采用双权重算法进行FY-3A微波湿度计资料质量控制试验

针对FY-3A卫星微波湿度计MWHS(Microwave Humidity Sounder)资料的质量控制进行研究.选用2010年冬季1月17-23日FY-3A微波湿度计MWHS LlC格式的全球观测资料作为研究对象,采用双权重算法对观测增量O-B进行质量控制,其中O是Fy-3A微波湿度计观测的亮度温度,B是基于NCEP GFS全球预报系统6h预报场用辐射传输模式RTTOV模拟的亮度温度值,目的是剔除受地表发射率或云影响的离群资料.结果表明,通过双权重的质量控制后,FY-3AMWHS3、4、5通道O-B的标准差明显减小了2～3K,同时,质量控制后O-B偏差和标准差随时间窗变化也很稳定,可见该方法除去异常资料的效果较为理想,能够应用到卫星资料的质量控制中.     

FY-3A MWHS资料的质量控制——以四川“8.19”暴雨为例

FY-3A MWHS微波湿度计辐射率资料空间分辨率高,同化后能有效地提高中尺度系统的数值预报的准确率。但如果不进行质量控制,任由误差大的离群微波资料进入同化系统,将会降低分析场精度,影响预报准确率。本文选取2010年8月17~19日的暴雨个例,应用主成分分析(PCA)方法,找出FY-3A微波湿度计数据中的离群值。结果表明:采用PCA方法,3天的资料总共识别出148个离群值样本,占总数的19.3%,其中通道三离群值占5.5%,通道四离群值占8.2%,通道五占5.4%。去除这些离群值后的MWHS数据总体分布,更靠近数据中心,各EOF方差贡献更加平滑。这说明PCA方法是一种可以抵抗少数离群值对总平均值影响的有效质量控制方法。      

降水云团移动速度对风云四号A星降水反演误差的影响

针对FY-4A卫星降水反演产品GPM-SCaMPR中的误差,提出台风区域降水云团移动速度的计算方法并用于误差改进,以全球降水观测计划(Global Precipitation Mission,GPM)的IMERG(the Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM)降水产品为参照、以台风"罗莎"、"利奇马"和"白鹿"降水反演为例进行误差影响研究。结果表明,其误差随降水云团移动速度的增大而增大,降水率均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)在台风成熟阶段比其他阶段大20%左右,在衰亡阶段最小。采用GPM/IMERG降水产品作校准数据,对3个台风初期、成熟和衰亡阶段的降水反演结果进行误差订正,台风"罗莎"初期、成熟及衰亡阶段订正后的降水率RMSE由5.81、7.07、5.51 mm·h^-1减小到5.54、6.16、5.27 mm·h^-1(分别减小0.27、0.91、0.24 mm·h^-1)。     

风云三号卫星微波辐射率资料的质量控制

利用双权重算法对观测增量（卫星观测亮度温度与用辐射传输模式模拟的背景场亮度温度之差）进行质量控制,模式背景场采用的是NCEP再分析资料,观测算子使用的是RTTOV（9．3v）（thefast radiative transfer for （A）TOVS model）。质量控制分两步进行：粗检验和离群值检验,目的是剔除受地表发射率或云影响的离群资料。结果表明：质量控制后观测增量标准差显著减小,偏差接近无偏正态分布,FY-3卫星微波温度探测器辐射率数据的质量得到很大的改善,为FY-3微波温度计观测亮温资料在数值预报资料同化系统中的应用奠定基础。     

风云三号卫星微波湿度计的扫描角偏差订正

首先统计分析了FY-3A卫星MWHS(Micro Wave Humidity Sounder,微波湿度计)2010年1月整月和8月28日—9月6日Level-1b全球观测亮度温度T_O和背景场(NCEP GFS 6 h预报场)用辐射传输模式(美国通用辐射传输模式CRTM 2.0版本)模拟的亮度温度T_B随扫描角的分布特征,发现通道3和4的观测随仪器扫描角有抖动、不连续现象。同时沿着仪器扫描线在星下点两测存在观测不对称现象,而且权重函数峰值越接近地面的通道该不对称现象越明显。在统计观测增量T_O-T_B随扫描角和纬度变化的基础上,定量给出了不同纬度带内(每隔5个纬度)MWHS通道3、4和5的扫描角偏差订正系数,该系数可直接提供给各种资料同化系统同化FY-3A MWHS资料时使用。     

FY-3A微波探测资料的直接同化应用及云雨条件下的亮温模拟

针对FY-3A星载微波垂直探测的同化应用,在扩展WRF3Dvar中FY-3A微波资料同化功能和快速辐射传输模式RTTOV微波云雨粒子散射RTTOV-SCATT模块接口的基础上,以2008年“凤凰”台风为研究对象,试验了FY-3A晴空条件下微波资料同化应用对数值预报的影响,并以此为控制试验,进一步讨论云检测方案和偏差订正调整对资料应用效果的作用。在WRF3Dvar同一框架下,使用RTTOV和CRTM云雨散射模块对云雨条件下FY-3A微波亮温进行模拟,分析云雨辐射效应对FY-3A微波温度和湿度传感器观测模拟的影响,并比较两个快速辐射传输模式结果间的异同。结果表明:本个例中FY-3A微波资料的使用对台风强度预报误差的减小比路径预报更为明显。云检测是影响卫星资料效能发挥的关键因素之一,3.0和5.0分别是MWTS和MWHS使用单窗区通道作为云检测时的合适阀值。使用FY-3A资料导出的偏差订正系数可以改善偏差订正结果,并提高预报准确率。此外,对于MWTS,通道1是受云雨粒子辐射效应影响最显著的通道,通道2同样具有明显影响。MWHS全部5个探测通道均受云雨粒子辐射效应影响,云雨条件下通道1、2的模拟偏差最大。RTTOV和CRTM的结果具有相同的统计特征,但CRTM云雨粒子辐射效应带来的偏差比RTTOV要大。      

U-Net模型在京津冀临近降水预报中的应用和检验评估

利用2018—2019年期间10 min定量降水估计(Quantitative Precipitation Estimation, QPE)实况观测,构建基于U-Net的分钟级临近降水预报模型,实现了京津冀地区未来0~2 h逐10 min降水量滚动预报。以TS、BIAS、POD、SR、FAR作为评价指标,通过检验2020和2021年6—9月长序列以及分析2020年8月12日和2021年7月1日两次强降水个例,表明U-Net模型预报接近实况,局部伴随着一定程度的空报,相较光流法、持续性预报及CMA-MESO模式预报效果有明显提升。具体表现为:当分钟级降水预报不超过10 mm/(10 min)时,U-Net模型明显优于光流法和持续性预报;当小时预报不超过25 mm·h^-1,U-Net模型优于CMA-MESO模式和光流法。然而,当降水强度超过10 mm/(10 min)或 25 mm·h^-1时,U-Net模型存在预报偏弱的情况,可能与强降水样本较少有关。     

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。      

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。      

利用卫星云图估算焦作市4-9月12h降水

利用2004-2006年FY-2C卫星云图资料,统计了云顶亮温与焦作市降水量的关系;并根据相邻两张云图中云顶低亮温中心移动的距离和时间,确定云的移速.在此基础上,建立了层状云和积状云降水估算方程.经对2005-2006年估算结果统计,层状云有无降水预报准确率为80%;对4次积状云降水的估算结果为1次漏报、1次降水量级误差较大、2次预报正确,准确率达50%.     

FY-3B/MWHS性能参数在轨实时监测

2010年11月5日发射的风云三号B星 (FY-3B) 是我国第2代极轨气象卫星的第2颗星。其上装载的微波湿度计 (MWHS) 在183 GHz水汽吸收线设计了3个大气探测通道,在大气窗区150 GHz设置了双极化通道。该文主要对FY-3B微波湿度计系统进行介绍,分析其在轨5年的性能,对仪器在轨关键性能参数进行了长时间序列分析,结果表明:仪器各通道灵敏度均优于0.4 K,其中通道1,2,4,5的灵敏度优于0.3 K,定标精度稳定在0.3~0.55 K,未出现恶化现象, 同类型在轨载荷星下点处匹配数据交叉比对,相关系数优于96%。分析表明,该仪器在轨性能和数据质量均优于FY-3A微波湿度计。同时,利用微波湿度计实测数据,着重分析2015年6—7月若干台风的生成、演化、增强和消亡的整个过程,并对台风区域强降雨监测进行分析。     

Impact of assimilating FY-3C MWHS2 data in the RMAPS-ST forecast system on its rainfall forecasts

中层水汽初值的误差是数值预报,尤其是短期预报不确定性的重要来源.星载微波湿度计资料能很好地弥补常规资料的不足,同化微波湿度计资料对改善对流层中高层的水汽初始场精度有着重要意义.本研究基于新一代快速更新多尺度资料分析和预报系统短期数值预报系统(RMAPS-ST),选取2019年6月4-6日中国华中地区降水过程开展了 FY-3C MWHS2资料同化对于此次降水预报的影响评估.研究开展了4组试验:冷启动试验,控制试验,同化FY-3C MWHS试验,同时同化常规观测和FY-3C MWHS试验.结果表明:经质量控制及偏差订正之后FY-3C MWHS2各通道O-B明显趋于正态分布,同化FY-3C MWHS资料后,对此次降水过程降水落区和强度的预报均优于控制试验和冷启动试验,同时对于环境场的预报也有改善.     

Development and initial assessment of a new land index for microwave humidity sounder cloud detection

This paper describes a new quality control (QC) scheme for microwave humidity sounder (MHS) data assimilation. It consists of a cloud detection step and an O–B (i.e., differences of brightness temperatures between observations and model simulations) check. Over ocean, cloud detection can be carried out based on two MHS window channels and two Advanced Microwave Sounding Unit-A (AMSU-A) window channels, which can be used for obtaining cloud ice water path (IWP) and liquid water path (LWP), respectively. Over land, cloud detection of microwave data becomes much more challenging due to a much larger emission contribution from land surface than that from cloud. The current MHS cloud detection over land employs an O–B based method, which could fail to identify cloudy radiances when there is mismatch between actual clouds and model clouds. In this study, a new MHS observation based index is developed for identifying MHS cloudy radiances over land. The new land index for cloud detection exploits the large variability of brightness temperature observations among MHS channels over different clouds. It is shown that those MHS cloudy radiances that were otherwise missed by the current O–B based QC method can be successfully identified by the new land index. An O–B check can then be employed to the remaining data after cloud detection to remove additional outliers with model simulations deviated greatly from observations. It is shown that MHS channel correlations are significantly reduced by the newly proposed QC scheme.     

Estimating the Correlated Observation-Error Characteristics of the Chinese FengYun Microwave Temperature Sounder and Microwave Humidity Sounder

In operational data assimilation systems, observation-error covariance matrices are commonly assumed to be diagonal.However, inter-channel and spatial observation-error correlations are inevitable for satellite radiances. The observation errors of the Microwave Temperature Sounder(MWTS) and Microwave Humidity Sounder(MWHS) onboard the FengYun-3A(FY-3A) and FY-3B satellites are empirically assigned and considered to be uncorrelated when they are assimilated into the WRF model's Community Variational Data Assimilation System(WRFDA). To assimilate MWTS and MWHS measurements optimally, a good characterization of their observation errors is necessary. In this study, background and analysis residuals were used to diagnose the correlated observation-error characteristics of the MWTS and MWHS. It was found that the error standard deviations of the MWTS and MWHS were less than the values used in the WRFDA. MWTS had small inter-channel errors, while MWHS had significant inter-channel errors. The horizontal correlation length scales of MWTS and MWHS were about 120 and 60 km, respectively. A comparison between the diagnosis for instruments onboard the two satellites showed that the observation-error characteristics of the MWTS or MWHS were different when they were onboard different satellites. In addition, it was found that the error statistics were dependent on latitude and scan positions.The forecast experiments showed that using a modified thinning scheme based on diagnosed statistics can improve forecast accuracy.     

FY-3A/MWHS冷空测值受月球影响分析及修正

为解决月球对风云三号卫星微波湿度计在轨实时辐射定标的影响问题,该文根据风云三号卫星微波湿度计在轨实时观测数据分析,通过多项式拟合分析技术,建立修正模型,消除月球影响,得到合理的辐射定标结果。风云三号卫星微波湿度计在轨实测数据分析表明:月球对风云三号卫星微波湿度计在轨辐射定标结果影响最严重时一天内可干扰4~5条轨道,每条轨道有近100个扫描周期受到污染。月球影响致使冷空定标观测数据跳升1000个计数值,如果不进行污染滤除会造成对地观测亮温下降约20 K,导致辐射资料无法同化进入数值天气预报模式。通过与同类载荷的交叉比对分析,修正月球影响后,风云三号卫星微波湿度计在轨实时辐射定标结果精度与在轨测试结果相当。     

云雨条件下AMSR2微波成像资料同化试验及其在台风预报中的应用

采用WRF-ARW和WRFDA的3.8版本进行云雨条件下AMSR2(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)卫星微波成像资料的同化试验,并选择2014年7月第9号台风"威马逊"为研究对象,检验同化云雨条件下的AMSR2资料对台风预报结果的影响。结果表明:(1)云雨条件下的质量控制方案所保留的像元明显多于晴空条件下质量控制方案,且亮温模拟结果更加接近观测;(2)云雨影响的加入使得风场、高度场和海平面气压场的模拟结果好于晴空条件下模拟,且对台风中心有增温、增湿的作用。(3)云雨条件下模拟对台风的路径和强度预报均有改善。