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.     

评估FY-3A微波湿度计O-B对云的识别能力

应用FY-3A微波湿度计2010年1月份的Level-1c观测亮度温度O,NCEP GFS 6 h的预报场作为背景场,用RTTOV 9.3版本辐射传输模式模拟的亮度温度B以及美国NOAA-18 MHS业务微波地表和降水产品,研究了双权重质量控制算法对FY-3A MWHS 通道3至5云和降水视场的识别能力。研究表明双权重质量控制算法判断的负观测增量O-B的离群点中,大多数都受云和降水影响。通道3约占60%,通道4约80%,通道5超过80%。当降水率大于0.2 mm·h^-1时,通道3负离群点可识别超过60%降水云,随着降水率增大识别率超过80%。而通道4对大于0.2 mm·h^-1的降水的识别率超过90%。通道5负离群点几乎可以剔除100%的降水影响资料。在目前还没有MWHS自身云检测产品的条件下,双权重质量控制算法可剔除大部分云和降水影响视野。     

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。     

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。      

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。      

FY-3A/MWHS数据在定量降水估计中的应用研究

基于0903,0906和0908号台风期间的FY-3A极轨卫星微波湿度计(FY-3A/MWHS)数据,借助于多元线性逐步回归方法,探讨了利用FY-3A极轨卫星定量估计降水的方法,同时结合自动气象站实测资料、TRMM和FY-2C卫星降水估计结果对FY-3A/MWHS降水估计精度进行了验证。结果表明,FY-3A/MWHS估计降水与地面实测降水具有较好的相关性,对不同等级雨量均有一定的估测能力,尤其对中等量级的降水无论是在降水落区还是在降水量级上均具有较高的准确率。与FY-2C静止卫星相比,无论是在对不同量级降水估计的"击中率",还是在估计精度方面,FY-3A/MWHS数据更具优势。利用FY-3A/MWHS对不同高度、不同角度的湿度响应特性开展定量降水估计,是降水估计方法的一种新的探索和必要的补充。     

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。      

FY-3A MWHS资料偏差订正方法研究

作为中国新一代极轨气象卫星,风云三号A星(FY-3A)大气垂直探测资料在区域数值天气预报中的同化应用至关重要。为实现FY-3A大气湿度垂直探测仪(MWHS)资料的直接同化应用,重点研究MWHS资料偏差订正问题。根据MWHS资料特征,在参考欧洲中期天气预报中心(ECMWF)原全球TIROS大气垂直探测仪(TOVS)资料偏差订正方案的基础上,建立适用于FY-3A卫星MWHS辐射率资料的偏差订正方案,分析该方案的订正效果。(1) 扫描偏差具有星下点对称性,各通道不同纬度带和扫描角的扫描偏差存在差异,通道1~5的扫描偏差绝对值范围分别为0~1.13 K、0~6.4 K、0~0.76 K、0~0.84 K和0~2.1 K。(2) 偏差订正方法有效,订正后的通道2~4观测残差概率分布呈现均值为0的高斯分布,且通道1和5观测残差更接近均值为0的高斯分布。(3) 偏差订正后观测残差标准差均有所降低,表明偏差订正能够提高MWHS资料对分析场的调整。试验证明FY-3A MWHS资料具有较高的数据质量以及同化应用的潜力;建立的偏差订正方案可为FY-3A MWHS资料直接同化提供条件。      

FY-3A微波资料偏差订正及台风路径预报应用

我国极轨气象卫星FY-3A大大增强了对地球系统的综合探测能力,而偏差订正对卫星资料的应用非常必要。试验中FY-3A卫星微波资料的偏差订正方案是在Harris等的TOVS辐射资料偏差订正经验方法的基础上结合WRF-3DVAR系统发展的,偏差订正后微波资料各通道拟合结果基本位于主对角线上,大多数卫星观测数据与观测算子利用背景场计算的亮温值分布趋于合理,偏差得到很大程度的降低。偏差订正后,利用数值模式直接同化FY-3A气象卫星微波资料,通过对2008年和2009年的4个台风进行预报评估表明:同化FY-3A气象卫星资料后路径预报能力提高明显,尤其是36 h后路径预报结果;同化FY-3A气象卫星微波资料后台风预报路径误差平均降低20%,而只同化常规资料路径误差仅仅降低了4%。     

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。     

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。     

A Precipitation Detection Method for MWTS-Ⅱ Radiance Assimilation in Typhoon Simulation

FY-3C Microwave Temperature Sounder Ⅱ(MWTS-Ⅱ) lacks observations at 23.8 GHz, 31 GHz and 89 GHz,making it difficult to remove the data contaminated by precipitation in assimilation. In this paper, a fast forward operator based on the Community Radiative Transfer Model(CRTM) was used to analyze the relationship between the observation minus background simulation(O-B) and the cloud fractions in different MWTS-Ⅱ channels. In addition,based on the community Gridpoint Statistical Interpolation(GSI) system, the radiation brightness temperature of the MWTS-Ⅱ was assimilated in the regional Numerical Weather Prediction(NWP) model. In the process of assimilation,Visible and Infrared Radiometer(VIRR) cloud detection products were matched to MWTS-Ⅱ pixels for precipitation detection. For typhoon No. 18 in 2014, impact tests of MWTS-Ⅱ data assimilation was carried out. The results show that,though the bias observation minus analysis(O-A) of assimilated data can be reduced by quality control only with | O-B| 3 K; however, the O-A becomes much smaller while the precipitation detection is performed with F_(virr) 0.9(VIRR cloud fraction threshold of 0.9). Besides, the change of the environmental field around the typhoon is more conducive to make the simulated track closer to the observation. The 72-hour typhoon track simulation error also shows that, after the precipitation detection, the error of simulated typhoon track is significantly reduced, which reflects the validity of a precipitation detection method based on a double criterion of | O-B | 3 K and F_(virr) 0.9.