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。      

云区卫星微波通道亮度温度的数值模拟

目前多数资料同化系统中对卫星的观测值都是采用晴空模拟,然而用晴空辐射传输模式模拟云区卫星微波通道的辐射值会造成与观测较大的偏差,导致大量云区卫星资料被直接抛弃无法进入同化系统,因而有必要改进云区卫星辐射亮温的模拟能力,进而提高同化系统中云区卫星资料利用率。以2010年台风“圆规”、“凡比亚”和“鲇鱼”为例,基于先进的微波扫描辐射计AMSR-E观测应用一维变分算法反演台风区域的云宏观参数,包括云液水含量廓线、云冰水含量廓线和雨水含量廓线;然后,以大气温度、湿度廓线及这些反演的云参数作为快速辐射传输模式CRTM的输入参数,模拟AMSR-E各通道的辐射亮温。通过对比晴空、有云两种情况下模拟亮度温度与实际观测亮度温度间的偏差,发现增加云参数作为辅助参数、启动辐射传输的散射模块,可以有效地改进台风外围云区卫星辐射亮温的模拟效果,大幅减少模拟亮温与观测亮温间的偏差,增加了同化进数值预报系统的卫星观测数据量。      

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。      

用GPS资料对风云三号微波温度计资料进行绝对校准

微波温度计(Microwave Temperature Sounder,MWTS)亮温资料是由观测的地球视场、冷空和暖体的计数值通过两点非线性定标方法得到,这是一种相对的定标方式。本文利用全球定位系统(Global Position System,GPS)无线电掩星资料对2010年全年MWTS亮温资料进行了两种在轨绝对定标校准。一种是计算晴空海洋上MWTS通道2~4观测亮温减去辐射传输模式(Community Radiative Transfer Model,CRTM)模拟亮温在15个不同扫描角度的统计偏差;另一种是通过线性回归获得每个扫描角度MWTS观测亮温和模拟亮温的线性关系,然后对MWTS观测亮温值进行订正。本文通过比较订正前后的MWTS亮温值减去用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)全球预报场资料(Global Forecast System,GFS)模拟亮温的差的统计特征对以上两种定标方式的有效性进行了检验。结果表明,经过GPS无线电掩星资料对MWTS资料进行在轨绝对定标后,MWTS观测的全球偏差显著减小,标准差也有所减小,且MWTS亮温资料偏差随通道和季节的变化特征也得到有效地消除。     

星载降水雷达机载校飞试验：地基多通道微波辐射计估算雷达路径积分衰减

介绍了在雷达观测降水试验中如何配合利用地基微波辐射计估算雷达路径积分衰减(PIA)的一种方法.所用的GPS高空探空资料和地基多通道微波辐射计的观测资料,均为中国首次星载降水雷达机载校飞试验中获得的数据.由于常规探空资料中没有云水含量的直接信息,因此,通过绝热液态水含量分析方法,从GPS探空数据中计算得到这些云参数值.用MWMOD进行亮温模拟并计算液态水含量.在晴空条件下,用该模式模拟了地基多通道微波辐射计12个通道的下行辐射亮温.通过设置相对湿度阈值,利用MWMOD模式自带的绝热液态水含量分析方法,从探空廓线中分析出液态水廓线,进而模拟出有云情况下的下行辐射亮温.辐射传输模式的模拟亮温和地基多通道微波辐射计观测亮温的对比表明,进行云分析之后的模拟亮温值更接近于实测值.由此,利用由辐射传输模式和地基微波辐射计,从探空廓线中分析出液态水廓线,计算出有云情况下的大气整层透过率,进而得到路径积分衰减,为降水雷达衰减订正提供一种有效手段.     

FY-4A AGRI辐射率资料偏差特征分析及订正试验

风云四号A星（Fengyun-4A,简称FY-4A）作为我国最新一代静止气象卫星,各方面技术指标都体现了“高、精、尖”特色,处于国际领先地位。其上搭载的多通道扫描成像辐射计（Advanced Geosynchronous Radiation Imager,简称AGRI）较上一代静止卫星风云二号的可见光红外自旋扫描辐射仪观测精度更高、扫描时间更短,充分体现AGRI观测资料将有效提高“一带一路”沿线国家和地区的天气预报和灾害预警水平。偏差订正是卫星资料处理的重要环节之一,因此本文通过在WRFDA v3.9.1（Weather Research and Forecasting model’s Data Assimilation v3.9.1）搭建AGRI同化接口,利用RTTOV v11. 3辐射传输模式和GFS全球预报系统（Global Forecast System）分析场研究了FY-4A AGRI红外通道8～14晴空辐射率资料的偏差特征并进行偏差订正对比试验,分析了卫星天顶角对AGRI资料偏差订正的影响,为将来实现AGRI红外通道辐射率资料在中尺度模式中的同化应用奠定基础。结果表明:（1）通道8～10及14为正偏差,通道11～13为负偏差。水汽通道9和10偏差及其标准差相对较小,偏差海陆差异不明显。通道11～14探测高度较低,陆地上观测受地表发射率影响大,质量控制时可剔除这些通道陆地上的观测。（2）各通道偏差随卫星天顶角变化的拟合直线斜率都小于0.035,对比试验结果表明偏差与卫星天顶角的关系不明显,预报因子中无需考虑卫星天顶角的作用。（3）通道8及11～14的偏差随着目标亮温的变化比水汽通道9～10明显,偏差有较强的目标亮温依赖特征。（4）根据分析的偏差特征对2018年5月13日18时（协调世界时,下同）至15日18时进行变分偏差订正试验,系统性偏差得到了有效的订正。     

CRTM微波亮温模拟对地表和云参数的敏感性分析

利用快速辐射传输模式CRTM研究了微波地表发射率和微波亮温对地表参数和云参数的敏感性问题。首先利用实测的云南思茅地面和探空资料,通过CRTM正演了12个微波通道的地表发射率和亮温,与AMSR-E卫星亮温资料进行对比,分析了模拟亮温的正演误差,研究了地表参数对微波地表发射率模拟的敏感性,并重点分析了微波亮温对地表和云雨参数的敏感性。结果表明,地表参数中土壤湿度、地表温度和植被覆盖度三者对CRTM模拟亮温影响较大,而模拟微波地表发射率主要受土壤湿度和植被覆盖度的影响;有云雨存在时,降水云比非降水云的影响大。6种云中,雨云对模拟的影响最大。晴空条件下,大部分通道的正演亮温误差在3 K以内,垂直极化较水平极化误差小。低频通道比高频通道受地表参数影响大,受云雨影响小,垂直极化比水平极化更稳定。其中10.65 V通道几乎不受云雨影响,但对地表参数非常敏感。     

云参数对微波亮温模拟计算的影响试验

利用CRTM (Community Radiative Transfer Model) 快速辐射传输模式对NOAA-K系列卫星的AMSU-A通道亮温进行正演模拟,重点研究云粒子类型、云高、云厚度等云参数对微波亮温模拟的影响。结果表明:改变云粒子类型时,云水和雨水对模拟亮温影响较大,模拟亮温值比晴空高1 K;霰、雪、冰、雹等固态粒子对模拟亮温的影响较小,模拟亮温值略低于晴空无云情况;云层光学厚度较大时,各通道亮温受云层影响的情况取决于权重函数峰值高度和云顶高度的配置;多个高度存在云时,若最上层云较厚 (2 km),光学厚度大,相应通道亮温取决于最上层云,较低层云对亮温不产生影响;云层变薄,光学厚度减小,高度低于云层或略高于云顶的通道亮温随云层厚度的变化明显,若通道高度远高于云顶,云层厚度的变化对于其亮温模拟的影响很小。     

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。     

基于ERA5的快速辐射传输模式与FY-4A成像仪观测结果的偏差分析

2016年12月发射升空的FY-4A是中国第二代静止轨道气象卫星,该星上搭载了可提供东半球近实时高分辨率卫星观测数据的扫描辐射成像仪——AGRI（Advanced Geostationary Radiation Imager）。在其观测数据应用于大气参数反演或同化前,数据偏差的定量化分析是一个必要环节。采用快速辐射传输模式RTTOV（Radiative Transfer for the TIROS Operational Vertical Sounder）,基于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第5个全球再分析数据产品（ERA5）对AGRI的7个红外通道（通道08—14）进行了模拟,并利用MODIS云检测产品对模拟结果进行了晴空筛选,以期得到一些对AGRI的定量应用有价值的偏差分析结果。观测-模拟（O-B）的偏差分析结果显示:海洋和陆地上,通道10（7.1 μm）存在明显大于其他红外通道的系统性偏差,这很可能来源于ERA5在对流层中层对水汽的高估。通道08为近红外短波通道,地表反射作用影响强烈,陆地上存在较大的平均偏差,而海洋上平均偏差小于0.4 K。通道14在ERA5近地层气温偏高及定标偏差的影响下,海洋存在接近1 K的平均偏差;陆地上存在2 K左右的平均偏差。其余各红外通道在海洋和陆地上的平均偏差分别在0.6和1.3 K以下。偏差影响因子分析结果显示:地表海拔高度、观测天顶角对偏差也存在一定程度的影响;海洋上偏差分布存在季节变化可能来源于再分析资料中海表温度估算的季节性误差。      

FY 2D静止气象卫星OLR反演模式

介绍FY2D卫星OLR反演模式的建立过程以及模式与NOAA卫星OLR反演模式的相互对比,包括：地球大气红外辐射传输方程,全球3812条大气廓线的大气顶射出辐射率、射出长波辐射通量密度的模拟计算,3812条廓线FY2D窗区通道1、2、水汽通道的通道辐射率模拟计算, 通道辐射率的临边变暗订正关系式的确立、3个通道波段的窄波段辐射通量密度的模拟计算。通过3812条廓线的窄波段辐射通量密度与OLR的XY坐标散点图,建立OLR回归关系式;并通过NOAA17 AVHRR通道5 OLR反演模式与FY2D窗     

The Impact of Satellite Radiance Data Assimilation within a Frequently Updated Regional Forecast System Using a GSI-based Ensemble Kalman Filter

A regional ensemble Kalman filter (EnKF) data assimilation (DA) and forecast system was recently established based on the Gridpoint Statistical Interpolation (GSI) analysis system. The EnKF DA system was tested with continuous threehourly updated cycles followed by 18-h deterministic forecasts from every three-hourly ensemble mean analysis. Initial tests showed negative to neutral impacts of assimilating satellite radiance data due to the improper bias correction procedure. In this study, two bias correction schemes within the established EnKF DA system are investigated and the impact of assimilating additional polar-orbiting satellite radiance is also investigated. Two group experiments are conducted. The purpose of the first group is to evaluate the bias correction procedure. Two online bias correction methods based on GSI 3DVar and EnKF algorithms are used to assimilate AMSU-A radiance data. Results show that both variational and EnKF-based bias correction procedures effectively reduce the observation and background radiance differences, achieving positive impacts on forecasts. With proper bias correction, we assimilate full radiance observations including AMSU-A, AMSU-B, AIRS, HIRS3/4, and MHS in the second group. The relative percentage improvements(RPIs) for all forecast variables compared to those without radiance data assimilation are mostly positive, with the RPI of upper-air relative humidity being the largest. Additionally, precipitation forecasts on a downscaled 13-km grid from 40-km EnKF analyses are also improved by radiance assimilation for almost all forecast hours.     

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。     

Evaluation of solar irradiance at the surface—inferences from in situ and satellite observations and a mesoscale model

Accurate information about the solar irradiance at the soil surface is essential for many agricultural, hydrological and environmental models that take into account the surface energy balance. The main goal of present study was to evaluate the solar irradiance predictions from the Advanced Research Weather Research and Forecasting (ARW) model for both clear sky and cloudy conditions. An extended observational dataset from the Georgia Automated Environmental Monitoring Network (AEMN) provided hourly solar irradiance at the surface and other collocated surface level measurements. The radiation bias (determined from the difference between the ARW predictions and AEMN observations) showed a linear relationship with the cloud optical depth and the cirrus cloud amount from the moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS). For cloud-free days, the ARW model had a positive radiation bias that exceeded 120 W m^?2 over coastal and urban areas of Georgia. The model radiation and air temperature bias increased with increasing aerosol optical depth derived from the MODIS observations during the cloud-free days, attributed to fire events that lasted intermittently throughout the study period. The model biases of temperature, mixing ratio, wind speed, and soil moisture were linearly dependent on the radiation bias.     

Application of ATOVS Radiance-Bias Correction to Typhoon Track Prediction with Ensemble Kalman Filter Data Assimilation

In this paper, firstly, the bias between observed radiances from the Advanced TIROS-N Operational Vertical Sounder (ATOVS) and those simulated from a model first-guess are corrected. After bias correction, the observed minus calculated (O-B) radiances of most channels were reduced closer to zero, with peak values in each channel shifted towards zero, and the distribution of O-B closer to a Gaussian distribution than without bias correction. Secondly, ATOVS radiance data with and without bias correction are assimilated directly with an Ensemble Kalman Filter (EnKF) data assimilation system, which are then adopted as the initial fields in the forecast model T106L19 to simulate Typhoon Prapiroon (2006) during the period 2-4 August 2006. The prediction results show that the assimilation of ATOVS radiance data with bias correction has a significant and positive impact upon the prediction of the typhoon’s track and intensity, although the results are not perfect.     

地面臭氧光化学过程规律的初步研究

给出了1996年夏季在广东肇庆鼎湖山对光化辐射、地面O3、NO、NO2浓度的观测结果,对影响地面O3、NO、NO2的主要因子进行了分析。晴天,地面O3、NO、NO2浓度有明显的日变化;阴天,它们的日变化比较复杂。晴天和阴天,在lnQUVB/m和lnQvis/m(其中QUVB为紫外B辐射,Qvis为可见光辐射,m为大气质量)与地面O3、NO,NO2浓度、整层大气水汽含量(q1、q2、q3、q4)之间存在着很好的相关关系。利用得到的关系式计算了地面O3浓度,在紫外和可见光波段,计算值与观测值符合得都比较好。     

FY-2A与GMS-5红外通道遥感数据的辐射定标

该文通过辐射传输模拟计算和匹配数据统计分析实现了FY-2A和GMS-5红外通道间的辐射定标.以辐射定标为基础将FY-2A红外通道和GMS-5红外A通道的遥感资料融合应用, 可以得到时间分辨率更高、空间视野更为广阔的静止卫星遥感资料.     

GMS-5 估计可降水量的研究

文章证明了由静止气象卫星GMS-5的分裂窗通道和水汽通道亮温反演可降水量的可行性,探讨了GMS-5红外通道亮温与可降水量的关系,建立了由3个通道亮温反演可降水量的经验公式。用60组大气平均廓线,对公式模拟检验误差为0.18 g/cm2,而用实际124组探空和对应的GMS-5亮温资料进行检验,误差0.40 g/cm2。用得到的经验公式可反演大范围的晴空可降水量分布。     

微波辐射计温湿廓线反演方法改进试验

为提升地基微波辐射计在不同天气条件下, 特别是云天条件下温湿廓线的反演精度, 利用2011年1月—2016年12月中国气象局北京国家综合气象观测试验基地探空数据, 在微波辐射计反演温湿度廓线的过程中通过区分晴天和云天条件并引入全固态Ka波段测云仪云高及云厚信息, 对反演输入亮温进行质量控制和偏差订正, 建立BP神经网络模型, 采用2017年1月—2018年3月微波辐射计探测数据评估检验, 结果表明:在亮温订正前提下, 晴天温度模型、云天温度模型、晴天相对湿度模型和云天相对湿度模型反演结果与探空的相关系数分别为0.99, 0.99, 0.80和0.78, 均方根误差为2.3℃, 2.3℃, 9%和16%, 较微波辐射计自带产品（LV2产品）减小约0.4℃, 0.3℃, 11%和9%, 准确性提升约30%, 28%, 64%和45%;温度模型偏差在±2℃以内、湿度模型偏差在±20%以内的占比分别为68%, 70%和95%, 78%, 较LV2产品分别提高了7%, 5%和27%, 23%, 其中相对湿度改善明显。可见亮温订正、区分天气类型训练反演模型有利于改善地基微波辐射温湿廓线反演精度。     

Ultraviolet sky radiance distributions of translucent overcast skies

Summary The diffuse sky radiation component in the ultraviolet wavelengths is often at least 50% of the global irradiance under clear skies, and is the dominant component of ultraviolet global radiation under translucent overcast skies. The distribution of sky radiance was measured in a rural area and modeled for wavelength bands of ultraviolet-B (UVB, 280–320 nm) and ultraviolet-A (UVA, 320–400 nm). Sky radiance measurements were made during the summer of 1993 over a wide range of solar zenith angles using radiance sensors mounted on a hand-operated hemispherical rotation mount. UVB irradiance measurements were also made during each scan. Since the ratio of measured irradiance under overcast skies and that predicted for clear skies was not correlated with cloud base height, opaque cloud fraction, or solar zenith angle, it was concluded that the scattering from the clouds dominated the global irradiance, and this scattering was relatively unaffected by the scattering off opaque clouds in the translucent atmosphere.Analysis of the translucent overcast sky UVA and UVB radiance measurements using a semi-empirical distribution model showed that the spectral influences on multiple scattering, single scattering, and horizon brightening components of the distributions agreed with basic atmospheric radiation theory. The best model used solar zenith, the sky zenith, and the scattering angle with resultant coefficient of determination values of 0.62 and 0.25 for the UVA and UVB respectively. The developed equations can be applied directly to the diffuse sky irradiance on the horizontal to provide radiance distributions for the sky.With 6 Figures