Evaluation of All-Sky Assimilation of FY-3C/MWHS-2 on Mei-yuPrecipitation Forecasts over the Yangtze-Huaihe River Basin

正1School of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610025, China2International Center for Climate and Environment Sciences, Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China     

Improving the Analyses and Forecasts of a Tropical Squall Line Using Upper Tropospheric Infrared Satellite Observations

The advent of modern geostationary satellite infrared radiance observations has noticeably improved numerical weather forecasts and analyses.However,compared to midlatitude weather systems and tropical cyclones,research into using infrared radiance observations for numerically predicting and analyzing tropical mesoscale convective systems remain mostly fallow.Since tropical mesoscale convective systems play a crucial role in regional and global weather,this deficit should be addressed.This study is the first of its kind to examine the potential impacts of assimilating all-sky upper tropospheric infrared radiance observations on the prediction of a tropical squall line.Even though these all-sky infrared radiance observations are not directly affected by lower-tropospheric winds,the high-frequency assimilation of these all-sky infrared radiance observations improved the analyses of the tropical squall line’s outflow position.Aside from that,the assimilation of all-sky infrared radiance observations improved the analyses and prediction of the squall line’s cloud field.Finally,reducing the frequency of assimilating these all-sky infrared radiance observations weakened these improvements to the analyzed outflow position,as well as the analyses and predictions of cloud fields.     

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。      

Assimilation of FY-3D MWTS-Ⅱ Radiance with 3D Precipitation Detection and the Impacts on Typhoon Forecasts

Precipitation detection is an essential step in radiance assimilation because the uncertainties in precipitation would affect the radiative transfer calculation and observation errors. The traditional precipitation detection method for microwave only detects clouds and precipitation horizontally, without considering the three-dimensional distribution of clouds.Extending precipitation detection from 2D to 3D is expected to bring more useful information to the data assimilation without using the a...     

Impact of assimilating IASI radiance observations on forecasts of two tropical cyclones

The impact of assimilating Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) radiance observations on the analyses and forecasts of Hurricane Maria (2011) and Typhoon Megi (2010) is assessed using Weather Research and Forecasting Data Assimilation (WRFDA). A cloud-detection scheme (McNally and Watts 2003) was implemented in WRFDA for cloud contamination detection for radiances measured by high spectral resolution infrared sounders. For both Hurricane Maria and Typhoon Megi, IASI radiances with channels around 15-μm CO₂ band had consistent positive impact on the forecast skills for track, minimum sea level pressure, and maximum wind speed. For Typhoon Megi, the error reduction appeared to be more pronounced for track than for minimum sea level pressure and maximum wind. The sensitivity experiments with 6.7-μm H₂O band were also conducted. The 6.7-μm band also had some positive impact on the track and minimum sea level pressure. The improvement for maximum wind speed forecasts from the 6.7-μm band was evident, especially for the first 42 h. The 15-μm band consistently improved specific humidity forecast and we found improved temperature and horizontal wind forecast on most levels. Generally, assimilating the 6.7-μm band degraded forecasts, likely indicating the inefficiency of the current WRF model and/or data assimilation system for assimilating these channels. IASI radiance assimilation apparently improved depiction of dynamic and thermodynamic vortex structures.     

基于云依赖背景场误差协方差的雷达资料同化及对降雨预报影响研究

传统变分同化方法中使用各向同性和均质的背景场误差协方差,忽略了背景场误差协方差的天气系统依赖性,而在变分框架下引入集合流依赖的背景场误差协方差还需要额外的集合预报.为在变分同化中引入更合理的背景场误差协方差,通过引入云指数构建"云依赖"背景场误差协方差,提出了一种云依赖背景场误差协方差的同化方案,并应用于雷达等多源观测...     

有云环境下MODIS亮温资料的变分同化Ⅱ——对暴雨预报的影响

卫星资料提供了大量关于云和雨的观测信息,在暴雨预报中可发挥巨大的作用,然而在数值模式资料同化中的应用水平仍然不高,特别是红外辐射资料的应用。由于有云环境下辐射传输过程的模拟难度很大,因此通常只同化晴空环境下的红外辐射资料。基于GRAPES-3DVAR(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统),根据RTTOV辐射传输模式(fast radiative transfer model for TOVS,快速辐射传输模式)的特点,增加云水含量、云冰水含量和云量作为同化系统控制变量,在改进辐射传输模式对红外资料模拟的同时,利用红外资料调整初始云参数和大气参数。针对2007年5月26日南海季风爆发后广东地区的一次暴雨过程,选取MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨成像光谱仪)传感器水汽(第27)和云顶观测(第36)通道进行了同化试验,利用WRF(Weather Research and Forecasting Model,天气研究和预报模式)进行了数值模拟,结果表明同化MODIS资料,可以改进初始场水汽和温度分布,间接调整高空风场,调整趋势符合卫星观测,对短时降水预报有正面影响。     

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。      

雷达资料同化对2015年台风彩虹数值模拟改进

基于WRF中尺度模式,采用集合卡尔曼滤波方法同化中国岸基多普勒天气雷达径向速度资料,对2015年登陆台风彩虹（1522）进行数值试验。从台风强度、路径、结构等方面验证了同化效果,并对不同区域雷达观测资料的同化敏感性进行讨论。试验结果表明:在同化窗内同化分析场台风位置误差相比未同化平均减小15 km,最多时刻减小38 km,同化资料时次越多,确定性预报路径误差越小。同化雷达资料后较好地反映出台风彩虹（1522）近海加强过程,台风中心最低气压同化分析和预报误差相比未同化最大减小超过25 hPa,台风眼的尺度、眼墙处对流非对称结构相比未同化与观测更加接近。试验还表明:台风内核100 km范围内的雷达观测对同化效果影响最大,仅同化这部分资料（约占总量的20%）各方面效果与同化全部资料相近,而仅同化100 km以外资料效果明显不及同化所有资料。仅同化台风内核雷达观测资料可以在不影响同化效果的前提下,使集合同化计算机时减小为原来的1/3,该策略可为台风实际业务预报提供一定参考。     

雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值模式预报系统中的同化应用研究

以业务应用为目标,开展雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值预报系统中的同化应用研究。采用雷达反射率间接同化方法同化北方雷达反射率拼图观测资料,重点关注其对降水、湿度、温度及风的预报能力影响。首先,基于2017年8月雷达拼图观测资料批量同化和对比试验,对雷达拼图资料同化应用效果进行定量评估,结果表明雷达拼图资料同化虽然加大了地面风场预报误差,但在降水预报和湿度、温度预报等方面有明显的改善作用。其次,选择在业务中预报难度较大的强降水个例开展分析研究,分析表明:（1）同化雷达拼图观测资料有效提高了模式降水预报性能,临近降水发生的循环起报时次预报效果更好;（2）对于短时间多次强降水过程发生的预报,循环同化雷达拼图资料可及时弥补模式中由于前次降水导致的水汽、能量等消耗及热/动力条件削弱,持续支持降水系统发展。最后,通过考察雷达反射率的不同同化方案,发现同化反演水凝物或者估计水汽均能改善模式降水预报性能,但是同化估计水汽对降水预报性能的改善更为明显,联合使用两方案能同时对水凝物分布、热力场等进行调整,可提高模式降水预报性能。      

集合卡尔曼滤波同化多普勒雷达资料的数值试验

利用集合卡尔曼滤波(EnKF)在云数值模式中同化模拟多普勒雷达资料,并考察了不同条件下EnKF同化方法的性能.结果显示,经过几个同化周期后,EnKF分析结果非常接近真值.单多普勒雷达资料EnKF同化对雷达位置不太敏感,双雷达资料同化结果在同化的初期阶段比单雷达资料同化结果准确.同化由反射率导出的雨水比直接同化反射率资料更有效,联合同化径向速度和雨水有利于提高同化分析效果.协方差对EnKF同化效果起着非常重要的作用,考虑模式全部预报变量与径向速度协方差的同化效果比仅考虑速度场与径向速度协方差的同化效果好.雷达资料缺值降低了同化效果,此时增加地面常规观测资料的同化可以明显提高同化分析效果.EnKF同化技术对雷达观测资料误差不太敏感.初始集合对同化分析有较大影响.EnKF同化受集合大小和观测资料影响半径.同化对模式误差较敏感.利用EnKF同化双多普勒雷达资料,分析了一次梅雨锋暴雨过程的中尺度结构.结果表明,EnKF同化技术能够从双多普勒雷达资料反演暴雨中尺度系统的动力场、热力场和微物理场,反演的风场是较准确的,反演的热力场和微物理场分布也是基本合理的.中低层切变线是此次暴雨的主要动力特征,对流云表现为低层辐合、高层辐散并有垂直上升运动伴随,其热力特征表现为低层是低压区,高层为高压区,中部为暖区而上、下部为冷区,水汽、云水和雨水分别集中在对流云体内、上升气流区和强回波区.     

AMSU-A全空辐射率资料同化对台风“天鸽”的预报影响研究

利用美国NCEP(National Centers for Environmental Prediction)发展的GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)同化系统和GSM(Global Spectral Model)全球频谱预报模式作为循环同化系统,选用2017年第13号台风为研究个例,采用全空和晴空两种同化方案对AMSU-A(The Advanced Microwave Sounding Unit-A)辐射率观测开展同化对比试验,并对台风"天鸽"个例进行5 d预报,研究AMSU-A全空辐射率同化对台风天鸽发展过程预报的影响。结果表明,全空同化方案相比晴空同化方案预报的台风路径、台风中心气压以及台风最大风速预报误差更小;全空同化方案对台风"天鸽"生命周期的模拟更加准确,更接近中国气象局发布的台风天鸽最佳路径的最低气压,而晴空同化方案预报的台风发展较弱,无法预报出成熟期的台风强度;全空同化方案能够增加低层通道海上厚云覆盖区域辐射率资料同化量,增幅占AMSUA同化观测总量10%,从而改进海洋区域天气系统的热力场结构。     

雷达资料同化对2016年6月23日阜宁龙卷模拟的改进

基于GSI（Community Gridpoint Statistical Interpolation）同化系统和WRF（Weather Research and Forecasting）模式,探讨了多部多普勒雷达的反射率因子和径向速度资料同化对2016年6月23日江苏阜宁龙卷模拟的改进效果和影响过程。结果表明:（1）仅同化雷达反射率因子和仅同化径向速度均能在一定程度上改进模式对阜宁龙卷及其环境场的模拟,且雷达径向速度同化的改进作用更大;同时同化两种资料改进效果最佳。（2）雷达反射率因子同化是利用复杂云分析技术,直接修正了水凝物含量,增加了潜热释放,对低层大气热力场进行了正温度扰动调整,从而主要改进了初始场的水汽条件和热力条件;而雷达径向速度同化通过三维变分技术直接修正了风场,进而引起水汽输送变化影响水凝物的调整和大气热力场的变化,对初始场的动力条件和热力条件修正较大;同时同化两种资料修正了初始场的动力和热力结构,保证了两者物理上的协调,综合了两者的改进作用,从而取得最佳模拟效果。（3）同时同化雷达反射率因子和径向速度后,模式在阜宁附近模拟出了明显的涡旋结构,尽管涡旋强度和龙卷结构与实况仍有一定差距,但涡旋发生发展过程、路径、地面小时极大风和降水等模拟与实况吻合度均明显高于对照试验。      

Parameterized Forward Operators for Simulation and Assimilation of Polarimetric Radar Data with Numerical Weather Predictions

Many weather radar networks in the world have now provided polarimetric radar data(PRD)that have the potential to improve our understanding of cloud and precipitation microphysics,and numerical weather prediction(NWP).To realize this potential,an accurate and efficient set of polarimetric observation operators are needed to simulate and assimilate the PRD with an NWP model for an accurate analysis of the model state variables.For this purpose,a set of parameterized observation operators are developed to simulate and assimilate polarimetric radar data from NWP model-predicted hydrometeor mixing ratios and number concentrations of rain,snow,hail,and graupel.The polarimetric radar variables are calculated based on the T-matrix calculation of wave scattering and integrations of the scattering weighted by the particle size distribution.The calculated polarimetric variables are then fitted to simple functions of water content and volumeweighted mean diameter of the hydrometeor particle size distribution.The parameterized PRD operators are applied to an ideal case and a real case predicted by the Weather Research and Forecasting(WRF)model to have simulated PRD,which are compared with existing operators and real observations to show their validity and applicability.The new PRD operators use less than one percent of the computing time of the old operators to complete the same simulations,making it efficient in PRD simulation and assimilation usage.     

The Regularized WSM6 Microphysical Scheme and Its Validation in WRF 4D-Var

A cold cloud assimilation scheme was developed that fully considers the water substances, i.e., water vapor, cloud water, rain, ice, snow, and graupel, based on the single-moment WSM6 microphysical scheme and four-dimensional variational(4D-Var) data assimilation in the Weather Research and Forecasting data assimilation(WRFDA) system. The verification of the regularized WSM6 and its tangent linearity model(TLM) and adjoint mode model(ADM) was proven successful. Two groups of single observation a...     

多普勒雷达资料同化对北京“7.21”大暴雨过程模拟的影响

利用新一代中尺度预报模式WRFV3.6及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),对2012年7月21日北京地区的一次暴雨过程进行多普勒天气雷达径向风和反射率的同化试验研究,检验和探讨高时空分辨率多普勒天气雷达资料在改进模式初始场及提高对暴雨过程预报的准确率等方面的应用效果及意义。结果发现雷达资料同化能在初始场中加入反映产生降水的低层风场辐合的动力和锋前暖区充足的水汽条件的物理信息,可以在模式积分开始后改善初始场中水汽和风的分布,较快地模拟出局地对流系统的发生、发展,改善由于中尺度观测资料不足而造成的模式初始场里中尺度信息缺乏的问题。径向速度的同化增加了中尺度信息,对初始流场的调整较为显著,侧重于改进风场。而雷达反射率资料的同化对初始温、湿度场和强回波位置的调整更明显,侧重于改进湿度场。累计降水的预报结果显示,同化径向风资料对雨带的位置、范围有较好的改进,同化雷达反射率资料对暴雨强度的预报有明显的改善。通过降水ETS评分发现,同化常规观测试验相对于控制实验,对于5、15 mm和25 mm降水评分能增加0.1左右,径向风同化试验能增加0.2左右,反射率同化试验能增加0.3左右,而径向风加反射率试验增加的评分介于0.2～0.3。雷达资料对于提高定量降水预报的精确度有着重要作用。     

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。      

Variational assimilation of satellite cloud water/ice path and microphysics scheme sensitivity to the assimilation of a rainfall case

Hydrometeor variables (cloud water and cloud ice mixing ratios) are added into the WRF three-dimensional variational assimilation system as additional control variables to directly analyze hydrometeors by assimilating cloud observations. In addition, the background error covariance matrix of hydrometeors is modeled through a control variable transform, and its characteristics discussed in detail. A suite of experiments using four microphysics schemes (LIN, SBU-YLIN, WDM6 and WSM6) are performed with and without assimilating satellite cloud liquid/ice water path. We find analysis of hydrometeors with cloud assimilation to be significantly improved, and the increment and distribution of hydrometeors are consistent with the characteristics of background error covariance. Diagnostic results suggest that the forecast with cloud assimilation represents a significant improvement, especially the ability to forecast precipitation in the first seven hours. It is also found that the largest improvement occurs in the experiment using the WDM6 scheme, since the assimilated cloud information can sustain for longer in this scheme. The least improvement, meanwhile, appears in the experiment using the SBU-YLIN scheme.     

多普勒雷达资料同化在“7.21”北京特大暴雨个例中的应用

基于WRF(Weather Research Forecast)模式和GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)同化系统,研究了同化4部多普勒雷达探测资料对"7.21"北京特大暴雨过程中降水预报的改善作用。GSI系统直接同化径向风,而采用云分析的方式间接同化反射率。2012年7月20日21时—21日00时(世界时)雷达探测资料同化试验采用30 min循环同化径向风和反射率资料。结果表明,循环同化雷达探测资料改善了短时(0—6 h)和短期(0—24 h)降水预报,ETS评分提高了约0.2。同化反射率资料增加了初始场的水凝物,改善了温度场分布,直接影响了降水的形成,同时还使650—250 hPa位势高度的均方根误差平均降低了8 gpm。直接同化径向风资料对中尺度风场产生了一定影响。ETS评分结果表明:同化反射率资料的效果要优于同化径向风。     

华中区域LRUC系统的构建与试验

如何将区域观测资料在中尺度模式中快速有效同化是提高区域精细化数值预报准确率和时效性的关键所在。本文简单介绍了基于LAPS和WRF建立的快速循环同化预报系统LRUC,以一次影响长江中游的典型梅雨锋暴雨过程为例,设计几种试验方案,结合实况降水分布,对比分析华中区域多普勒雷达资料循环同化对改善暴雨预报的作用;根据个例试验结果,设计批量后报试验方案,对比分析雷达资料同化对华中区域2007年主汛期(6—8月)多个时效降水预报评分。暴雨个例试验结果表明,华中区域多普勒雷达资料在LAPS中的同化,能为WRF提供更优初值场;同化华中区域地面资料和雷达资料后,比仅同化地面资料更能改进模式初值,改善模式降水预报,且降雨量级越大,24 h降水预报TS评分越高。批量后报试验结果表明,建立的快速循环同化预报系统LRUC,能对区域多源观测资料进行多时次循环同化分析,为模式初值增加观测资料的时间演变信息,提高模式对暴雨量级降水的预报水平;系统具有稳定性和一定的评分水平。