数值天气预报中卫星资料同化应用现状和发展

卫星资料已大量应用于数值天气预报,占据了所用观测资料的主体并对数值天气预报效果的改善具有明显的作用。目前卫星资料的同化应用一方面在努力解决受地表辐射、云和降水影响的卫星观测资料的同化问题,以充分利用现有卫星资料并发挥其效能,同时发展适应伴随全球观测系统建立而带来大数量和多种类新类型卫星资料的同化应用。文章介绍了为满足卫星资料在数值天气预报中同化应用现状与发展而建立的两个卫星资料同化研究中心(JCSDA:Joint Center of Satellite Data Assimilation和NWP SAF:Satellite Applications Facility for Numerical Weather Prediction)的基本情况,并简要讨论我国数值天气预报中卫星资料同化应用。     

ATMS卫星资料的同化应用及与AMSUA/MHS的比较研究

针对数值预报中ATMS卫星资料的同化应用问题,在WRFDA框架下扩展了对ATMS卫星资料的同化功能,选择2012年7月第9号强台风“苏拉”开展初步研究,比较了NOAA18卫星上搭载微波传感器AMSUA/MHS的结果,分析卫星资料特征并试验资料同化应用对区域数值预报的影响。结果表明,ATMS探测质量优于或与AMSUA/MHS相当;同时由于ATMS具备的高空间覆盖率、增多的温度探测扫描点和湿度探测通道,可为资料同化系统提供更丰富的观测信息,有效改善数值预报效果。ATMS卫星资料的降噪处理是资料同化应用的一个初始环节,对于个例的研究结果表明,总体上可以降低噪声和提高资料的使用效果,但在湿度探测段低层通道存在经偏差订正后降噪处理结果误差有所增大的现象,说明针对处理方式还需要调整资料应用的多个环节。偏差订正前,卫星微波资料同化目前普遍使用的ATMS温度探测9通道和湿度探测22通道的卫星观测和模拟间存在较大偏差,是ATMS资料同化应用中需要注意的。此外,ATMS卫星探测与AMSUA/MHS探测通道设置较大的差别之一在于窗区通道,由此主要依据窗区通道探测的云检测方案在ATMS资料同化应用中需要加以调整和试验。      

土壤湿度对卫星辐射率资料直接同化的影响

本研究利用WRF模式及其三维变分同化系统实现了对NOAA-16 AMSU-A微波资料的直接同化,针对2010年6月19日江西地区的一次强降水过程开展模拟与同化试验,并利用中国区域土壤湿度同化系统(CLSMDAS—China Land Soil Moisture Data Assimilation System)输出的土壤湿度值替换NCEP(National Centers for Environmental Prediction)资料中的土壤湿度,研究土壤湿度初值对辐射率资料直接同化中观测场与背景场偏差调整的影响。结果表明:采用CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下模拟的亮温值与实际观测值更为接近,经过质量控制和偏差订正后更多的观测资料能够进入到同化系统中,说明改进的土壤湿度初值条件下观测算子的计算值得到正的调整,对低层地表通道的改进效果明显,尤其以50.3 GHz的窗区通道3的结果最为理想;针对此次强降水过程中24 h累积降水分布的模拟结果,CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下同化AMSU-A资料,能够较为准确的把握整个雨带的走向、大雨以上级别降水的落区范围、降水中心落区及强度等。说明准确的土壤湿度初值能够改进卫星辐射率资料的同化结果,进而提高数值模式的模拟预报能力。     

变分同化及卫星资料同化

文章介绍了变分同化方法和卫星资料同化，并就其实际应用中的一些问题进行了讨论。     

不同卫星微波遥感资料同化对台风路径模拟的影响

本文以2015年13号超强台风“苏迪罗”为个例,利用WRF模式及其3DVar同化系统对NOAA15、NOAA18和NOAA19的AMSU-A微波遥感资料分别同化及组合同化,探究同化不同卫星的同一种微波遥感资料对于台风路径模拟效果的影响。结果表明:同化不同卫星的同一种微波遥感资料对于台风路径模拟具有不同的调整,本文中NOAA15的同化效果最好,其次是NOAA18,最后是NOAA19;同时同化NOAA15、NOAA18和NOAA19的AMSU-A资料并没有取得最好的同化效果,而组合NOAA15和NOAA18则取得了最好的同化效果,即不是同化的卫星数量越多,同化效果越好;同化试验3个时刻的增量场表明同化不同卫星的同一种微波遥感资料对物理场具有不同的调整,这与其对台风模拟路径的调整有着较好的对应,相对于温度场、海平面气压场、位势高度场和风场的增量结构与模拟台风路径的调整更为密切。     

青藏高原新增探空资料同化对南疆夏季降水预报的影响

利用第三次青藏高原大气科学试验中青藏高原西部新增3个探空站(狮泉河、申扎、改则)的探空资料,基于中尺度数值(WRF)模式和GSI同化系统,选取2015年夏季南疆两次不同类型(南亚高压双体型和单体型)的强降水过程进行同化敏感试验,以初步评估新增3个站探空资料同化对南疆夏季降水预报的影响。从初始场物理量的增量场来看,同化高原3个站探空资料对两次过程的初始场均有一定改进,对南亚双体型过程的改进较显著,这可能与其偏南气流及上下游效应较强有关。中、高层物理量的增量中心均出现在高原中、西部,分别对应申扎和狮泉河两站,并向周边地区逐渐减小,南疆地区表现为弱的正或负增量。虽然高原探空资料均在600 h Pa以上,通过动力调整对低层物理量也有一定影响。同化后低层的散度和湿度增量中心出现在高原西南侧,南疆地区变化较小。随着模式时间积分,各高度上的物理量和降水影响系统调整效果逐渐显著,总体使得200 h Pa副热带长波槽有所加深、南疆上空的偏南急流得到加强,500 h Pa低值系统强度有所减弱,850 h Pa的散度和湿度在南疆地区均有显著调整,但低层散度和湿度在南疆西部强降水中心调整相对较小。从降水预报结果来看,同化高原3个站探空资料后,对两次过程的小量级降水评分显著提高,即对降水落区预报能力有所提高;但对强降水中心结果影响不大,即对局地性强降水的预报能力仍有所欠缺。     

ATOVS卫星资料同化对三江源暴雨预报影响的试验研究

选取3个三江源的典型降水个例(2018年6月30日、7月5日、8月24日),利用NCEP FNL再分析数据,并加入ATOVS湿度探测器MHS资料同化,基于WRF模式及其三维变分同化系统对三江源区域3次降水过程进行循环同化试验,分析3次事件的模拟状况,并定量分析降水结果。结果表明,3次降水事件在加入MHS资料同化后,1)模拟的水汽增大,在中层体现最明显且更符合实际情况,高空水汽和风模拟较好,地面温度预报欠佳;2)MHS资料对降水预报的影响主要体现在降水区面积和降水量的增大,提高了降水预报水平,但也带来较多空报区域;3)从TS、ETS、POD评分结果来看,有两个降水试验的提升较为明显,其中“0630”试验TS评分结果在0.5～10 mm之间提升了0.05～0.1,ETS在5 mm提升超过0.08,在10～20 mm之间也有少量提升,POD检验在0.5～20 mm之间均有提升,在0.5～10 mm之间提升最为明显,提升了0.1～0.25,“0824”试验TS与ETS在10～20 mm之间提升超过0.1,POD检验在6～20 mm之间提升了0.1～0.4,同化后降水预报有所改善,且在大阈值降水尤为明显;4)MHS资料同化对“0705”试验降水预报改善不明显,说明同化并不是每次都能给结果带来正效应,因此在使用MHS资料时不能过于信赖它,但总体上,同化MHS资料能够提升预报质量。     

青藏高原地区的总云量——地面观测、卫星反演和同化资料的对比分析

了解云的气候学特征 ,对于深入研究气候变化问题有重要意义 ,而良好的资料质量是其前提和保障。为了充分了解地面观测总云量、卫星反演总云量和资料同化总云量这三种资料在青藏高原地区的共性和差异 ,本文利用 1984— 1990年的青藏高原地面测站的总云量资料、国际卫星云气候学计划中的ISCCP C2总云量资料和NCEP NCAR再分析总云量资料 ,对比分析了三者在青藏高原地区的时空分布关系。分析结果表明 :ISCCP C2总云量与地面观测总云量有较好的相关关系 ,它们在青藏高原地区的空间分布形势相似、年变化和年际变化趋势大致相同 ,在量值上的差异主要源于探测手段的不同 ;NCEP NCAR再分析总云量在青藏高原地区有其固有的缺陷 ,除夏季之外在高原中部地区始终有一个异常的强高值中心 ,由此导致其对时空分布特征和量值的描述与ISCCP C2和地面观测值相差较大 ,因此在有关青藏高原的研究中不宜直接或单独使用NCEP NCAR再分析总云量资料。     

基于GSI同化系统的卫星辐射率资料的同化试验

基于GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)同化系统,将AMSU-A辐射率资料同化进初始场,针对2014年4月5~7日发生在我国湘西南地区的一次暴雨过程进行模拟研究,并对比了AMSU-A辐射率资料同化前后2组试验方案的模拟结果。发现:(1)同化AMSU-A辐射率资料后有效地减小了对此次暴雨的空报率,且对降水中心的范围和强度模拟的准确性均显著提高;(2)辐射率资料的同化对初始场的调整有较大贡献。其中,风场和涡度的差异主要体现在动力机制的削弱,而湿度场的差异体现在对降水中心水汽输送的减弱,从而减少了虚假的降水中心;(3)同化辐射率资料后,沿暴雨中心108°E~108.7°E范围的上升运动得到加强,且高层湿度增加,与贵州境内降水量增加相符。同时,暴雨中心附近上空上升运动减弱,高低层相对湿度均减小,造成其降水量减小,模拟结果更为接近实况。     

卫星资料循环同化应用对区域数值预报效果影响分析

为提高卫星资料在同化系统中的利用率及验证卫星微波资料对区域数值预报效果的影响,本文以2008年8月1-31日为研究时段,利用WRF模式及其WRF-3DVAR同化模块,设计并构建了卫星微波资料的快速循环同化方案,分析循环同化方案对数值预报的改进效果.结果表明,相比于单时次同化,循环同化方案使各预报要素的相关系数在一定程度上得到改善,均方差也呈现减小的趋势.此外,对研究时段内暴雨和台风个例的具体分析显示,循环同化方案能够有效改善降水和台风路径的预报.     

WRF-EnSRF卫星资料同化模块的构建研究

为加强国内卫星资料在同化系统中的应用,在自主构建的新一代WRF-EnSRF同化系统中,采用RTTOV辐射传输模式作为观测算子,并建立卫星资料读取、偏差订正及质量控制等子模块,构建出WRF-EnSRF卫星资料同化系统.运用该同化系统,同时同化NOAA-16的AMSU-A和AMSU-B的辐射率资料,进行华南暴雨过程的卫星资料同化数值模拟试验.试验结果表明:偏差订正后亮温资料拟合结果基本位于主对角线上,偏差有所降低.从TS评分看,同化试验对中雨及大雨部分的降水落区以及暴雨级别以上的降水强度的模拟效果有改善.试验证明,建立的卫星同化系统是可运行的.     

用变分法同化卫星云图资料的方案设计

自数值预报问世以来 ,在客观分析方法的研究过程中 ,经历了多项式法、逐步订正法、最优插值法。目前最优插值法仍是业务上用的最广泛的客观分析法。但采用统计方法 ,容易造成分析场的平滑 ,使得一些中尺度系统不能如实得到反映 ,从而影响了中尺度模式的预报。变分法最早是由 Sasaki.Y (1 958)引入客观分析 ,并对此作了理论研究 ,建立了基本框架。Gram.M (1 985)和 L.Kaplan对 GOES的 VISSRAtmospheric Sounder(VAS)探测资料进行了变分同化试验 ,指出对 VAS资料的同化改善了对流不稳定区和强度的预报。我国 1 980年以前 ,分析用的…     

ATMS微波资料特征及其对台风路径预报的影响

采用2012年8月1—30日ATMS(Advanced Technology Microwave Sounder)卫星微波资料,在WRFDA系统中进行资料特征统计分析以及偏差订正试验。针对2012年8月第13号台风“启德”、第14号台风“天秤”和第15号台风“布拉万”,检验同化ATMS卫星微波资料对台风路径预报的影响。结果表明:偏差订正前,ATMS除个别窗区通道和湿度通道偏差大于对应AMSUA/MHS通道外,其余通道偏差均小于后者;与AMSUA/MHS相比,ATMS偏差随扫描位置的变化较小且平滑,ATMS96个扫描点的资料均可用;ATMS窗区通道偏差最大,温度中层通道偏差最小;使用ATM S资料导出的偏差订正系数,可减小温度和湿度通道偏差,相比于直接使用NOAA-18偏差订正系数,可改善台风路径和最低气压预报;个例研究表明,同化中加入ATMS资料后可使台风路径预报偏差降低31%。     

基于WRF-VAR的卫星资料同化分析检验试验

利用YHGSM 0.25°×0.25°高分辨数值产品作为背景场资料,使用WRF模式与WRF-VAR同化系统对中国区域进行连续一个月(2009年7月1～31日)的模拟试验,试验分为3组:(1)不同化任何资料,(2)同化常规资料,(3)同化ATOVS卫星资料;对3组试验进行了形势场检验和Ts评分.结果表明,第(2)、(3)...     

青藏高原地表反射率卫星反演资料的评估

该文重点介绍了ＩＳＣＣＰ资料中的地表可见光反射率资料及ＬｉＺｈａｎｑｉｎｇ等用参数化反演模式从ＥＲＢＥ宽带行星反射率得到的地表反射率资料。我们选择青藏高原及其邻近地区为目标区，结合高原野外地面观测资料对它们进行了比较和评估，分析了误差的可能原因，并提出了反演青藏高原地表反射率时注意的问题。     

新卫星系统为天气预报和气候研究提供更好的资料

来自2006年4月初发射的新卫星系统（COSMIC）的前所未有的高精度资料，有助于提高飓风预报的准确性，大大改进长期天气预报以及监测气候变化。COSMIC（Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere and Climate）系统独一无二的全球覆盖能力使其能提供大气温度与水汽结构的丰富信息。COS—MIC能够搜集到诸如南极和太平洋深处等难于到达区域的资料，使人类的全球尺度监测能力大大增强。U—CAR主席Richard Anthes指出，COSMIC是目前监测全球与区域气候变化最为准确和稳定的探测工具，它可以透过云层进行观测，能得到大气各层次高精度的资料。     

基于卫星资料的青藏高原卷云特性研究

青藏高原(下称高原)地区是中国气候的敏感区,为准确认识其上空的卷云特征,利用MODIS的M YD06二级云产品数据,对高原地区卷云的概率分布、云顶高度、粒子有效半径以及光学厚度进行了统计分析。结果表明:(1)卷云在3月和4月出现概率最高,10 12月出现概率最低。在全年中,卷云概率分布为双峰型,1 4月为一个高峰期,7 8月为另一个高峰期;两个低值期出现在5 6月和912月。(2)6月和10月卷云云顶高度的概率分布会产生显著的变化。卷云云顶高度平均最大值出现在7 8月,最小值出现在1 2月。(3)卷云的粒子有效半径主要分布在5~40μm之间,15~25μm间概率最大。卷云粒子尺度平均最大值出现在8 9月,最小值出现在12月至次年2月。(4)卷云的光学厚度主要分布在0~40之间,0~10间概率最大。卷云光学厚度最大值出现在8 9月,最小值出现在12月至次年2月。     

青藏高原地表热状况的卫星资料分析

在云辐射强迫→地表热力强迫→气候变化→云辐射强迫这一反馈过程中,地表热力过程是一个要环节。青藏高原地表热状况集中集现了青藏高热力作用的基本状态,因而 热力强迫作用下的气候变化如降水、季风等密切相关。因此,研究青藏高原地表热状况的变化,对深入了解青藏高原热力作用及其对周边气候环境的影响,进而对气候变化预测有重要意义。本文利用１９８３年７月至１９９０年１２月菜９０个月的ＩＳＣＣＰ－Ｃ２卫星观测地表温度     

利用TRMM卫星资料对青藏高原地区强对流天气特征分析

利用热带测雨卫星TRMM(Tropical Rainfall Measure Mission)多种探测结果,结合NCEP再分析资料,研究了发生在青藏高原地区的一次强对流天气特征,综合分析了高原地区对流云特殊的水平、垂直结构特征。结果表明:(1)该强对流降水系统由几个孤立、零散的块状降水云团组成,以深厚弱对流降水为主,微波亮温的低值区也呈孤立、零散的块状分布,并且整个对流系统的云顶高度一致偏高,深厚强对流降水的雨谱主要集中在1～20mm.h-1的范围内,90%以上的深厚弱对流降水样本数和降水量都集中在0～5mm.h-1范围内,在垂直方向上呈被"挤压"状态。除云冰粒子集中在6～18km高度外,可降冰、可降水和云水粒子都集中在低层8km以下,冰雹天气表现为可降冰粒子在低层含量偏高。(2)高原地区强对流天气的特征与其他地方的不同,表现为雨强较小,比平原地区明显偏弱,且对流云降雨样本在不同降雨率范围内分布不均匀,降水云团雨顶高度也远低于平原地区的对流云,地表降水率大值区与微波辐射亮温低值区呈不完全对称分布,潜热释放呈单峰型。(3)高原地区强对流系统发生时,垂直上升运动在400hPa达到最大,水汽主要集中在400hPa高度以下的范围内。