卫星资料的非线性反演同化与一次强降水预报试验

利用地球同步气象卫星红外资料,通过优选BP人工神经网络和最优拟合回归这两种非线性方法,建立了反演宁夏大气相对湿度场的数学模型。反演湿度场经过变分同化与质量控制后,代入中尺度数值预报模式MM5,对一次突发性强降水过程进行了预报试验。结果表明,使用该资料后,数值预报模式对这次突发强降水过程的预报能力明显提高,模式输出产品具有预报指示意义,spin-up问题得到了一定程度的改进。     

ATOVS辐射率资料的直接变分同化试验研究

文中采用增量三维变分 ( 3D Var)同化方法 ,对先进的微波探测装置 (AMSU A)探测的辐射亮温资料与常规探空资料在MM5中尺度数值预报模式中的直接同化和预报进行对比试验研究。结果表明 ,同化AMSU A辐射亮温资料对中高层温度分析场的影响最明显 ,对MM5模式的温度和水汽混合比预报有总体上的正效应 ,但对降水预报的改善作用不大     

数值预报/卫星反演/数据同化循环试验

文中介绍了数值预报／卫星反演／数据同化的循环试验。由于湿度反演方法的改进，使得湿度反演产品的精度有所提高，所以首先进行了湿度廓线参与同化过程的试验。结果表明，反演的水汽产品对台风中心强度有正影响，经过４次同化过程２４ｈ预报模拟的台风加深与实况比较一致。４８ｈ预报台风中心减弱趋势在低层显得不足，但比业务预报有明显改进。２４与４８ｈ预报的总降水量和暴雨中心强度比未加入反演水汽产品的预报有明显增加，且接近实况。     

卫星资料反演湿度场改变模式初值对降水预报的影响

为探讨初始场资料在数值预报中的重要性，用高分辨率卫星T_BB资料反演的云内湿度场来改进模式初值，初步研究分析了改进的模式初值对降水预报的影响。以湿绝热过程的变态方程为积分方程，由卫星T_BB资料反演出大气中各等压面层湿度场。通过对比分析反演的湿度场与客观分析 (T106) 的水汽场，发现两者有较大区别，前者更加合理地反映出降水区域高空湿度场的分布。利用中尺度模式MM5将有限区域的常规探空资料和非常规资料进行同化，并对暴雨个例进行预报对比试验。不同初值的对比试验表明，在模式的初始场中引入卫星资料反演的湿度场后，明显地改善了模式降水预报的强度和落区，比仅使用常规探空资料更接近于实况。     

云导风资料同化在伴随模式同化系统中的应用

以一次发生在长江流域的暴雨过程为例,设计了几种数值试验方案,并进行模拟。结果表明,MM5伴随模式同化系统能有效改善初始场与模式的协调能力,提高模式对于降水场和其它要素场的预报;使用云导风资料修正初始场后直接模拟的效果比未使用时直接模拟的效果要好,对部分区域的强降水预报精度有一定程度的改善;使用伴随模式同化系统后,加入云导风资料的同化试验对其它要素的改善与直接同化常规资料的效果相比,改善优势不明显,但从各要素的误差来看,对于风场的改善最好。     

提为反问题的数值预报方法与试验 I. 三类反问题及数值解法

提为初值问题的数值预报在通过改进数值模式、观测手段及分析方法而改进预报的同时,仍然面临着两大困难,即模式误差和初值不完整。然而我们有大量的气候演变的历史观测资料,其中蕴含着关于气候系统的信息。本文针对这两个困难,系统地提出充分利用历史资料反演订正模式和初值进而改进数值预报的三类反问题,并给出数值解法。最后将三类反问题应用于一个简单模式进行反演预报的数值试验,其数值试验结果将在本文的第二部分给出。     

多普勒雷达风廓线的反演及变分同化试验

为了将雷达风场资料更好地应用到数值预报模式中, 使用VAD方法反演多普勒雷达风廓线并处理成标准的探空资料进行变分同化试验。结果表明: VAD方法反演的风廓线与探空实况对应较好, 验证了用VAD技术反演风廓线的可行性。用GRAPES-Meso模式的三维变分同化系统对雷达风廓线资料进行同化后, 风场的初始场明显改善, 降水强度和落区预报也有不同程度的改善。其中, 对6 h降水预报的改善明显优于对24 h的预报改善。另外, 在短时强降水预报中, 雷达风场资料的同化频率和同化窗口的不同, 对降水预报的改善情况也有所差异。在个例研究中, 同化间隔为1 h的方案6 h降水预报要优于同化间隔为3 h和6 h的方案, 同化窗口为3 h的试验方案6 h降水预报要好于同化窗口为6 h的试验方案。     

北京地区中尺度非静力数值预报产品释用技术研究

在国家气象中心与北京市气象局联合开发的“北京地区中尺度数值预报业务系统”基础上，充分利用高分辨率中尺度数值预报产品和地面加密气象观测资料，分别使用统计和动力释用方法进行局地温度、风和北京市区空气污染状况的预报。试预报结果表明，用卡尔曼滤波方法建立的温度和风的预报效果高于中尺度数值预报直接输出结果；使用中尺度数值预报结果作为一个简单的污染预报动力模式的气象背景场，进行了污染预报试验，结果表明该预报方法具有一定的预报能力，其中SO₂、NO₂、CO浓度的预报准确率在夏、秋、冬三季中均可达到65%以上。上述研究成果已用于业务预报。     

中期“MOS”预报方法初探

目前中期数值预报资料不断增多,数值预报传真图在中期预报中发挥着越来越大的作用。为利用现有数值预报成果,我们采用日本96小时500mb数值预报传真图的高度场与我省春季(4—5月)降雨、大风、降温建立“MOS”方程,制作中期预报。经过试验和1984年使用证明,具有较好的预报能力。     

一种新的TOVS大气湿度反演方法及试验

利用国家气象中心的数值天气预报（NWP）6 h预报场。作为同步物理反演模式初估场，由气象卫星垂直探测（TOVS）资料推导出大气湿度，并给出了试验结果。结果表明，TOVS湿度反演的相对误差（RMS）约为20%。其中，夏季反演结果略优于冬季，而且低层（1000 hPa）和高层（500 hPa以上）与初估场相比有较大的改进，中层（850，700 hPa）二者大致相当。与统计回归反演结果相比其精度约提高10%。该研究为在我国建立“卫星反演/数据同化/数值预报”相互影响的循环系统奠定了基础     

AN ERROR ANALYSIS ON THE SIMULATED DATA OF TOVS HIRS BY RTTOV5 MODEL*

The sounding data of meteorological satellites provide not only the real time weather information about the distribution of both cloud and rainfall,but also some others about the movement and state of atmosphere.They are important variables and parameters for NWP model used to simulate and predict atmospheric state.In order to introduce remote sensing information from satellites into NWP model,there is an efficient way of establishing an RT model by use of the atmosphere radiation sounding data of meteorological satellites to get the variables and parameters valuable to NWP model.In this paper,we set up profiles of air temperature and water vapor from the surface to upper (0.1 hPa) using the radiosounding data and the surface data from May to August 1998 atmosphere East Asia.A TOVS RT model (RTTOV5) is provided to compute the value of radiation value of HIRS channels in NOAA14.Then the radiation values of 19 HIRS channels are gotten.After matching these data computed by the RT model and the corresponding values coming from satellite sounding in time,the statistic distribution of bias between tile model output and the satellite sounding at each sounding channel can be gotten.At the same time.the distribution of RMS to every TOVS HIRS channel,the standard biases to different scanning angle to each channel are also obtained.     

AN ERROR ANALYSIS ON THE SIMULATED DATA OF TOVS HIRS BY RTTOV5 MODEL

The sounding data of meteorological satellites provide not only the real time weatherinformation about the distribution of both cloud and rainfall,but also some others about themovement and state of atmosphere.They are important variables and parameters for NWP modelused to simulate and predict atmospheric state.In order to introduce remote sensing informationfrom satellites into NWP model,there is an efficient way of establishing an RT model by use of theatmosphere radiation sounding data of meteorological satellites to get the variables and parametersvaluable to NWP model.In this paper,we set up profiles of air temperature and water vapor fromthe surface to upper (0.1 hPa) using the radiosounding data and the surface data from May toAugust 1998 atmosphere East Asia.A TOVS RT model (RTTOV5) is provided to compute thevalue of radiation value of HIRS channels in NOAA14.Then the radiation values of 19 HIRSchannels are gotten.After matching these data computed by the RT model and the correspondingvalues coming from satellite sounding in time,the statistic distribution of bias between tile modeloutput and the satellite sounding at each sounding channel can be gotten.At the same time.thedistribution of RMS to every TOVS HIRS channel,the standard biases to different scanning angleto each channel are also obtained.     

基于DVB-S数据共享平台的NOAA/ATOVS资料获取、处理与显示系统

充分利用国家科技部大力推行的DVB-S共享数据平台,加强气象卫星遥感数据的广泛应用,特别是发挥卫星垂直探测器(ATOVS)资料在我国数值天气预报以及监测重大灾害性天气系统中的作用。该文介绍了基于DVB-S系统的NOAA/ATOVS资料的处理、分析与显示系统的概况及主要功能,并以2005年7月人们关注的台风“海棠”为个例,展示了利用该系统在监测和分析台风或强对流天气时的独特优势。该系统的建立,将解决省、地气象部门不能实时获取ATOVS资料的问题,并将推动ATOVS资料在气象以及相关部门的实际应用。     

基于DVB-S数据共享平台的NOAA/ATOVS资料获取、处理与显示系统

充分利用国家科技部大力推行的DVB-S共享数据平台, 加强气象卫星遥感数据的广泛应用, 特别是发挥卫星垂直探测器 (ATOVS) 资料在我国数值天气预报以及监测重大灾害性天气系统中的作用。该文介绍了基于DVB-S系统的NOAA/ATOVS资料的处理、分析与显示系统的概况及主要功能, 并以2005年7月人们关注的台风“海棠”为个例, 展示了利用该系统在监测和分析台风或强对流天气时的独特优势。该系统的建立, 将解决省、地气象部门不能实时获取ATOVS资料的问题, 并将推动ATOVS资料在气象以及相关部门的实际应用。     

云参数对RTTOV5模式模拟误差的影响分析

该文根据1998年8月的业务TOVS反演的温度、水汽垂直廓线资料以及其它资料, 利用RTTOV5模式模拟NOAA14极轨气象卫星上相应红外探测 (HIRS) 通道的辐射亮温值, 将模拟值对比实测TOVS探测资料, 结果表明, 晴空模式模拟亮温与实测值的误差小于部分有云时的误差, 模拟误差受云的影响呈反相变化, 对水汽敏感的中低层探测通道在晴空时的误差小于部分有云情况; 通过对比白天和夜间短波窗区探测通道模拟误差, 分析了其受地面反射太阳光辐射的影响的大小及其原因所在; 并利用RTTOV5的伴随模式和Jacobine模式分析了模式模拟误差对初始场云参数的敏感性。该研究为TOVS/ATOVS探测资料在3DR或4DR变分同化中的直接应用奠定了基础。     

数据同化/卫星反演/数值预报相互循环作用系统

介绍数据同化／卫星反演／数值预报相互作用的一种方案，将原来相互独立进行的操作组成为相互作用的循环系统。国家卫星气象中心（ＮＳＭＣ）和国家气象中心（ＮＭＣ）联合开发这个项目，其目的是改善我国卫星探测反演及其在业务数值预报中应用的情况。该文首先介绍相互作用循环流物基本原理，以及的分析／预报模式和卫星反演的方案，然后给出国家卫星气象中心和国家气象中心联合试验的阶段性成果。研究试验表明，相互循环作用方案有     

卫星气象的发展——机遇与挑战

气象卫星和卫星气象发展到今天,正处于一个承上启下,继往开来的关键时期。本文从国内外气象卫星的发展,气象卫星对大气科学的作用和影响这两大方面讨论了它们在不同发展阶段所取得的进展、成就和特点,以及未来的发展趋势和面临的科学、技术问题。在此基础上,提出了卫星气象为适应良好的发展机遇所面临的挑战,它们是：绝对辐射定标和真实性检验、发展快速精确的辐射传输模式、全球模式中同化卫星遥感的水汽和云等资料、在区域模式中同化卫星遥感的高分辨率资料和发展先进的反演算法。     

Review and Development on the Studies of Chinese Meteorological Satellite and Satellite Meteorology

Meteorological satellite and satellite meteorology are the fastest developing new branches in the atmospheric sciences. Today the meteorological satellite has become a key element in the global atmospheric sounding system while the satellite meteorology is covering the main components of earth's system science. This article describes the major achievements that China has made in these fields in the past 30 years. The following contents are involved: (1) History and present status of China's meteorological satellites. It covers the development, launch, operation, technical parameters of China's polar and geostationary meteorological satellites. (2) Major achievements on remote sensing principle and method. It describes the retrieval of atmospheric temperature and humidity profiles, cloud character retrieval, aerosol character retrieval, precipitation retrieval as well as the generation of cloud wind. (3) Achievement on the studies of meteorological satellite data application. This part covers the applications of meteorological satellite data to weather analysis and forecast, numerical forecast, climate monitoring, and prediction of short-term climate change. Besides, the new results on data assimilation, climate monitoring, and forecast are also included.     

气象卫星资料同化的科学问题与前景

从数值天气预报资料同化的角度,分析了气象卫星观测与常规气象观测的不同特点形成了卫星资料同化的特殊科学问题.由于各类星载遥感仪器所观测到的是一定波长的电磁辐射,不能像传统的直接观测资料一样被预报模式直接应用.又由于卫星观测对象是整个大气层,而不是特定高度的大气,因此确定卫星观测影响的高度和它的潜在垂直分辨率成为一个关键问题.卫星观测还可能存在着系统性的偏差,这与直接观测的误差互相独立也有很大区别.资料同化通常建立在模式预报(即背景信息)与观测量的比较的基础上,为了实现同化,需要将模式的基本大气变量转换成星载仪器所获得的特定波长的电磁波特征量,或者将观测到的电磁辐射特征量反算成大气的特征量.前者需要引入复杂的观测算子,后者则将复杂的反演过程交给了前处理阶段.这就形成了直接与间接同化卫星资料的两种不同策略,策略的选择取决于同化系统处理复杂观测资料的能力,对同化效果有决定性的影响.逐个分析了目前用于数值预报的5种卫星观测资料,即星载大气垂直探测器资料、大气运动矢量资料、散射仪海面风资料、卫星观测的云与降水信息资料与GPS掩星观测资料的同化的进展与有待解决的主要问题,概述了中国近年在大气垂直探测器等卫星资料同化中的研究进展及其业务应用的效果,并提出了今后需要予以特别关注的研究方向.     

Estimating the Retrievability of Temperature Profiles from Satellite Infrared Measurements

A method is developed to assess retrievability, namely the retrieval potential for atmospheric temperature profiles, from satellite infrared measurements in clear-sky conditions. This technique is based upon generalized linear inverse theory and empirical orthogonal function analysis. Utilizing the NCEP global temperature reanalysis data in January and July from 1999 to 2003, the retrievabilities obtained with the Atmospheric Infrared Sounder （AIRS） and the High Resolution Infrared Radiation Sounder/3 （HIRS/3） sounding channel data are derived respectively for each standard pressure level on a global scale. As an incidental result of this study, the optimum truncation number in the method of generalized linear inverse is deduced too. The results show that the retrievabilities of temperature obtained with the two datasets are similar in spatial distribution and seasonal change characteristics. As for the vertical distribution, the retrievabilities are low in the upper and lower atmosphere, and high between 400 hPa and 850 hPa. For the geographical distribution, the retrievabilities are low in the low-latitude oceanic regions and in some regions in Antarctica, and relatively high in mid-high latitudes and continental regions. Compared with the HIRS/3 data, the retrievability obtained with the AIRS data can be improved by an amount between 0.15 and 0.40.