWHS-Ⅱ亮温通道间变率随云高以及云中液态水含量的增大而减小的特点,提出了一个基于亮温通道变率的MWHS-Ⅱ陆地资料云检测方法。与已有的云产品比较结果表明:新的云检测算法能有效地剔除大部分受云影响的资料,剔除后的晴空资料观测和模拟偏差更好地符合高斯分布。新方法对过冷水云、冰云、重叠云的检测能力较强,正确检测率可以达到80%,对卷云以及高度较低的水云的检测能力相对较弱。新方法能有效利用MWHS-Ⅱ观测资料自身完成云检测,在MWHS-Ⅱ资料同化中有很好的应用前景。      

一次局地大暴雨的地面观测资料同化预报试验研究

基于WRF（Weather Research and Forecasting）模式及其3DVAR（3-Dimentional Variational）资料同化系统,采用36 km、12 km 、4 km三层嵌套网格进行逐3 h资料同化和快速更新循环预报,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了资料同化敏感性试验。试验结果表明,地面观测资料同化和快速更新循环对本次降水的预报起到了关键性作用。在快速更新循环预报时不同化地面观测资料,或同化全部观测资料进行冷启动预报,模式均不能预报出山东的降水。同化地面观测资料后,显著改进了模式降水落区预报。地面观测资料同化可以影响到700 hPa高度以上温压湿风要素的变化,从而改变了大气初始场的温湿结构,导致模式预报的700 hPa附近高空大气湿度和热力不稳定增强,700 hPa以下低层风场更强,850 hPa鲁中以南风速较无观测资料同化的偏强2～4 m·s-1,低层风场的动力作用触发高空的不稳定大气,降水出现在山东。     

地基微波辐射计资料同化对一次特大暴雨过程影响的数值试验研究

基于暴雨中尺度数值预报模式AREMv2.3和三维变分同化系统GRAPES-3DVAR,以2008年7月22日08时至23日08时发生在我国东部地区的一次特大暴雨过程为例,研究了荆州、咸宁、常德3部地基微波辐射计反演的相对湿度廓线资料同化对降水预报的影响。结果表明:1)同化荆州、咸宁、常德3部微波辐射计反演的相对湿度廓线资料后,模式对降水落区预报改进不明显,但对降水强度预报改进明显,24 h降水最大增幅为45 mm;2)分别同化荆州、咸宁、常德微波辐射计湿度廓线资料,降水强度模拟均有所改进,24 h降水最大增幅分别达到42、10、24 mm;3)单站及两站微波辐射计资料同化均对降水强度预报有所改善,但不及对3部微波辐射计资料同时同化的结果,这表明同化的中尺度水汽场信息越多,初始场的质量越高,降水模拟效果越好;4)对上述暴雨过程而言,荆州微波辐射计湿度廓线资料同化对降水强度预报改进贡献最大,常德站次之,咸宁站作用最不明显。     

微波湿度计资料在GRAPES模式中偏差订正方法研究

根据微波湿度计MHS(Microwave Humidity Sounder)辐射率资料及GRAPES(Global/Regional Assimilation and Pr Ediction System)模式的特点,建立适用于MHS资料的偏差订正系统,该系统包括扫描和气团偏差订正,其中气团偏差订正考虑水汽资料的特性,采用三种不同预报因子组合的方案。偏差订正结果表明:MHS各个通道的扫描偏差表现出不同特征;偏差订正后观测残差基本服从均值为零的高斯分布,且观测残差的均值有所降低并随时间变化平稳;三种气团偏差订正方案都有明显的订正效果,其中方案三的订正效果最佳。     

遗传算法同化GPS可降水量资料的研究与应用

利用上海气象台提供的GPS可降水量资料,对2006年7月4-5日发生在江淮地区的一次大暴雨过程进行了分析和模拟研究.此次降雨过程与对流层中低层中尺度低涡的发生发展有密切联系.在高低空环流的共同作用下,高空槽后干冷气流与西南暖湿气流在江淮地区频繁交汇,使得中尺度对流系统得以持续发展.由于造成此次降雨的对流系统尺度较小,仅用常规资料难以理想地模拟出降雨过程.因此,采用遗传算法(GA)同化系统研究了GPS可降水量资料在暴雨模拟中的作用,并做了与伴随同化系统的对比试验.数值模拟结果表明:(1)使用GPS可降水量资料调整初始场后能更准确地模拟出降水的落区与强度.(2)为了进一步检验使用遗传算法同化系统后的效果,通过湿度场,风场,高度场的均方差试验,证明加入GPS可降水资料的遗传同化试验对其它要素的改善与伴随同化GPS可降水资料的试验相比,更能模拟出与实况更为接近的低层风场,湿度场结构.     

应用风云气象卫星及融合降水资料改进地表参数模拟

气象卫星资料不仅对天气、气候研究非常重要, 对于地表参数模拟和预报也具有重要意义。本文首次将全国自动站观测、卫星降水估计和地面观测融合降水资料(CMORPH)以及风云二号D星(FY-2D)积雪覆盖率数据应用到了高分辨率陆面资料同化系统(u-HRLDAS)。融合降水资料用于驱动u-HRLDAS, 同时用于计算雪水当量;积雪覆盖率资料作为u-HRLDAS强迫变量。区域模拟结果表明, 积雪覆盖率对于地表反照率、地表温度以及地气交换通量模拟有极其重要的影响。密云站土壤湿度模拟结果表明, 融合降水资料准确度优于全球陆面资料同化系统(GLDAS)再分析资料。小汤山站单点验证结果表明, 应用融合降水资料及卫星积雪覆盖率资料可以改进地表温度及地气交换通量的模拟。