AMSU微波探测资料同化的质量控制方法概述

微波相比红外、可见光等卫星探测方式有能够穿透薄云的优点,同化微波探测资料能明显改进数值预报模式初始场。由于观测算子在云、降水粒子及性质复杂下垫面等因素影响下模拟辐射传输过程不准确,以及资料的观测误差较大等原因,实际同化应用时必须对微波探测资料加以认真筛选。为充分发挥探测资料作用并保证同化分析效果,在同化AMSU微波探测的研究中,很多机构和学者建立了散射指数、降水检测等质量控制方法,用来剔除观测算子不能准确模拟的观测。研究表明,资料同化过程中引入质量控制能起到改善同化效果,提高数值天气预报准确率的作用。但是,对于各种质量控制方法的原理和使用条件目前尚无完整的分析,使得各业务研究单位使用的质量控制方案差别较大。文章针对AMSU微波探测资料同化,在分析同化误差来源的基础上,总结了散射指数、降水概率、下垫面类型检测等质量控制方法,并简单讨论了质量控制的发展方向。     

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     

中国数值天气预报的自主创新发展

数值天气预报是天气预报业务和防灾、减灾的核心科技。中国数值天气预报研究和业务应用一直受到高度重视,在理论、方法和数值模式研究方面取得了有广泛国际影响的研究成果。在回顾新中国数值天气预报自主创新研究成果的基础上,重点对GRAPES（Global Regional Assimilation and PrEdiction System）半隐式半拉格朗日格点模式与物理过程的研发和业务应用的状况以及所取得的重要科学进展进行了综述。近年来,通过自主研发建立了中国数值天气预报业务体系—GRAPES体系。首次以自主技术实现了从区域3—10 km到全球25—50 km分辨率的确定性预报和集合预报系统,并在模式动力框架、四维变分同化和卫星资料同化技术等方面有所突破,建立了大气化学数值天气预报、台风数值预报和海浪预报等系统。自主研发的数值天气预报体系的建立是长期坚持既定科学技术方向以及研究和业务紧密结合、经验不断积累的结果,是中国自主发展数值天气预报技术的重要起点。      

在数值预报中应用卫星反演资料的质量控制研究

资料变分同化作为提高数值预报准确率的有效手段之一，受到了越来越多的关注。如何将分辨率较高的卫星资料应用到数值预报中，弥补常规观测网时空分辨率的不足，成为数值天气预报的重要课题。以1996年6月28-29日发生在江淮流域的暴雨过程为例，依据其中尺度场和能量场特征，分别以低云量、急流、湿静力能为标准设计了三套质量控制方案。将质量控制后的反演湿度场变分同化并应用到中尺度MM5模式中，结果表明：经质量控制后，可以明显地改善降水区域及降水量的预报；对降水预报，特别是强降水天气过程的预报，该质量控制方案具有普遍意义。     

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.     

基于模式约束三维变分技术的连续循环同化试验研究

由于模式约束三维变分同化技术中考虑了模式的动力和物理过程,因此能保证各物理量间的平衡关系,从而滤除由于观测资料引入导致的高频波动,减小模式与初始场的协调时间.由于能在较短时间调整到稳定状态,采用模式约束三维变分同化进行连续循环同化可用较少的计算量达到同化多时次的多种观测资料的目的.该研究利用模式约束三维变分技术,针对2006年"桑美"台风个例,进行了连续循环同化卫星云导风、QuikSCAT海面风、Bogus海平面气压的试验.在台风数值预报中往往需要使用经验构造的台风信息(如Bogus海平面气压,Bogus风场等),该研究采用了模式约束三维变分同化技术同化Bogus海平面气压.由于模式约束三维变分同化技术充分考虑了各物理量间的约束,因此通过同化Bogus海平面气压也调整了初始场中相应的高度场、温度场、风场等变量,使得初始场中的台风涡旋具有较强的协调性,提高了对台风的模拟能力.采用AVN模式6小时间隔的分析场作为侧边界,2006年8月8日20时的分析场作为初估场,文中对8月8日20时到9日05时"桑美"台风的观测资料进行了连续循环同化.采用连续循环同化后台风路径的模拟精度得到了显著提高,对台风降水结构等的模拟也得到了改善.     

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.     

新疆气象业务同化系统研发进展

概述了新疆气象局数值天气预报业务同化系统近年围绕资料同化开展的技术开发与针对新疆强降水天气过程所开展的多源资料同化应用试验和评估。确信FY2E云导风、FY4A温湿廓线和云导风、区域雷达资料的同化，以及晴空下高频段的AMSU-A-NOAA-N18、AMSU-A-NOAA-19、METOP-A、ATMS_SNPP资料的同化对业务模式预报均有正贡献。针对在业务中如何提高资料应用率以及当前发现但并未解决的物理不合理性问题，指出了新疆气象局数值预报业务系统维护应有的常态化工作，以及业务技术开发和短临预报系统建设所缺少的其它科技支撑等。提出的以资料同化为支点的科技研发方向，。本综述为对提高发展新疆区域数值模式预报研发和应用适合于本地化的业务同化系统具有一定的参考意义。     

AMDAR资料在北京数值预报系统中的同化应用

该文针对北京市气象局业务快速更新循环同化预报系统(BJ-RUC),通过对有无飞机观测资料参加同化的预报试验客观要素预报均方根误差和降水量TS评分的对比分析,探讨了飞机观测资料对短期数值天气预报的影响。结果表明:飞机观测资料的同化对于前9 h预报时效内的高空风和温度预报有明显的正面影响。其中,对风预报的正面影响集中在925~250 hPa高度上;而对温度预报的正面影响主要体现在850~400 hPa之间的各层内。在快速更新循环的暖启动模式下,飞机观测资料同化比冷启动模式下带给预报结果更明显的正面贡献。飞机观测资料参加同化对于降水预报技巧的提高也有正面效应,对24 h和12 h累积降水量TS评分以及12~18 h和18~24 h时段内的6 h累积降水TS评分有明显提高,提高的最大幅度达50%,并对相应阈值和时段内无飞机观测资料参加同化的试验中雨区偏大现象有改善。分析增量分布特征与同化带来的风温要素3 h预报改进的垂直特征基本对应,表明飞机观测资料参加同化对初始场中风场和温度场质量的改进。     

往返式探空观测资料的质量控制及不确定性分析

为了推动新型探测资料在数值预报模式中的应用,本文进行了往返式探空资料同化应用前重要的基础性研究工作。基于国内首次往返式探空观测资料,首先建立了面向业务化应用的往返式探空资料质量控制方案,通过对比和分析质量控制前后观测样本的统计特征,论证了质量控制方案的合理性,质量控制后探测要素抽样分布更为合理,要素间一致性得到提高。进而以数值天气预报高时间分辨率的模式预报场和同站址业务常规探空观测资料为参考,分析质量控制后资料的不确定性,结果表明往返探空探测精度达到了世界气象组织WMO（World Meteorological Center）规定的突破目标,部分探测要素甚至实现了理想目标,探测资料具有可用性。最后结合数值模式背景场探讨往返探空资料的可同化性,研究表明往返探空的风场观测和夜间温度观测满足变分同化系统的高斯、无偏假定,可直接同化;气压、湿度和日间温度观测在资料同化前需要开展偏差订正工作,从而更有效的发挥资料价值。本文的研究工作为今后往返探空资料在模式中的同化应用奠定了基础。     

Characteristics of Fengyun-4A Satellite Atmospheric Motion Vectors and Their Impacts on Data Assimilation

The high observation efficiency, scanning speed and observation frequency of the Fengyun-4A (FY-4A) satellite indicates the progress of Chinese geostationary meteorological satellites. The characteristics of FY-4A atmospheric motion vectors (AMVs) derived from the high-level water vapor (WV-High) channel, mid-level water vapor (WV-Mid) channel, and infrared (IR) channel of FY-4A are analyzed, and their corresponding observation errors estimated. Then, the impacts of single-channel and multi-channel FY-4A AMVs on RMAPS-ST (the Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System—Short Term) are evaluated based on one-month data assimilation cycling and forecasting experiments. Results show that the observation errors of FY-4A AMVs from the three channels have an explicit vertical structure. Results from the cycling experiments indicate that the assimilation of AMVs from WV-High produces more apparent improvement of the wind in the upper layer, while a more positive effect in the lower layer is achieved by the assimilation of AMVs from IR. Furthermore, the assimilation of AMVs from IR is more skillful for medium and moderate precipitation than from other channels owing to the good quality of data in the lower layer in the AMVs from IR. Assimilation of FY-4A AMVs from the three channels could combine the advantages of assimilation from each individual channel to improve the wind in the upper, middle and lower layers simultaneously.     

On the assimilation of satellite sounder data in cloudy skies in numerical weather prediction models

Satellite measurements are an important source of global observations in support of numerical weather prediction (NWP). The assimilation of satellite radiances under clear skies has greatly improved NWP forecast scores. However, the application of radiances in cloudy skies remains a significant challenge. In order to better assimilate radiances in cloudy skies, it is very important to detect any clear field-of-view (FOV) accurately and assimilate cloudy radiances appropriately. Research progress on both clear FOV detection methodologies and cloudy radiance assimilation techniques are reviewed in this paper. Overview on approaches being implemented in the operational centers and studied by the satellite data assimilation research community is presented. Challenges and future directions for satellite sounder radiance assimilation in cloudy skies in NWP models are also discussed.     

国家气象中心数值预报业务的进展

在最近的１５年中，国家气象中心的数值预报业务高速度发展，预报模式从北半球模式发展为全球谱模式，并配套建立了资料同化系统和用于降水预报的有限区预报模式，暴雨和台风预报模式正在研制中。目前数值预报时效已延至７天，Ｔ６３９３丙上时的预报水平已优于的数值预报产品的应用技术在不断改进，最高（低）气温下两天ＭＯＳ预报精度已接近预报员制作的综合预报结果。     

新一代数值预报系统GRAPES研究进展

中国气象科学研究院 (灾害天气国家重点实验室) 自2000年起, 先后在科技部“973”重大基础项目“我国重大天气灾害形成机理和预测理论研究”和“十五”重点攻关项目“中国气象数值预报系统技术创新研究”支持下, 主持承担了中国气象局新一代全球/区域多尺度通用同化与数值预报系统GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction System) 的研究开发, 围绕着资料同化、模式动力框架、物理过程、大型软件工程等核心技术开展了自主创新研究, 取得了非静力中尺度模式、三维变分资料同化、标准化、模块化、并行化模式程序软件等方面的突出成果, 部分成果已在业务上得到了应用, 显示了良好的技术性能和业务发展潜力。GRAPES系统是完全依靠中国科学家的力量自主研究发展的、先进的新一代数值预报系统。该文简要介绍GRAPES的研究内容、主要研究进展和初步应用, 以及未来发展的初步计划。     

模式误差动力特征：模式参数误差和物理过程描绘缺失误差

模式变最初始场误差和模式误差都是制约数值天气预报准确性提高的重要因素,传统数值预报和变分同化均忽略模式误差的影响.随着研究的深入,关于模式误差对数值预报影响的研究显得尤为重要.本文从非线性动力方程出发,推导出在模式存在参数误差和物理过程描绘缺失误差情况下的模式预报误差演变方程及短时间内误差平方均值近似表达式,并利用Li...     

Impact of Assimilation of Radiosonde and UAV Observations from the Southern Ocean in the Polar WRF Model

Weather forecasting in the Southern Ocean and Antarctica is a challenge above all due to the rarity of observations to be assimilated in numerical weather prediction(NWP)models.As observations are expensive and logistically challenging,it is important to evaluate the benefit that additional observations could bring to NWP.Atmospheric soundings applying unmanned aerial vehicles(UAVs)have a large potential to supplement conventional radiosonde sounding observations.Here,we applied UAV and radiosonde sounding observations from an RV Polarstern cruise in the ice-covered Weddell Sea in austral winter 2013 to evaluate the impact of their assimilation in the Polar version of the Weather Research and Forecasting(Polar WRF)model.Our experiments revealed small to moderate impacts of radiosonde and UAV data assimilation.In any case,the assimilation of sounding data from both radiosondes and UAVs improved the analyses of air temperature,wind speed,and humidity at the observation site for most of the time.Further,the impact on the results of 5-day-long Polar WRF experiments was often felt over distances of at least 300 km from the observation site.All experiments succeeded in capturing the main features of the evolution of near-surface variables,but the effects of data assimilation varied between different cases.Due to the limited vertical extent of the UAV observations,the impact of their assimilation was limited to the lowermost 1?2-km layer,and assimilation of radiosonde data was more beneficial for modeled sea level pressure and near-surface wind speed.     

基于卫星亮温资料同化对2009年热带风暴“浪卡”的数值研究

本文利用三维变分同化系统（WRFDA）,设计了4个同化试验方案,将ATOVS卫星亮温资料直接同化到中尺度数值模式（WRF）中,研究同化ATOVS不同卫星亮温资料对2009年04号热带风暴“浪卡”数值模拟的影响。结果表明,直接同化卫星亮温资料能够改善初始场结构（大气流场、温度场）,尤其是对西太平洋反气旋系统,进而提高对热带气旋路径的模拟精度。同化不同类型的ATOVS卫星亮温资料对于热带气旋的移动路径有着不同程度的改善,其中以HIRS3和HIRS4资料同化对热带气旋移动路径改善效果最好。     

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.     

资料同化方法研究进展

数值天气预报模式的不断完善和大气观测探测资料（特别是卫星、雷达等非常规探测资料）的大量涌现,推动着资料同化方法的逐步发展.文章主要回顾了资料同化方法研究的发展过程、目前的应用现状以及对未来同化方法的展望.随着人们对资料同化含义的深入理解,对于资料同化的研究由初始的探索阶段逐步发展到以经验性为主的同化方法,主要包括SCM和nudging;统计方法的引入,成为资料同化方法研究发展道路上具有重要意义的一个里程碑,从而出现了多元统计插值同化,比如OI,3D-Var以及PSAS;针对背景误差协方差固定不变与实际情况的差异,考虑时间维的四维资料同化方法成为目前国际上较为主流的同化研究方法,其中以4D-Var和Kalman滤波为代表;随着计算机技术的进步,更加合理的四维资料同化方法将会成为未来业务预报中主要的资料同化方法.     

耦合模式FGOALS-s2海洋同化试验模拟的西北太平洋海气相互作用特征

观测发现,西北太平洋区域夏季降水—SST存在显著的负相关,主要是由于El Ni?o衰减年西北太平洋异常反气旋持续至夏季,该过程是检验耦合模式性能的重要参照标准。本文利用中国科学院大气物理研究所近期气候预测系统IAP-DecPreS,通过海洋同化试验、大气模式AMIP试验与观测结果的比较,评估海洋同化试验对西北太平洋夏季局地海气相互作用特征的模拟影响。结果表明,海洋同化试验能够模拟出西北太平洋区域夏季降水—SST负相关,但负相关区域范围偏小。其与观测之间的最大差异出现在8月,西北太平洋负降水异常及异常反气旋位置偏东,强度偏弱。这是由于其模拟的El Ni?o衰减年夏季赤道东印度洋正降水异常偏弱且移动至赤道南侧,对流层增温偏弱,对西太平洋的遥相关作用偏弱。AMIP试验未考虑大气对海洋的反馈作用,不能再现西北太平洋降水—SST负相关,无法模拟出El Ni?o衰减年夏季西北太平洋异常反气旋。研究表明,海洋同化试验对西北太平洋区域局地海气相互作用特征的模拟能力较AMIP试验有所提升,其对8月西北太平洋降水与环流场的模拟偏差与东赤道印度洋降水模拟偏差有关。