在数值预报中应用卫星反演资料的质量控制研究

资料变分同化作为提高数值预报准确率的有效手段之一，受到了越来越多的关注。如何将分辨率较高的卫星资料应用到数值预报中，弥补常规观测网时空分辨率的不足，成为数值天气预报的重要课题。以1996年6月28-29日发生在江淮流域的暴雨过程为例，依据其中尺度场和能量场特征，分别以低云量、急流、湿静力能为标准设计了三套质量控制方案。将质量控制后的反演湿度场变分同化并应用到中尺度MM5模式中，结果表明：经质量控制后，可以明显地改善降水区域及降水量的预报；对降水预报，特别是强降水天气过程的预报，该质量控制方案具有普遍意义。     

卫星云图反演资料质量控制方案在暴雨模拟中的对比研究

本文以2003年7月9～10日发生在江淮流域的暴雨过程为例,应用FY-2B卫星红外云图灰度资料,利用统计回归的反演方法求出高分辨率的温度和湿度的反演场用于改进预报的初始场。设计和对比了几种质量控制方案,再将控制后的反演场与常规资料进行同化,最后用MM5模式进行了模拟对比试验。结果表明：在模式的初始场中引入卫星云图反演场能反映出更为细致的中尺度结构,有效地增强了对降水有重要影响的高湿区;锋生函数质量控制方案改善模式的初始场,从而改善了MM5模式降水预报的落区和强度,提高了降水预报准确性及Ts评分。     

卫星云图资料反演的质量控制及变分同化数值试验

该文针对数值化的GMS红外卫星云图资料的特点,利用改进的统计反演方法分别求出温度和湿度估计场,设计了几种订正方案对反演出的温度和湿度进行质量控制;控制后的反演场再与常规观测资料进行变分同化,最后用MM4模式进行了模拟对比试验.结果显示,在合理的泛函设计的基础上,质量控制的好坏直接影响预报结果.用分析场格点值进行订正效果优于用测站值直接订正,加上对云图反演的值进行系统误差订正后,有效提高了降水预报准确率.值得指出的是,加进云图资料后,明显改善了模式降水预报的强度和区域,与仅用常规探空资料相比更接近于实况.     

卫星云图资料反演的质量控制及变化同化数值试验

该文针对数值化的ＧＭＳ红外卫星云图资料的特点,利用改进的统计反演方法分别求出湿度和温度估计场,设计了几种订正方案对反演出的温度和温度进行质量控制：控制后的反演场再与常规资料进行变化分化,最后用ＭＭ４模式进行了模拟对比试验,结果显示,在合理的涵函设计的基础上,质量控制的好坏直接影响预报结果,用分析场格点值进行了正效果优于用测站值直接订正,加上对云图反演的植进行系统误差订正后,有效提高了降水预报准确率     

雷达资料在云南一次强降水过程中的三维变分同化试验

鉴于云南观测信息相对不足、局地强降水突出的现状,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其变分同化系统进行雷达反射率因子和反演风场的三维变分同化试验。通过对2012年9月12日00:00—13日00:00发生在云南的一次强降水过程进行数值模拟和对比分析,结果表明,同时同化雷达反演风场和基本反射率因子,对区域模式同化系统中风矢量、相对湿度、位势高度几个基本分析量都有明显影响。雷达资料的同化,有利于区域模式初始场中强降水区域的上游中低层空气湿度增加、水汽输送增强和强降水发生区域的风场辐合加强,从而改善区域模式对强降水落区、强度的预报质量。对于切变线等天气尺度系统影响下的强降水过程,雷达资料的同化持续时间选取3 h、同化间隔为1 h较适宜。另外,雷达反演风场和基本反射率因子的同化均对降水预报改善有明显贡献,且多种资料的同化效果好于单一资料同化。     

气象卫星资料同化的科学问题与前景

从数值天气预报资料同化的角度,分析了气象卫星观测与常规气象观测的不同特点 形成了卫星资料同化的特殊科学问题。由于各类星载遥感仪器所观测到的是一定波长的电磁 辐射,不能像传统的直接观测资料一样被预报模式直接应用。又由于卫星观测对象是整个大 气层,而不是特定高度的大气,因此确定卫星观测影响的高度和它的潜在垂直分辨率成为一 个关键问题。卫星观测还可能存在着系统性的偏差,这与直接观测的误差互相独立也有很大 区别。资料同化通常建立在模式预报（即背景信息）与观测量的比较的基础上,为了实现同化,需要将模式的基本大气变量转换成星载仪器所获得的特定波长的电磁波特征量,或者将观测到的电磁辐射特征量反算成大气的特征量。前者需要引入复杂的观测算子,后者则将复杂的反演过程交给了前处理阶段。这就形成了直接与间接同化卫星资料的两种不同策略,策略的选择取决于同化系统处理复杂观测资料的能力,对同化效果有决定性的影响。逐个分析 了目前用于数值预报的5种卫星观测资料,即星载大气垂直探测器资料、大气运动矢量资料、散射仪海面风资料、卫星观测的云与降水信息资料与GPS掩星观测资料的同化的进展与有待解决的主要问题,概述了中国近年在大气垂直探测器等卫星资料同化中的研究进展及其业务应用的效果,并提出了今后需要予以特别关注的研究方向。     

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。     

数据同化/卫星反演/数值预报相互循环作用系统

介绍数据同化／卫星反演／数值预报相互作用的一种方案，将原来相互独立进行的操作组成为相互作用的循环系统。国家卫星气象中心（ＮＳＭＣ）和国家气象中心（ＮＭＣ）联合开发这个项目，其目的是改善我国卫星探测反演及其在业务数值预报中应用的情况。该文首先介绍相互作用循环流物基本原理，以及的分析／预报模式和卫星反演的方案，然后给出国家卫星气象中心和国家气象中心联合试验的阶段性成果。研究试验表明，相互循环作用方案有     

数值预报/卫星反演/数据同化循环试验

文中介绍了数值预报／卫星反演／数据同化的循环试验。由于湿度反演方法的改进，使得湿度反演产品的精度有所提高，所以首先进行了湿度廓线参与同化过程的试验。结果表明，反演的水汽产品对台风中心强度有正影响，经过４次同化过程２４ｈ预报模拟的台风加深与实况比较一致。４８ｈ预报台风中心减弱趋势在低层显得不足，但比业务预报有明显改进。２４与４８ｈ预报的总降水量和暴雨中心强度比未加入反演水汽产品的预报有明显增加，且接近实况。     

华北地区一次大雾过程的三维变分同化试验

文中采用WRF非静力数值预报模式及其三维变分同化系统(WRF3D-Var),对2006年1月13—14日发生在华北地区及山东半岛的一次大雾过程进行了包括GTS(Global Telecommunication System)资料、AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)资料和9210资料的不同资料组合的三维变分同化试验,以及时间间隔分别为6、3和1h不同时间频率的循环同化试验,并以同化分析场为初始场进行了36h的模拟试验。对同化分析场和模拟结果进行了分析,分析结果表明,采用三维变分方法同化AMDAR等多种非常规观测资料后,分析场均有明显的改变,对雾区的模拟结果也有局部不同程度的修正。进一步分析起修正作用的原因得知同化资料后对低层的湿度和层结趋稳性有所改善。同化GTS资料对低层的增湿贡献明显,但对层结趋稳性贡献不大;而同化AMDAR资料主要使层结趋稳性明显,对增湿无贡献;9210资料对低层湿度和层结趋稳性均有贡献。不同时间间隔的循环同化试验表明,多时次的循环同化比单时次的同化分析增量要大,逐时循环同化与6和3h循环同化相比,可明显改善模拟效果。     

对一次局地短时强降水过程的集合预报研究

以上海区域降水集合预报系统为基础,对2007年6月23~24日发生在上海地区的一次短时强降水过程进行了集合预报研究。结果表明:该集合预报系统总体上对这次强降水过程作出了较好的预报,但对强降水发生的时间、地点的预报还有误差,集合预报提供的概率预报结果比集合平均预报结果更具有参考价值。模式物理过程、初值和侧边界的不确定性对降水预报结果的影响是不同的。对降水结果,模式对流参数化方案的影响非常大,并贯穿于整个积分过程;边界层参数化方案的影响较小;侧边界不确定性的影响在初始阶段较小,随后逐渐增大,积分一定时间后,其影响与对流参数化方案的影响相当;初值不确定性在初始阶段有一定的影响,随后逐渐减小。同时考虑3种不确定性的集合预报效果总体上好于没有考虑侧边界不确定性的集合预报效果,考虑模式物理过程和侧边界不确定性的集合预报效果总体上比考虑3种不确定性的集合预报效果更好。对于考虑模式物理过程和侧边界不确定性的集合预报,改进初值能有效地改进对有无降水的预报,但对强度稍大一些的降水预报没有改进。     

一种卫星和雷达资料结合的强降水临近预报方法

在短期和短时天气预报的基础上，通过对气象卫星红外数字资料的定量处理和统计分析，作出降水云系的实时降雨量估计，并根据降水云系生命史的演变和移动、传播等特征，结合天气系统分型和雷达回波资料，提出一种北京密云水库上游潮河，白河流域区域性０－３小时强降水临近预报方法。     

直接同化卫星辐射率资料在暴雨预报中的应用研究

为了考察T213-SSI同化全球ATOVS卫星辐射率微波资料在极端暴雨事件预报中的应用效果和能力,评估和分析卫星资料的应用对极端暴雨事件预报效果的影响,利用T213-SSI准业务同化系统,对2007年7月16-19日的川渝地区暴雨过程进行了模拟分析.此次暴雨过程致灾严重,同时是一次预报难度很大的、西风带系统调整下的转折性天气过程,非常值得研究.共开展了3组模拟试验:第一组试验只同化常规资料;第二组试验连续同化10天常规资料和卫星微波资料,第三组试验只同化一个时次、分别使用常规资料和不同波段微波资料(AMSUA和AMSUB).结果表明:(1)仅同化一次卫星资料的暴雨预报不及连续同化10天卫星资料的效果好,说明卫星资料的使用需要有较长时间的累积才能产生较好效果;(2)卫星资料的长期使用可以改进大尺度环境场,使得暴雨天气过程的直接影响系统更接近实际;(3)AMSUA资料对温度场的调整有较大贡献,AMSUB资料对湿度场也有较为明显的影响.     

基于微波成像仪资料反演陆面降水

为了探讨微波亮温与降水的关系,结合时空匹配较好的TRMM卫星测雨雷达(PR)、微波成像仪(TMI)资料,用逐步回归方法,建立统计反演降水的新算式,并对新算式反演结果进行验证.结果表明:对0.1～3 mm/h和3～6 mm/h的降水来说.新算式反演结果与PR雷达反演降水相关较好;对6～10 mm/h的降水来说,新算式反演结果与PR雷达反演降水相关较差;对于大于10 mm/h的降水,新算式反演结果与PR雷达反演降水有较好的相关性,但均方根误差比较大,说明用这种方法反演降水,对于强降水中心的确定有很好的参考价值,但反演结果较实际偏小.通过对2004年7月18日发生的一次特大降水反演结果表明,卫星反演雨带的空间分布、强降水中心位置与PR雷达反演降水以及地基雷达反演降水基本一致.     

利用卫星和雷达估计大暴雨

利用合肥、武汉和长沙雷达、云顶亮温TBB等观测资料,对2003年7月8日发生的大暴雨天气过程进行了联合估计。结果表明:联合估算降水很好地再现了这次降水过程;卫星估算降水很大程度上弥补了雷达估算降水在空间分布上的不足,但对特大暴雨在强度上估计不足,对中等强度的降水估计偏大;引入雷达对卫星估算降水进行联合估算,能很好地反映暴雨云团的中尺度结构特征,反演的降水场能很好揭示强降水过程的时空变化特征。     

卫星遥感反演降水研究进展简述

高质量的降水数据是开展天气、气候、水文、生态等研究的重要基础.由于传统地面雨量计站观测和地基雷达观测受站点数量和地形条件的限制,很难实现大范围降水的均匀观测,而卫星反演降水能有效弥补传统观测站网的缺点.根据卫星反演降水的原理,简要概述了可见光、红外、微波、多种传感器组合的卫星降水反演算法、总结了5种不同卫星数据反演产品...     

东亚多卫星集成降水业务系统

静止气象卫星与极轨气象卫星的集成应用,能够充分发挥静止气象卫星与极轨气象卫星的各自优势。东亚多卫星集成降水业务系统采用拉格朗日集成算法,利用静止气象卫星的红外观测信息计算的红外冷云移动矢量,为极轨气象卫星微波降水的发展提供约束条件,实现了静止气象卫星红外观测信息与极轨气象卫星微波降水的集成,综合了两类卫星观测的优势。同时业务系统的设计考虑了多数据分级管理、多业务单元的协同工作和插件式的系统整体框架,为业务系统合理、快速处理多种来源的红外观测数据、微波降水数据,以及未来的数据更迭和算法更新提供了必要保障。     

GMS-5卫星估计中国西部地区月降水

在气候降水数据集中, 中国西部地区的降水数据精度一直偏低, 如全球降水气候项目数据集(GPCP)数据1998年年平均相对误差在100°E以西达到100%以上, 由于这一地区人烟稀少, 缺少足够的地面雨量站, 极轨卫星时间覆盖率低, GMS静止卫星高度角偏低, 给这一地区的降水测量和估计带来困难.本文尝试将GOES卫星降水指数(GPI)算法拓展应用到这一区域, 同时, 为了消除卫星高度角偏低造成的影响, 利用当地气候资料, 引入相对湿度修正因子.结果表明, 用GMS静止卫星云图结合气候资料, 可以有效估计中     

基于卫星探测资料的珠江三角洲城市群对降水影响的观测研究

利用卫星观测TRMM降水以及QuikSCAT风场资料, 对珠江三角洲地区及临近区域降水的分布特征进行了探讨, 结果表明: (1) 同一纬度相比, 珠江三角洲城市群所处的区域降水明显多于其周边地区, 表明了城市化可能会使所处区域的降水增加; (2) 珠江三角洲城市群所处区域降水的增加存在明显的季节变化特征, 在前汛期城市所处区域的降水增多较其它季节明显; (3) 珠江三角洲城市化对降水的影响与风场的分布密切关联, 降水增多的区域通常位于城市群所在之处及其下风方向的邻近地区; (4) 珠江三角洲城市化使城市群所处区域的降水时次减少, 而降水强度则加强; (5) 珠江三角洲城市群的天气、 气候效应只对对流性降水产生影响, 而层状降水的分布则与城市群的位置没有明显关联。