晨昏轨道微波温度计资料同化对降水定量预报的影响及其对三轨卫星系统的意义

极轨卫星的高级微波温度计(Advanced Microwave Sounding Unit-A,简称AMSU-A)辐射资料对提高降水定量预报的水平有重要作用.但是极轨卫星的轨道特征导致乘载其上的微波温度计资料在区域同化系统中存在严重缺测.本研究重点分析了晨昏轨道卫星上微波温度计资料同化对墨西哥湾沿岸定量降水预报的重要影响.研究选取了早晨星NOAA-15、上午星MetOp-A和下午星NOAA-18,利用美国NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的业务同化系GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)资料同化系统,进行了加和不加NOAA-15 AMSU-A资料的两组资料同化和预报试验,来阐明晨昏轨道卫星上微波温度计资料同化对墨西哥湾沿岸降水预报的重要影响.试验结果分析表明如果仅同化NOAA-18和MetOp-A资料,在协调世界时00:00和12:00的同化时间,在墨西哥湾和美国西部大陆就是卫星观测资料缺测区,而早晨星NOAA-15资料正好可以填补这个资料空缺.模式预报也表明,同化NOAA-15的AMSU-A资料可以对墨西哥湾降水有持续的正影响.这一研究证明了保持有搭载着AMSU-A或者相似仪器的早晨星,对区域降水预报的重要性.由于目前NOAA-15是唯一的一颗正在运行的、已远超过其正常运行期的早晨星,通过技术手段维持NOAA-15的AMSU-A仪器更超长期运行也就特别重要.     

有云条件下HIRS/3资料的同化及其对“珍珠”台风的影响

卫星红外辐射资料汽接同化容易受到云的影响,大量卫星资料在有云情况下无法直接同化,其原因之一就是初始云结构难以获取.而云结构是同化系统观测算子的重要输入参数,缺乏云的结构信息,观测算子尤法模拟有云环境下的亮温.热带地区以及台风、暴雨等极端天气系统与云密不可分,要改进卫星辐射资料特别是红外资料直接同化的效果,需要获得较高精度的云三维结构.在GRAPES-3DVAR(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统)基础上,结合WRF(Weather Research and Forecasting Model,天气研究和预报模式)对"珍珠"台风云结构的模拟,增加模拟的云参数作为GRAPES-3DVAR同化系统中RTTOV模式(fast radiative transfer model for TOVS,快速辐射传输模式)的输入参数,改进了有云环境下卫星资料直接同化的观测算子,研究了红外辐射资料直接同化的方法,并分析其对"珍珠"台风预报的影响.针对NOAAl6(National Oceanic and Atmospheric Administration,美国国家海洋和大气管理局)的HIRS/3(High Resolution Infrared Radiation Sounder,高分辨率红外辐射探测仪3型)第4-8、10、13 19通道辐射亮温的同化试验表明,结合初始云结构信息改进同化系统观测算子,可以将红外辎射资料的观测信息同化到模式之中,改进台风温度、湿度结构,对短时降水预报有正面影响.     

FY-3A微波资料在“莫拉克”台风预报中的同化试验

我国新一代极轨气象卫星FY-3A于2008年5月26日发射成功,携带的微波垂直探测仪与NOAA系列卫星的ATOVS性能相似。为研究微波垂直探测仪资料在台风数值预报中的作用,实现我国FY-3A卫星的微波探测资料的直接同化,达到改进台风预报的目的,利用FY-3A微波探测资料,以WRF-3DVar系统为基础,针对2009年第8号台风"莫拉克"路径和强度预报,开展数值预报直接同化技术研究。试验结果表明,直接同化FY-3A微波资料对数值模式初始场改进要优于仅仅同化常规观测资料,对缺乏观测资料的海洋上改进尤为明显,模式初始场更加合理地反映海上台风环流形势以及温湿条件,海上台风的模式初始位置也得到了校正;经过FY-3A微波资料三维变分直接同化后,区域中尺度模式对台风路径预报效果具有积极的改善作用。     

GRAPES全球三维变分同化系统的检验与诊断

中国气象局数值预报中心新近升级的GRAPES全球三维变分同化系统的大气基本状态变量在物理属性与定义的网格和坐标上与预报模式保持一致,是一个完全针对GRAPES预报模式的同化系统。该系统不仅有利于减小分析误差,也是构建GRAPES四维变分同化系统的基本环节之一。该文通过与观测资料的对比、与国际其他业务中心分析场的对比,以及中期数值预报的检验,对新的GRAPES全球三维变分同化系统性能进行较全面讨论,并通过对这一系统的检验,探索资料同化系统性能的检验方法,尤其是观测资料同化效果的定量评价方法。诊断结果表明:在宏观特征上,GRAPES变分同化系统的分析场与欧洲中期数值预报中心和美国国家环境预测中心的分析场十分相似, 但细节上仍有差别。这些差别主要源自GRAPES同化系统中探空、地面报、掩星以及飞机报观测的贡献偏大,而卫星垂直探测仪观测资料的作用尚未充分发挥。从探测单要素来讲,风及湿度观测的作用发挥不够。此外,青藏高原周围地区、模式高层及赤道地区分析场偏差较大,它们与模式地形及高层的处理等有关系,这些问题有待进一步改进。     

气象卫星垂直探测

星载仪器的探测能力是气象卫星更新换代的重要标志之一。为了充分发挥气象卫星资料的经济效益,本文从大气垂直探测的基本原理入手,简要地介绍了美国TIROS-N系列卫星TOVS探测器的光谱特性,以及该探测资料在气象等领域的应用。     

COSMIC掩星反演大气温湿资料的质量特征分析

针对COSMIC(Constellation Observation System of Meteorology Ionosphere and Climate)掩星反演的大气温度和水汽压二级资料,利用常规探空观测和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)分析资料分别进行质量检验分析,以揭示反演资料质量的海陆差异、随纬度和高度变化等三维空间特征。结果显示:我国区域反演资料的温度略低于探空观测与NCEP分析资料,温度与水汽压相对于检验资料的均方根误差较小;全球范围内,反演大气温湿资料的质量随高度和纬度的不同而存在明显差异,而且海洋和陆地上质量的水平和垂直分布特征也存在显著不同。总体上看,COSMIC反演大气温湿资料具有良好的可靠性与精确度,可作为我国数值预报资料同化的新资料,反演温湿资料的质量特征也可为COSMIC资料同化的质量控制和垂直稀疏化方案的设计提供科学依据。     

RTTOV散射模块在FY-3 MWHS资料同化中的应用

一直以来,受同化系统中观测算子的限制,云区的卫星微波观测资料在使用时都常会做晴空假设,只考虑大气的吸收作用而忽略散射作用,从而会造成对大气中水汽含量的高估。为了克服这一缺点,文中设计了RTTOV微波散射模块在WRF 3DVAR系统中的应用方案,使得计算辐射能衰减的同时考虑大气的散射作用,并在此基础上通过4组试验进行了风云3 A星微波湿度计亮温以及多普勒雷达反射率因子的同化研究对比。结果表明：RTTOV微波散射模块的引入,能有效抑制晴空辐射模块对大气水汽含量的高估。若先同化雷达反射率因子后再继续同化卫星资料,会发现同化雷达后,同化区域内大气水凝物含量明显增加,受此影响同化卫星资料时大气的散射作用也会随之增大。并且雷达同化区域覆盖率越大,对降水预报的改善效果也愈明显。     

GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展

为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR).该资料同化系统的垂直坐标及其分析变量的水平分布格式、垂直跳点方案与GRAPES预报模式保持完全一致.由于垂直坐标的变化和非静力关系,m3DVAR分析系统中设计了求解动力学约束方程的新方案.通过有效的高精度数学方案,避免了地形追随坐标下平衡方程的非线性项造成的复杂计算,有效解决了非静力平衡条件下求解平衡方程中非线性项的切线性方程和伴随方程引起的困难.重新构造各种观测算子,并考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系、背景误差协方差结构,实现对探空、地面资料、船舶报等常规观测的同化.理想单点试验和实际资料的多变量资料同化分析结果表明,非静力模式变量三维变分资料同化系统能够正确地描写多变量之间的相互作用以及物理约束关系,分析结果合理,能够有效减少原等压面三维变分资料同化系统的分析与模式变量之间需要相互插值、变换产生的误差,在一定程度上提高了分析场质量,对预报模式的初值具有一定改善.     

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。     

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。      

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.     

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。     

Satellite All-sky Infrared Radiance Assimilation: Recent Progress and Future Perspectives

Satellite infrared(IR)sounder and imager measurements have become one of the main sources of data used by data assimilation systems to generate initial conditions for numerical weather prediction(NWP)models and atmospheric analysis/reanalysis.This paper reviews the development of satellite IR data assimilation in NWP in recent years,especially the assimilation of all-sky satellite IR observations.The major challenges and future directions are outlined and discussed.     

Use of Microwave Radiances from Metop-C and Fengyun-3 C/DSatellites for a Northern European Limited-areaData Assimilation System

正1Swedish Meteorological and Hydrological Institute, Folkborgsv?gen 17, 60361 Norrk?ping, Sweden2Norwegian Meteorological Institute, Henrik Mohns Plass 1, 0371 Oslo, Norway     

Quality Assessment and Forecast Sensitivity of Global Remote Sensing Observations

The satellite-derived wind from cloud and moisture features of geostationary satellites is an important data source for numerical weather prediction(NWP) models. These datasets and global positioning system radio occultation(GPSRO)satellite radiances are assimilated in the four-dimensional variational atmospheric data assimilation system of the UKMO Unified Model in India. This study focuses on the importance of these data in the NWP system and their impact on short-term24-h forecasts. The quality of the wind observations is compared to the short-range forecast from the model background. The observation increments(observation minus background) are computed as the satellite-derived wind minus the model forecast with a 6-h lead time. The results show the model background has a large easterly wind component compared to satellite observations. The importance of each observation in the analysis is studied using an adjoint-based forecast sensitivity to observation method. The results show that at least around 50% of all types of satellite observations are beneficial. In terms of individual contribution, METEOSAT-7 shows a higher percentage of impact(nearly 50%), as compared to GEOS, MTSAT-2and METEOSAT-10, all of which have a less than 25% impact. In addition, the impact of GPSRO, infrared atmospheric sounding interferometer(IASI) and atmospheric infrared sounder(AIRS) data is calculated. The GPSRO observations have beneficial impacts up to 50 km. Over the Southern Hemisphere, the high spectral radiances from IASI and AIRS show a greater impact than over the Northern Hemisphere. The results in this study can be used for further improvements in the use of new and existing satellite observations.     

区域极轨卫星ATOVS辐射偏差订正方法研究

近年来,卫星辐射资料在数值天气预报(NWP)系统中的直接同化研究取得了长足进展。为了利用TIROS业务垂直探测器(ATOVS)的辐射资料,必须对卫星观测辐射值的系统性偏差进行订正。在ECMWF原全球TOVS辐射偏差订正方案基础上,结合ATOVS资料特征和中国的实际情况,建立了适用于区域NOAA-15/16/17极轨气象卫星ATOVS辐射资料的偏差订正方案。该方案偏差订正分两步进行:首先进行扫描偏差订正,然后进行气团偏差订正。扫描偏差是临边测量相对于星下点测量的系统偏差,统计显示该种偏差具有一定的纬度依赖性,所以订正时按每10度的纬度带分别进行订正。气团偏差订正主要就是根据当时的天气条件进行订正,而天气条件一般用预报因子来定量表示。文中从中国国家气象中心T213背景场导出预报因子:(1)1000—300 hPa的厚度,(2)200—50 hPa的厚度,(3)模式地表温度,(4)总可降水量。模式预报因子的使用从观念上将对观测值的订正变为对计算前向辐射值的订正问题。试验结果表明,订正结果显著。     

A PRELIMINARY STUDY ON THE 3DVAR ASSIMILATION OF THE AMSU-A DATA IN SPACE-TIME MULTISCALE ANALYSIS SYSTEM

Assimilating satellite radiances into Numerical Weather Prediction (NWP) models has become an important approach to increase the accuracy of numerical weather forecasting. In this study, the assimilation technique scheme was employed in NOAA’s STMAS (Space-Time Multiscale Analysis System) to assimilate AMSU-A radiances data. Channel selection sensitivity experiments were conducted on assimilated satellite data in the first place. Then, real case analysis of AMSU-A data assimilation was performed. The analysis results showed that, following assimilating of AMSU-A channels 5–11 in STMAS, the objective function quickly converged, and the channel vertical response was consistent with the AMSU-A weighting function distribution, which suggests that the channels can be used in the assimilation of satellite data in STMAS. With the case of the Typhoon Morakot in Taiwan Island in August 2009 as an example, experiments on assimilated and unassimilated AMSU-A radiances data were designed to analyze the impact of the assimilation of satellite data on STMAS. The results demonstrated that assimilation of AMSU-A data provided more accurate prediction of the precipitation region and intensity, and especially, it improved the 0–6h precipitation forecast significantly.     

卫星探测辐射率在数值天气预报中的直接应用

该文叙述在数值天气预报中直接应用辐射率而不经过反演的原因，变分法在辐射率直接应用中的作用，以及介绍变分问题计算中的伴随方法。还指出ATOVS辐射率同样可以在NWP中直接应用。最后，介绍业务NWP直接应用辐射率的情况。     

水物质对云雨区卫星微波观测模拟影响

受云和降水影响卫星资料在数值天气预报中的同化应用对于进一步改善数值预报效果具有重要作用, 这部分工作的开展要求快速辐射传输模式中能够较好地考虑各种水物质的辐射效应。使用美国卫星资料同化联合中心新近开发的快速辐射传输模式CRTM, 通过中尺度数值模式WRF的预报输出提供水物质输入, 分析水物质辐射效应对云雨区卫星微波观测模拟计算的影响。在WRF模式预报水物质的分布和天气系统配置合理并符合云物理基本特征的前提下, 水物质辐射效应的考虑极大改善了卫星观测模拟的效果。结合卫星各通道探测特性, 进一步分析各种水物质粒子对NOAA-16 AMSU A/B各通道卫星亮温模拟的影响和物理机理, 定量统计各类水物质对各卫星观测通道亮温计算偏差和偏差贡献的权重大小。分析结果表明:快速辐射传输模式中, 考虑水物质辐射效应为数值天气预报中云雨区卫星资料的同化应用提供了必需的基础条件。     

Progresses of Researches on Numerical Weather Prediction in China： 1999-2002

The recent progresses in the research and development of (NWP) in China are reviewed in this paper. The most impressive achievements are the development of direct assimilation of satellite irradiances with a 3DVAR (three-dimentional variational) data assimilation system and a non-hydrostatic model with a semi-Lagrangian semi-implicit scheme. Progresses have also been made in model physics and model application to precipitation and environmental forecasts. Some scientific issues of great importance for further development are discussed.