风云三号C星微波湿度计资料全天候同化对台风玛莉亚预报的影响

随着风云三号系列卫星的成功发射,越来越多的卫星微波直接观测资料应用于数值天气预报的资料同化系统。并且由于卫星微波全天候同化技术可以充分利用晴天及云雨区微波观测资料,在增加同化使用的观测数据的基础上,有效提高数值天气预报准确率,该技术在卫星资料同化领域也颇受瞩目。本研究选取2018年7月的台风玛莉亚,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其同化系统WRFDA(WRF Data Assimilation)中三维变分方法,探讨风云三号C星微波湿度计观测资料的全天候同化技术在区域模式中的适用性,以及其在不同模式驱动场中的预报表现。通过对比仅同化晴空区域卫星资料的试验和全天候同化的试验结果发现,全天候条件下更多的云雨区域观测资料被有效利用,能够更好地模拟出台风玛莉亚核心区域的暖心和对称风速结构,有效改善湿度场的预报,对台风路径的预报误差平均降低了大约34%~62%,且这种正面影响均能在不同模式驱动场中得到体现。

风云3号卫星微波湿度计的系统设计与研制

微波湿度计(MWHS)是风云3号卫星的主要有效载荷之一,其频率为150GHz(双极化)和183.31GHz(三通道),采用垂直于飞行方向的交轨扫描方式,科学目标是探测大气湿度的垂直分布。本文简要介绍微波大气湿度探测的基本原理,阐述了微波湿度计的系统构成及工作原理;描述了微波湿度计的性能指标要求。测试结果表明,微波湿度计性能指标满足设计要求。

风云三号A星微波湿度计主探测通道辐射特性

微波湿度计装载在2008年5月27日发射升空的我国新一代极轨气象卫星风云三号A星上,完成全天候大气湿度信息的被动微波遥感探测。主探测通道中心频点位于183.31 GHz,设置有3个双边带探测通道。为保证风云三号微波湿度计在轨定量应用,研制过程中完成了地面真空试验。该文对风云三号A星微波湿度计正样产品真空试验数据进行了定量分析,数据分析结果表明:风云三号A星微波湿度计正样产品主探测频点183.31 GHz附近的3个探测通道等效噪声温差小于等于0.91 K;定标准确度优于1.05 K;真空试验过程中微波湿度计辐射定标结果稳定。风云三号A星微波湿度计发射前辐射定标特性分析结果,为仪器在轨定量应用奠定了基础。

运用主成分分析方法诊断和消除风云三号B星微波湿度计观测数据中的噪音

风云三号A星和B星上的微波湿度计（MWHS）在183GHz附近有3个水汽探测通道（通道3～5）。搭载在MetOp和NOAA卫星上的微波湿度计（MHS）在相同频率上也有3个水汽探测通道。MWHS和MHS都是跨轨扫描仪器。通过对比MWHS观测亮温和用辐射传输模式模拟得到的亮温，发现在这3个通道的观测中都存在着沿轨道方向、随扫描角变化的直线形噪音。即使对足够长时间里的大量资料进行平均分析，该噪音也没有消除，说明噪音并不是由大气或地表的自然变化引起的。通道3～5噪音的大小分别是0.3，0.2和0.2K。用主成分分析方法（PCA）对MWHS一个月的资料进行研究，发现MWHS的直线形噪音主要存在于第一模态中，MWHS的直线形噪音叠加在该模态所主要描述的观测亮温随扫描角变化特征，即跨轨仪器的主要特性。对于这3个水汽探测通道，第一主成分解释了超过99.91%的总方差。将第一主成分进行5点平滑再对原观测数据重构可以有效地去除MWHS资料中的噪音。重构后的资料随扫描角的变化变得比较平滑，与MHS偏差随扫描角的变化特征一致。

FY-3B卫星微波湿度计热真空定标方法和结果分析

本文论述了风云三号卫星B星微波湿度计(MWHS-3B)发射前热真空定标的原理和方法,建立了各种定标误差的修正算法,获得了MWHS-3B的系统线性度、观测不同目标的灵敏度和最终定标精度等关键技术指标。这些参数已经用于MWHS-3B在轨数据的处理。

FY-3卫星微波湿度计天线与接收机单元的谐响应分析

利用大型有限元分析软件ANSYS建立FY-3卫星微波湿度计天线与接收机单元的有限元模型,通过在x,y,z3个方向上分别施加基础正弦激励,获得有限元模型在不同加载方式下的响应.通过提取各监测点的位移响应,得出了结构在正弦激励试验下是合格的结论.

微波湿度计资料在GRAPES模式中偏差订正方法研究

根据微波湿度计MHS(Microwave Humidity Sounder)辐射率资料及GRAPES(Global/Regional Assimilation and Pr Ediction System)模式的特点,建立适用于MHS资料的偏差订正系统,该系统包括扫描和气团偏差订正,其中气团偏差订正考虑水汽资料的特性,采用三种不同预报因子组合的方案。偏差订正结果表明:MHS各个通道的扫描偏差表现出不同特征;偏差订正后观测残差基本服从均值为零的高斯分布,且观测残差的均值有所降低并随时间变化平稳;三种气团偏差订正方案都有明显的订正效果,其中方案三的订正效果最佳。

风云三号微波湿度计遥感图像地理定位方法

风云三号(FY-3)微波湿度计采用45°天线绕轴旋转形成垂直于卫星飞行轨迹的360°连续变速圆周扫描方式。依据这种扫描几何,给出了适用于风云三号微波湿度计遥感图像地理定位的方法,定义了完善的坐标系及坐标系转换关系,根据微波湿度计观测几何、卫星空间位置和姿态、仪器空间位置和指向建立了天线观测矢量与地面位置之间关系的模型。风云三号微波湿度计遥感图像地理定位方法在风云三号地面应用系统业务运行中,对微波湿度计遥感图像地理定位精度达到了像元级。

风云三号卫星微波湿度计数据处理与系统控制的冗余设计方案

微波湿度计是风云三号卫星重要载荷之一,其中数据处理与系统控制单元是控制系统工作状态、数据采集和数据交换的核心部件,该单元的可靠性和安全性对微波湿度计至关重要。结合神舟四号多模态微波遥感器的研制经验,对冗余设计中通用的设计方案进行了分析和比较,详细介绍了风云三号卫星微波湿度计数据处理与系统控制所采用的冗余设计方案的选择依据、基本原理和特点。通过风云三号卫星微波湿度计的实际应用,该方案的可行性与可靠性得到了充分验证。

一次极端短时强降水过程中FY-3微波湿度计观测特征分析

利用FY-3微波湿度计资料和常规观测资料,对2016年贵州至湖北一次强降水事件中极端短时强降水站点、一般性短时强降水站点上空对流云的微波观测特征进行了对比分析。结果表明:(1)极端短时强降水站点上空150 GHz附近窗区探测通道亮温低于一般性短时降水站点。(2)极端短时强降水站点上空水汽通道亮温垂直分布呈现漏斗状,对干侵入有一定指示作用,亮温最低值出现在183.31±7 GHz附近,主要为暖云降水;一般性短时强降水站点上空水汽通道亮温垂直分布则呈竖条形,亮温最低值出现在183.31±3 GHz和183.31±7 GHz探测通道附近,为冷云暖云混合降水。(3)极端短时强降水站点上空未出现冲顶对流,但低层对流发展旺盛;一般性短时强降水站点上空出现冲顶对流,但低层对流发展强度偏弱。

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A星微波湿度计数据处理与应用

主要介绍了风云三号A星(FY-3A)有效载荷之一——微波湿度计的结构、运行状态以及数据接收和数据处理的具体形式。利用神经网络算法建立反演模型,并与国外已经业务运行的先进微波探测单元B型(AMSU-B)比较,性能相当。反演北京地区2008年7—12月相对湿度和水汽密度廓线,对比探空数据,分析反演均方差。同时,分析了台风到来时不同通道的亮温显示结果,从而证明:风云三号微波湿度计不仅能全球范围内探测大气水汽等相关信息,同样在台风、热带气旋的检测和判断未来的走势中也发挥了重要作用。

风云三号卫星微波湿度计天线驱动控制

微波湿度计的工作周期完全由天线扫描周期决定,系统根据天线角编码信息,按照既定时序完成对地观测数据、热源及冷空的定标参数的采集。天线的扫描模式分为变速扫描、匀速扫描和定点观测三种。三种工作模式需通过地面数据注入控制切换,数控单元解析后由天线扫描驱动控制电路将模式控制指令发送至天线驱动控制模块(MCDE),最终由扫描机构执行。着重介绍数控单元如何根据地面注入指令控制天线扫描驱动机构的工作模式,同时通过读取天线辅助参数,根据天线角编码信息所对应的时序完成科学数据的采集。

风云三号A星微波湿度计四川盆地上空资料同化个例研究

为了进一步研究风云三号微波湿度计陆地上空观测资料应用于业务预报的可能性,选用数据噪音较大的FY-3A星所载的微波湿度计MWHS资料,通过两个四川盆地的典型暴雨个例,研究利用WRFDA在初始时刻同化FY-3A MWHS通道3-5 LEVEL 1的扫描观测资料所产生的同化及预报影响。结果表明,同化FY-3A MWHS通道3-5的观测资料可以对预报产生中性或正面作用,FY-3A MWHS的较大数据噪音也不会对同化及预报产生负面影响。研究为进一步对FY-3系列卫星的相似仪器陆地上空观测资料进行质量控制,并应用于同化和预报试验提供了重要的参考。

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。

FY-3C微波湿度计辐射率资料同化对RMAPS-ST系统的降水预报影响

卫星观测资料可以为数值天气预报模式提供有效的初始场信息,特别是包含大气湿度信息的卫星观测,可解决常规探测水汽信息的水平空间局限性和中高层探测精度低的问题。本研究基于北京城市气象研究院研发的新一代快速更新多尺度资料分析和预报系统——短期预报子系统(the rapid-refresh multi-scale analysis and prediction system-Short-term,RMAPS-ST),采用三维变分的方法,同化了FY-3C卫星微波湿度计(MicroWave Humidity Souder-2,MWHS-2)辐射率资料;同时,选取2019年7月下旬共计12天预报时长为24 h进行3 h循环同化预报试验,分析评估了FY-3C微波湿度计辐射率资料同化应用对RMAPS-ST系统预报结果的影响。研究结果表明,经过一系列质量控制及偏差订正之后,观测残差的统计特征更接近于均值为零的高斯分布,残差标准方差有所减小,这将有效提高MWHS-2辐射率资料对分析场的调整。通过与观测资料的对比分析发现,同化FY-3C微波湿度计辐射率资料之后,在6 h,12 h和18 h预报时效,400 hPa高度以下的比湿预报平均偏差和均方根误差较未同化的控制试验有所减小;MWHS-2辐射率资料同化试验对于降水预报也有一定的正效果,在0~24 h预报时效内,25 mm及以下量级的降水预报评分均有不同程度的提高,对于50 mm以上降水,与控制试验相比,MWHS-2辐射率资料同化试验改善了6 h预报时效之后的漏报情况,整体预报与实况更加接近。本研究有助于推进我国自主研发卫星观测资料在区域数值模式中的业务同化应用,为提升预报性能提供参考。

气象卫星微波湿度计资料简介

第一个先进微波湿度计（AMSU-B）搭载于1998年5月13日发射的美国国家海洋与大气局（NOAA）卫星NOAA-15（http：//www.wmo-sat.info/oscar/instruments/view/33）。它与第一个先进微波温度计（AMSU-A）一起分别完成对大气水汽和温度的垂直探测。与红外或可见光频段不同，微波可以穿透非降水云，因而微波湿度计可以观测到除强降水以外各种天气条件下的水汽信息。AMSU-B有5个通道，与AMSU-A的15个通道一起通称为AMSU，AMSU-B的通道1～5对应AMSU通道16～20。AMSU-B通道1～2是两个窗区通道，它们的中心频率分别位于89.9和150GHz附近，用来观测地表温度和地面发射率等参数；AMSU-B通道3～5是3个大气探测通道，它们的中心频率分别位于（183.31±1）、（183.31±3）、（183.31±7）GHz附近的水汽吸收带，主要用来观测对流层中下层的水汽分布。AMSU-B的其他一些仪器参数见表1。

风云三号C星微波湿度计资料的全天候同化在江淮梅雨期降水预报中的应用研究

梅雨锋系统具有突发性强、发展迅速、容易引起洪涝灾害等特点,其预报一直是气象业务系统中急需解决的重难点问题。基于此,为更好地研究风云资料全天候同化对于改善模式初始场质量,以及提高数值天气预报准确度的效果,选取2020年6月20-25日一次典型的梅雨锋过程进行模拟。基于中尺度WRF-ARW模式及WRFDA同化系统,利用FY-3C微波湿度计观测资料进行同化试验。试验结果表明:全天候同化试验提高了FY-3C/MWHS-2的资料使用率,在减小湿度场、温度场等方面的预报误差起到积极作用,且在梅雨锋降水预报中,减少了降水虚报问题的发生,提高了降水落区分布和降水量级的预报水平,对降水精细化预报和制定防灾减灾措施等工作具有一定的参考价值。

微波湿度计探测青藏高原卷云和温湿度分布

鉴于青藏高原地区的气象站和探空数据观测数据非常有限,且其卷云和温湿度分布对全球气候有重要影响,提出联合风云三号卫星微波湿度计(FengYun-3C microwave humidity and temperature sounder,FY-3C MWHTS)在轨观测数据和欧洲中值预报中心发布的青藏高原地区再分析数据,采用改进的神经网络方法分析上对流层和低平流层大气卷云极化和散射信息敏感性,开发青藏高原地区大气卷云检测反演算法。进而利用在轨实时运行的FY-3C星微波湿温探测仪数据提取青藏高原地区全天候大气卷云信息,研究青藏高原区域卷云随季节的变化规律和分布特征。

风云三号卫星微波湿度计圆满完成第二次航空校飞试验

我国风云三号卫星微波湿度计继9月底在青海湖首次校飞试验完成后，又于10月初在敦煌试验场实施了第二次航空校飞试验。