Preliminary Study on Direct Assimilation of Cloud-affected Satellite Microwave Brightness Temperatures

Direct assimilation of cloud-affected microwave brightness temperatures from AMSU-A into the GSI three-dimensional variational(3D-Var) assimilation system is preliminarily studied in this paper. A combination of cloud microphysics parameters retrieved by the 1D-Var algorithm(including vertical profiles of cloud liquid water content, ice water content, and rain water content) and atmospheric state parameters from objective analysis fields of an NWP model are used as background fields. Three cloud microphysics parameters(cloud liquid water content, ice water content, and rain water content) are applied to the control variable. Typhoon Halong(2014) is selected as an example. The results show that direct assimilation of cloud-affected AMSU-A observations can effectively adjust the structure of large-scale temperature, humidity and wind analysis fields due to the assimilation of more AMSU-A observations in typhoon cloudy areas, especially typhoon spiral cloud belts. These adjustments, with temperatures increasing and humidities decreasing in the movement direction of the typhoon,bring the forecasted typhoon moving direction closer to its real path. The assimilation of cloud-affected satellite microwave brightness temperatures can provide better analysis fields that are more similar to the actual situation. Furthermore, typhoon prediction accuracy is improved using these assimilation analysis fields as the initial forecast fields in NWP models.     

COSMIC-2掩星反演数据质量分析

为评价COSMIC-2掩星反演数据精度,利用探空站点资料,对比验证了基于COSMIC-2附加相位数据由无线电掩星数据处理软件ROPP计算得到的大气折射率及温湿廓线。实验结果表明:COSMIC-2数据经反演后的大气廓线质量较高,大气折射率相对偏差标准差为1.5%~4.3%,大气温度和相对湿度均方根误差分别为1.3~2.2 K、10%~15%;低纬地区样本精度总体优于中纬地区; 季节性差异不明显,但冬春季样本精度总体略优于夏秋季。反演数据与COSMIC-2二级产品相比,折射率与温度在部分高度层精度更优,相对湿度在总体上精度更优。      

FY-4A GIIRS高时间分辨率温湿度廓线反演及其在台风中的应用

针对2020年第9号台风"美莎克"期间FY-4A 高光谱红外干涉式大气垂直探测仪GIIRS每15 min一次的目标区跟踪加密观测资料,用三维卷积神经网络算法反演的全天空大气温度、湿度廓线分析了台风处于生命史不同阶段时暖心结构和湿度场结构的演变特征。结果表明:卷积神经网络的深度机器学习算法可以用来反演全天空的三维大气温度和湿度垂直廓线,不光适用范围广(晴空和有云视场)、反演精度高,而且反演速度快。利用静止卫星平台高时间分辨率的特性,反演得到的温度、湿度廓线可以细致追踪台风处于发展、成熟和登陆等阶段时暖心结构和湿度场的时空演变特征。台风从发展阶段(热带风暴和强热带风暴)到成熟阶段至登陆消亡时,暖心首先出现在对流层中高层较薄的区域,随着台风强度的加强,深厚的暖心结构明显、强度增加,水平面积增大且垂直往下延伸。由于对流云中强上升气流的输送水汽正距平区逐渐上传至300 hPa,台风最强时密闭云区与四周下沉气流区比湿差高到8 K·kg^-1。暖心结构和高湿度中心随着台风登陆而逐渐消失。     

COSMIC反演大气温湿廓线与模式客观分析场的比较

利用2009年不同季节COSMIC湿反演的大气温度和相对湿度廓线数据,分别与时、空相匹配的ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,欧洲中尺度天气预报中心)、NCEP(National Centers for Environmental Prediction,美国环境预报中心)模式客观分析场和无线电探空观测数据,进行全球范围的比较分析.初步研究表明,无论夏季还是冬季,各种资料源之间相互比较的偏差和标准差分布相似,与季节无关.就温度而言,三种资料源的温度水平、垂直分布都很接近,ECMWF模式数据比NCEP不论是温度廓线还是湿度廓线都更接近COSMIC反演值.模式的水汽客观分析场在对流层基本上都比无线电探空观测值偏湿,对流层中高层在大部分海洋地区也比COSMIC反演场偏湿.COSMIC反演的相对湿度相对于无线电探空整层偏大,具有明显正偏差,在300 hPa偏差达最大值(约30%).     

RETRIEVAL OF CLEAR SKY MOISTURE PROFILES IN THE PACIFIC USING MEASUREMENTS OF MICROWAVE HUMIDITY SOUNDER FROM FY-3A SATELLITE

An improved Smith iterative method, which generally applies to microwave bands, is described. The moisture profiles retrieved from the brightness temperature data of microwave humidity sounder onboard FY-3A satellite, pertaining to clear sky, are shown over western North Pacific by using a vector-discrete ordination radiative transfer model. The retrieved profiles are compared with those from MODIS products, and the results of single point show that they are in good agreement with the results for lower layers. The distribution of retrieved humidity at 500 hPa is basically consistent with the actual situation, and the values are lower than that of the MODIS products. Compared with MODIS products, RMS is within 5.76g/kg at every single level separately.     

同化IASI资料对台风“红霞”和“莫兰蒂”预报的影响研究

红外高光谱大气探测仪IASI可提供高精度的大气垂直温度和湿度信息,能够探测台风结构特征,有效弥补台风影响区域观测资料稀缺的不足。以WRFDA三维变分同化系统为基础构建IASI同化试验平台,实现McNally提出的MW云检测方法,并调整参数形成大阈值的LMW云检测方法,以超强台风“红霞”（1506）和“莫兰蒂”（1614）为试验个例,对IASI观测资料进行同化对比试验。对于台风“红霞”,MW云检测方案对于高层通道299保留的观测数目仅为大阈值LMW云检测的16.2%和WRFDA系统默认的MMR云检测的9.2%,对于底层通道921分别为3.3%和2.6%。但是MW试验分析场强度最强,获得的72 h台风路径预报最接近真实路径,路径误差最小。两个台风个例试验结果相似,表明有效的云检测过程能提高IASI资料同化分析场的准确性,同化IASI资料有利于改善台风预报技巧。      

台风天气条件下地基微波辐射计反演产品精度分析

利用中国气象局上海台风研究所台风试验获取的4个典型台风个例数据,对地基微波辐射计反演的温度、水汽密度廓线与同址GPS探空资料得到的廓线进行对比分析,发现二者的温度、水汽密度相关系数分别为0.988、0.928。微波辐射计的探测精度在不同高度上有很大差异,整体来说,在高层温度探测精度较优于低层,而在低层水汽密度探测精度较优于高层。进一步研究表明,探测水汽密度精度与降水强度存在显著的正相关,而与风速及相对台风位置没有明显的关系。经计算,21组水汽密度廓线均方根误差与对应时段降雨强度的相关系数为0.912。本研究定量化地展示了微波辐射计在台风天气条件下对温度的探测精度相对比较高,且对水汽密度的观测质量有一定的可靠性和可用性,这一研究为今后将微波辐射计用于观测台风、锋面等强对流天气系统的大气温度湿度结构提供可靠性依据。     

RETRIEVING ATMOSPHERIC SOUNDING PROFILES AROUND TYPHOON YUNNA USING INFRARED HYPERSPECTRAL MEASUREMENTS AIRS

In this study,we derived atmospheric profiles of temperature,moisture,and ozone,along with surface emissivity,skin temperature,and surface pressure,from infrared-sounder radiances under clear sky (cloudless) condition.Clouds were detected objectively using the Atmospheric Infrared Sounder under a relatively low spatial resolution and cloud-mask information from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer under a high horizontal resolution;this detection was conducted using space matching.Newton’s nonlinear physical iterative solution technique is applied to the radiative transfer equation (RTE) to retrieve temperature profiles,relative humidity profiles,and surface variables simultaneously.This technique is carried out by using the results of an eigenvector regression retrieval as the background profile and using corresponding iterative forms for the weighting functions of temperature and water-vapor mixing ratio.The iterative forms are obtained by applying the variational principle to the RTE.We also compared the retrievals obtained with different types of observations.The results show that the retrieved atmospheric sounding profile has great superiority over other observations by accuracy and resolution.Retrieved profiles can be used to improve the initial conditions of numerical models and used in areas where conventional observations are sparse,such as plateaus,deserts,and seas.     

基于一维变分算法的地基微波辐射计遥感大气温湿廓线研究

为研究地基微波辐射计遥感温、湿度廓线的一维变分算法的反演能力,用北京地区2010—2011年00和12时(世界时)的多通道地基微波辐射计亮温资料进行试验。首先,利用同时次的地面观测资料、红外亮温(由地基微波辐射计自带红外传感器测得)及探空观测数据,给出提取无云样本的方案,得到432个无云样本;再以辐射传输模式计算得到的模拟亮温为参考,对无云条件下的观测亮温进行质量控制;然后利用探空数据进行模拟试验,结果发现,一维变分算法对3 km以下的温度廓线有较大调整。使反演结果更加接近探空,而对湿度廓线在0—10 km都有不同程度的优化;最后利用一维变分算法对地基微波辐射计观测亮温进行大气温湿廓线反演,将结果与探空对比可以看出,温度廓线的均方根误差小于2.9 K,绝对湿度的均方根误差小于0.47 g/m~3;进一步与地基微波辐射计自带神经网络的反演结果比较表明,一维变分的反演结果更接近实际大气。     

我国台风高发期东海和南海海区GIIRS/FY-4A温度反演廓线精度研究

基于欧洲中期天气预报中心再分析资料ERA5,对GIIRS/FY-4A温度反演廓线在我国台风高发期东海和南海海区的反演精度进行研究,结果表明:（1）东海海区,无云时GIIRS质量控制0的数据总体RMSE为1.71 K,150~450 hPa高度范围内RMSE小于1 K,450 hPa至近海面RMSE在2 K以内。质量控制1的数据反演精度低且随高度的增加误差增大;有云时,质量控制0和1的反演数据总体RMSE为4.72 K和5.55 K。（2）南海海区,无云时,质量控制0的数据总体RMSE为1.67 K,150~800 hPa范围内RMSE小于1 K,反演精度较东海海区略高。质量控制1的数据RMSE为5.07 K。有云时,质量控制0和1的数据RMSE为6.68 K和7.56 K。（3）随着台风“利奇马”等级加强直至最大等级（海上发展阶段）,GIIRS可信度较高的反演数据量呈现下降趋势,反演台风周边热力结构存在诸多不确定性,需要借助其他资料进行验证。      

云雷达和微波辐射计联合反演大气湿度廓线的初步研究

利用中国气象局大气探测试验基地的微波辐射计亮温值、对应的云雷达测得的反射率因子和L波段探空数据,采用BP(back propagation)神经网络作为反演工具,反演得到大气垂直湿度廓线。将天气情况分为晴天、低云、中云和高云四种情况,对比不加入反射率因子的反演湿度廓线,分析两种反演方法在各高度层的均方根误差。对比结果表明,加入反射率因子的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.862,均方根误差为14. 9%,而不添加反射率因子的相关系数平均值为0.763,均方根误差为19.2%。     

GNSS反演资料在GRAPES_Meso三维变分中的应用

为了进一步提高GRAPES_Meso的分析和预报效果,该文在GRAPES_Meso三维变分同化系统中建立了同化GNSS/RO反演的大气资料的观测算子,实现了对GNSS/RO反演的大气资料的同化应用,并通过2013年7月1个月的同化和预报试验分析了GNSS/RO反演大气资料对GRAPES_Meso模式系统分析和预报的影响。结果表明:增加了GNSS/RO反演大气资料的同化后,GRAPES_Meso位势高度场的分析误差明显减小,平均分析误差减小约8%,预报误差略有减小,平均预报误差减小约1%;湿度场的分析误差和预报误差变化不明显,常规观测资料稀少的青藏高原地区的降水预报技巧有所提高,小雨到大雨的ETS (equitable threat score) 评分提高约0.01,对全国及其他分区的降水预报技巧总体上有正效果。     

重庆不同天气条件下地基微波辐射计探测特征

利用2012年1月至2014年8月重庆沙坪坝站的微波辐射计和探空数据,通过数值模拟检验微波辐射计的亮温精度,并统计分析晴空、有云和降水天气条件下微波辐射计反演产品的变化特征。结果表明:(1)有云时微波辐射计氧气通道53.85、54.00 GHz亮温与探空观测温度相关性较好;晴空和有云时MonoRTM模拟亮温与微波辐射计观测亮温相关性较好。(2)不同天气条件下,微波辐射计反演温度与探空观测值的相关性都较高,降水时4.0 km以下微波辐射计反演温度明显偏高,有云和晴空时3.8 km以下的温度平均绝对误差小于2℃。微波辐射计反演的相对湿度与探空观测值的相关性较同高度层温度的相关性差,有云时1.0~2.6 km高度反演的相对湿度平均误差很小,降水时4.5 km以下平均误差也较小且稳定。降水时4.0 km以下微波辐射计反演的水汽密度平均误差明显偏大,有云时多数高度层平均误差较小。(3)4.2 km以下降水时08:00微波辐射计反演温度的平均误差较大,有云时08:00微波辐射计反演温度和水汽密度的平均误差均较小。说明微波辐射计反演的大气廓线具有可用性,且在稳定大气环境中反演效果更好。     

探空和飞机观测资料联合同化对台风“苏迪罗”（2015）数值模拟的影响研究

基于中尺度数值天气预报模式WRF和WRFDA三维变分同化系统,针对2015年台风“苏迪罗”二次登陆过程,利用NCEP ADP提供的无线电探空、飞机报观测资料,同时同化两种资料,并进行36 h模拟预报,从台风移动路径、强度、降水及模式初始场改进等方面分析了同化模拟效果。结果表明,同时同化两种资料能够有效改善台风移动路径、中心附近最低气压的模拟。对浙闽降水关键区24 h降水的TS评分结果表明,该同化方案对台风降水的预报评分有一定程度的改进,尤其是中雨和特大暴雨的改进最明显。对于模式初始场的温度、相对湿度、纬向风、经向风在各高度上的均方根误差,除湿度外均有不同程度的减小。并且同化对于台风结构的模拟也有所调整。      

登陆北上山东台风暴雨非对称分布的成因对比分析

应用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料,选取登陆北上山东地点相近但暴雨落区分别位于台风中心西北侧和东北侧的两个台风,分析暴雨落区相对台风中心非对称分布的成因。结果表明：台风进入中纬度以后,0421号台风“海马”位于高空深槽前,与西风槽相互作用,西风槽携带的冷空气从西北侧侵入台风环流,产生湿斜压锋区强迫抬升、冷暖空气交绥、水汽辐合等因素造成暴雨,暴雨趋于出现在台风中心的西北侧,为高比湿舌前方、较强水汽辐合区与相当位温密集区叠加的区域;而0509号台风“麦莎”与副热带高压相互作用,引起涡度及涡度平流的非对称改变,暴雨区与500 hPa正涡度区或正涡度平流相对应,暴雨趋于出现在台风中心的东北侧,为强正涡度平流区与水汽辐合叠加的区域。     

NUMERICAL SIMULATIONS OF THE PACIFIC MERIDIONAL MODE IMPACTS ON TROPICAL CYCLONES ACTIVITY OVER THE WESTERN NORTH PACIFIC

Based on analyses of the relationship between Pacific Meridional Mode (PMM) and number of tropical cyclones (TCs) activity over the western North Pacific, the impacts of the PMM on Tc activity over the western North Pacific are studied using numerical simulations with an Atmospheric General Circulation Model (CAM3) of National Center for Atmospheric Research (of USA). The result shows that the PMM has impacts on the large-scale generating environment of TCs, thus affecting their number and strength. The numerical simulations using the NCAR CAM3 indicate that with the inclusion of the forcing from sea surface temperature (SST) of the PMM, there appears a decreased magnitude of the vertical zonal wind shear, large proportion of relative humidity, anomalous westerly wind at low levels and anomalous easterly wind at high levels, in association with anomalous cyclonic circulation at low levels and anomalous anti-cyclonic circulation at high levels over the tropical western Pacific. Thus, the PMM provides favorable environment for the typhoon genesis. In the sensitivity experiment, TCs have larger strength, lower SST at the center, stronger tangential wind at 850 hPa and intensified warm cores at high levels. In this paper, the simulation results are similar to that in the data analyses, which reveals the important impact of the PMM on TC activity over the western North Pacific.     

邢台地区微波辐射计与无线电探空仪数据对比分析

利用2018年1月至2019年12月河北省中南部地区的微波辐射计和探空数据，将两种探测设备取得的资料在时间和空间上进行点对点匹配，共筛选出187条晴空廓线、1176条云天廓线和12条毛毛雨天廓线，定量分析了各个高度层的晴天、云天和毛毛雨天气条件下两种大气探测设备的温度、相对湿度和水汽密度廓线的相关性及误差情况。结果表明：3种天气条件下的微波辐射计与无线电探空仪温度和水汽密度的相关性整体较好，地基微波辐射计观测的大气参数分布存在不同程度的差异，但是微波辐射计和探空的变化趋势一致性较好，并且无线电探空仪观测的大气参数和微波辐射计反演的温度、相对湿度和水汽密度相关性整体上均呈现低层大气优于高层大气，温度相关性最好，水汽密度次之，相对湿度最低。通过对比各个高度层的拟合程度，发现3.5 km以下的低层大气参数精度更可靠，对于需要间接计算的大气物理量，如K指数、有效位能、积分水汽含量等，使用低层数据计算的大气物理量精度会更好。本文开展的地基微波辐射计反演的大气物理参数与探空仪观测对比研究工作，对提高微波辐射计在大气物理和人工影响天气的探测精度方面具有参考意义。     

登陆台风边界层风廓线特征的地基雷达观测

为了分析登陆台风边界层风廓线特征,利用2004—2013年中国东南沿海新一代多普勒天气雷达收集的17个登陆台风资料,采用飓风速度体积分析方法,反演登陆台风的边界层风场结构特征。与探空观测对比表明,利用雷达径向风场可以准确地反演登陆台风的边界层风场结构,其风速误差小于2 m/s,风向误差小于5°。所有登陆台风合成的边界层风廓线显示,在近地层(100 m)以上,边界层风廓线存在类似急流的最大切向风,其高度均在1 km以上,显著高于大西洋观测到的飓风边界层急流高度(低于1 km)。陆地边界层内低层入流强度也明显大于过去海上观测,这主要是由陆地上摩擦增大引起。越靠近台风中心,边界层风廓线离散度越大,其中,径向风廓线比全风速以及切向风廓线离散度更大。将风廓线相对台风移动方向分为4个象限,分析边界层风廓线非对称特征显示,台风移动前侧入流层明显高于移动后侧。最大切向风位于台风移动左后侧,而台风右后侧没有显著的急流特征,与过去理想模拟的海陆差异导致的台风非对称分布特征一致。     

One-Dimensional Variational Retrieval of Temperature and Humidity Profiles from the FY4A GIIRS

A physical retrieval approach based on the one-dimensional variational(1 D-Var) algorithm is applied in this paper to simultaneously retrieve atmospheric temperature and humidity profiles under both clear-sky and partly cloudy conditions from FY-4 A GIIRS(geostationary interferometric infrared sounder) observations. Radiosonde observations from upper-air stations in China and level-2 operational products from the Chinese National Satellite Meteorological Center(NSMC)during the periods from December 2019 to January 2020(winter) and from July 2020 to August 2020(summer) are used to validate the accuracies of the retrieved temperature and humidity profiles. Comparing the 1 D-Var-retrieved profiles to radiosonde data, the accuracy of the temperature retrievals at each vertical level of the troposphere is characterized by a root mean square error(RMSE) within 2 K, except for at the bottom level of the atmosphere under clear conditions. The RMSE increases slightly for the higher atmospheric layers, owing to the lack of temperature sounding channels there.Under partly cloudy conditions, the temperature at each vertical level can be obtained, while the level-2 operational products obtain values only at altitudes above the cloud top. In addition, the accuracy of the retrieved temperature profiles is greatly improved compared with the accuracies of the operational products. For the humidity retrievals, the mean RMSEs in the troposphere in winter and summer are both within 2 g kg^–1. Moreover, the retrievals performed better compared with the ERA5 reanalysis data between 800 h Pa and 300 h Pa both in summer and winter in terms of RMSE.     

适应数值模式垂直坐标的GPS掩星反演资料稀疏化方案

GPS掩星反演大气温湿资料具有高垂直分辨率、高精度、受云和降水影响小等优点,针对GRAPES同化预报系统,发展设计了一种既考虑预报模式高度-地形追随垂直坐标不均匀分层特点,又结合掩星反演资料特性的新适应性垂直稀疏化方案。通过个例试验和批量试验,探索了该适应性稀疏化方案对分析预报质量的影响。试验结果表明:选取合适的稀疏参数,新稀疏化方案的GPS掩星反演资料对背景场的调整更加有效,分析场质量更高;位势高度、比湿、温度和风场等预报场的均方根误差均更小;适应性稀疏化方案对改善台风路径预报具有积极作用。批量试验则进一步证实了适应性稀疏化方案对分析场质量有明显的改善作用。