AMSU-A微波资料变分同化对双台风预报的影响研究

选取2015年发生在西北太平洋的一次双台风"灿鸿"和"莲花",考察微波辐射率资料同化在双台风数值预报中的应用,采用WRF-3Dvar系统,将AMSU-A微波辐射率资料同化进数值模式用于改善模式的初始场。试验结果表明:直接同化AMSU-A辐射率资料能有效缓解台风在海面上观测资料的不足,对于数值模式初始场的改进效果要优于仅同化常规资料的效果,并且从大尺度环境场上看使模式具备更合理的环流形势,从而提高了对台风路径以及强度模拟的精度,同时对降水强度、落区的模拟更加准确。

多源极轨卫星微波温度计资料实时区域同化系统

基于中尺度数值预报模式WRF和WRFDA同化系统,实现多源极轨卫星微波温度计资料实时区域同化,并对同化产品进行评估和应用。2018年同化试验结果表明:通过质量控制和偏差订正,AMSU-A资料第5~9通道亮温观测增量O-B(观测值O和背景场的正演辐射模拟值B的差值)的标准差有效降低,同化后各通道亮温分析残差O-A(观测值O和分析场的正演辐射模拟值A的差值)的标准差有效降低。同化预报产品被应用在暴雨强对流个例和台风个例中,取得良好效果。

3种卫星微波资料同化在三江源一次暴雨的模拟研究

为了解卫星微波资料同化是否能改善三江源降水模拟,针对三江源2018年8月24日短时强降水个例,利用NCEP FNL再分析数据,分别加入NOAA-18的AMSUA、MHS和NPP的ATMS微波资料同化,基于WRF模式及其三维变分同化系统对三江源区域此次降水过程进行循环同化实验,对模拟结果进行分析和讨论。结果表明,各卫星资料对背景场有着不同的调整作用,MHS对水汽影响最大并且多为增湿作用,AMSUA对温度调整最明显,3种资料对纬向风的影响结果几乎一样,对径向风的调整幅度较接近。在加入各卫星资料同化后,降水模拟有一定改善,对于各站点降水随时间变化模拟,效果MHS>ATMS>AMSUA;对于模拟的6 h累计降水量分布状况以及从降水评分结果,效果MHS,ATMS>AMSUA,对于模拟的24 h累计降水量以及检验结果来看,MHS>ATMS>AMSUA,综合来看,本次三江源降水事件,MHS效果改善最好,其次是ATMS,AMSUA效果稍差。

风云三号微波温度计长序列再定标历史数据集质量评估

以METOP-A、Suomi-NPP历史资料作为参照,系统分析比较了2008—2020年4颗风云三号卫星的微波温度计(Microwave Temperature Sounder, MWTS)再定标历史资料质量。结果表明,4颗卫星的MWTS探测性能稳步上升,再定标数据集有效消除了遥感仪器在轨期间数据异常跳变、寿命期内遥感仪器辐射响应衰变、不同卫星间的辐射定标差异等因素影响,大幅提升了MWTS历史数据集的准确性和均匀性,使得再定标后的对流层和平流层通道数据与国外同类型仪器数据偏差在±0.1 K范围内。本文还重点分析比较了对流层中高层和平流层低层两个探测通道,结果表明FY-3D MWTS再定标数据和美国NOAA卫星应用研究中心STAR长序列数据集针对中高层大气的表现类似,平均亮温在时间变化和空间分布具有相似的特征,月均全球高空亮温年变化趋势差异最大为0.002 4。因此,2020年之后的FY-3D再定标数据,可以接续STAR长序列数据集,用于中高层大气的温度变化检测与分析。

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。

Comparison of tropical cyclone thermal structures derived from ATMS and synthetic AMSU-A/MHS

热带气旋(TC)的暖心反映了其强度和变化.微波探测数据被广泛用于探测TC暖心,但观测到的TC暖心强度可能因仪器而异.本研究利用先进技术微波探测仪(ATMS)的过采样数据重采样至与先进微波探测仪(AMSU-A)一致的亮温,称为类AMSU数据.通过对比发现,ATMS的观测更加细致,较好地刻画了TC眼区和云带.使用ATMS和类-AMSU数据反演多个TC的暖心发现,在250 hPa,使用ATMS数据反演的暖心强度比类-AMSU高约1-2K,并且其暖心结构更详细.

激光雷达和微波辐射计温湿度廓线与探空数据的对比分析

基于西安泾河国家气象站2021年微波辐射计、西安理工大学研制的大气温湿度廓线激光雷达等设备观测数据反演计算0~10 km以下的温湿度,通过与探空资料的对比分别评估了微波辐射计和激光雷达的探测性能。结果表明,二者反演的温度均与探空数据具有较好的一致性,激光雷达反演的温度和探空温度的相关系数为0.997,均方根误差在1.5~2.5 K之间,微波辐射计反演的温度和探空温度的相关系数为0.973,均方根误差在1.5~5.0 K之间;在反演相对湿度方面激光雷达优于微波辐射计,激光雷达反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0.964,均方根误差在5%~15%之间,微波辐射计反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0.632,均方根误差在20%左右。

ERA5再分析数据在微波辐射计数据反演中的初步应用

为了研究ERA5再分析资料在微波辐射计数据反演中的应用效果,利用探空和ERA5作为训练样本分别训练得到两个神经网络,对微波辐射计观测数据进行反演。并以探空资料作为参考分别统计基于探空和ERA5再分析资料反演得到的数据的相关系数、绝对偏差和均方根误差,用于评估ERA5再分析资料在微波辐射计数据反演中的应用效果。结果表明:基于ERA5和探空反演的温度廓线与探空的相关系数分别为0.988、0.99,绝对偏差分别为2.402℃、2.607℃。反演水汽与探空的相关系数分别为0.975、0.979,绝对偏差分别为0.412 g/m^(3)、0.369 g/m^(3)。反演的相对湿度相关系数分别为0.663、0.696,绝对偏差分别为15.587%、13.976%。反演的积分水汽总量相关系数分别为0.959、0.968,绝对偏差分别为0.258 cm、0.227 cm。从结果来看,基于ERA5资料反演的温度、水汽资料与利用探空反演的结果相差较小,温度廓线反演效果优于相对湿度廓线。

基于多源资料的贵阳机场强对流天气分析

利用贵阳机场自动观测数据、ERA5再分析资料、贵阳市实况探空资料以及微波辐射计资料对贵阳机场一次持续时间较长的强对流天气过程进行了分析。得到以下结论:6月18日~19日贵阳机场强对流天气过程产生的降水呈西南–东北向带状分布,波动槽东移至贵州省且被副热带高压阻挡在贵州省中部,同时低层切变线和地面辐合线配合较好,导致其抬升运动明显且持久;同时贵阳机场上空持久的高水汽含量且整层大气均达到饱和,为此次过程提供了较好的水汽条件;加上高层冷平流叠加低层暖平流、强垂直风切变以及CAPE、K指数等偏高均表征着此次过程大气不稳定度较高。因此,贵阳机场遭遇了一次持续时间长且强度较高的强对流天气过程。通过进一步对微波辐射计资料进行分析得出强降水发生时段与贵阳机场实况观测记录数据相吻合,说明微波辐射计在强对流天气中的应用不可或缺。

AMSU-A资料在台风模拟中的循环同化研究

以WRF(V3. 7)中尺度模式及其三维变分同化系统(WRF-3Dvar)为平台,GFS(0. 5°×0. 5°)提供模式背景场,对AMSU-A微波辐射资料进行循环同化试验,研究台风数值模拟中AMSU-A资料的可用性及循环同化方法的可行性。以2014年第19号台风"黄蜂"为例,开展了控制试验和多组同化试验。同化试验主要包括循环同化常规观测资料和不同卫星测得的AMSU-A微波辐射资料。在对各试验初始场进行对比的基础上,比较了不同同化试验方案的模拟效果,结果表明:1) AMSU-A资料同化能有效地调整初始场,模拟的台风路径和强度都有一定的改善; 2)不同卫星探测的AMSU-A资料同化效果存在较大的差异,其中NOAA-15资料同化模拟台风"黄蜂"的路径和强度与实况最为接近; 3)循环同化是增加数值模式中资料使用量、改善台风模拟效果的有效方法。

AMSU-A全空辐射率资料同化对台风“天鸽”的预报影响研究

利用美国NCEP(National Centers for Environmental Prediction)发展的GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)同化系统和GSM(Global Spectral Model)全球频谱预报模式作为循环同化系统,选用2017年第13号台风为研究个例,采用全空和晴空两种同化方案对AMSU-A(The Advanced Microwave Sounding Unit-A)辐射率观测开展同化对比试验,并对台风“天鸽”个例进行5 d预报,研究AMSU-A全空辐射率同化对台风天鸽发展过程预报的影响。结果表明,全空同化方案相比晴空同化方案预报的台风路径、台风中心气压以及台风最大风速预报误差更小;全空同化方案对台风“天鸽”生命周期的模拟更加准确,更接近中国气象局发布的台风天鸽最佳路径的最低气压,而晴空同化方案预报的台风发展较弱,无法预报出成熟期的台风强度;全空同化方案能够增加低层通道海上厚云覆盖区域辐射率资料同化量,增幅占AMSUA同化观测总量10%,从而改进海洋区域天气系统的热力场结构。

先进微波探测器资料反演地表微波辐射率试验

利用美国环境卫星A型先进微波探测器AMSU A资料反演中国陆地区域地表微波辐射率。通过辐射传输正演模拟 ,提出了AMSU A窗区通道反演地表微波辐射率的指数分析方法。利用模拟数据对比了指数分析方法和以往通道亮温组合方法。结果表明 :对于地表比较干燥的地区 ,指数分析的反演结果略优于通道亮温组合的反演结果。在此基础上利用IGBP(InternationalGeosphere BiosphereProgram)的地表分类数据 ,提取AMSU A像元裸土组分的面积百分比信息 ,并进一步应用于AMSU A像元裸土组分地表微波辐射率的反演试验 ,提高了反演精度 ,并可进一步应用于区域地表湿度信息提取和大气参数反演 ,以及AMSU

基于气象资料变化特征和辐射传输模式的微波辐射计工作状态分析

提出利用晴天每天早晨08时的观测资料,以大气温度季节变化统计特征为依据,来判断微波辐射计观测期间的工作状态。简要介绍了大气微波辐射传输方程,以南京冬春季节大气温度变化的统计特征为依据,以2010年11月27日—2011年5月29日期间南京某辐射计08时晴天的实验观测资料为例,通过对其12个通道的亮温观测值和计算值进行统计对比和物理分析,给出该辐射计实验观测期间的工作状态判断,认为用于湿度遥感的22.235、23.035、23.835、26.235和30.000GHz五个通道观测期间工作状态良好、稳定,而用于温度遥感的51.25、52.28、53.85、54.94、56.66、57.29和58.80 GHz七个通道性能一直衰退。本文提出的方法可供微波辐射计工作状态监测和观测资料质量控制参考。

AMSU微波探测资料同化的质量控制方法概述

微波相比红外、可见光等卫星探测方式有能够穿透薄云的优点,同化微波探测资料能明显改进数值预报模式初始场。由于观测算子在云、降水粒子及性质复杂下垫面等因素影响下模拟辐射传输过程不准确,以及资料的观测误差较大等原因,实际同化应用时必须对微波探测资料加以认真筛选。为充分发挥探测资料作用并保证同化分析效果,在同化AMSU微波探测的研究中,很多机构和学者建立了散射指数、降水检测等质量控制方法,用来剔除观测算子不能准确模拟的观测。研究表明,资料同化过程中引入质量控制能起到改善同化效果,提高数值天气预报准确率的作用。但是,对于各种质量控制方法的原理和使用条件目前尚无完整的分析,使得各业务研究单位使用的质量控制方案差别较大。文章针对AMSU微波探测资料同化,在分析同化误差来源的基础上,总结了散射指数、降水概率、下垫面类型检测等质量控制方法,并简单讨论了质量控制的发展方向。

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。

地基微波辐射计网络资料处理系统设计及实现

青海省三江源自然保护区项目利用三台地基微波辐射计(12～20通道)用于人工增雨工程,为了有助于在增雨作业过程中快速、直观、准确掌握整个区域内天气状况,设计了微波辐射计网络资料处理系统。整个系统包括观测站以及中心站数据库设计、观测数据上传和入库以及用户查询显示终端程序。该系统的建立采用结构化程序设计,方便后续功能扩展,用DELPHI 7作为应用程序的开发工具,用Microsoft SQL 2000做数据库,已实现数据格式转换、数据资料的实时传输、自动入库、原始数据及气象产品的查询、输出及单站产品多方式显示等功能。经过半年多软件测试实验,系统整体运行良好。

风云三号微波观测资料的海雾同化模拟

数值模式边界层物理过程和初值场条件的欠缺是海雾模拟准确率偏低的主要原因。本文为改进模式初始场,开展针对海雾模拟的卫星观测资料同化试验,将质量控制和偏差订正后的FY-3A卫星微波湿度计(MWHS)和微波温度计(MWTS)的优选通道数据,经3DVar(Three-dimensional variational data assimilation)进入WRF模式以试验其对黄、渤海海雾模拟的影响。通过分析静止气象卫星检测到的海雾区模拟大气温、湿场同化分析增量,发现代表环境场条件的海雾类型及模式对其模拟能力的差异,显著影响了同化效果,表现为同化对模式模拟能力较强的平流冷型海雾改进明显,对模拟效果不甚理想的非典型混合过程中的暖型海雾阶段则基本没有改进效果。为寻找原因,对包括海雾区低层大气模拟场逆温结构在内的温湿度场与邻近探空观测进行了对比,分析了随时间演变的海雾格点温、湿场同化分析增量,发现冷型海雾区格点同化分析增量能弥补观测—模拟差异,使气温调减,相对湿度调增,同时水汽和液态水也出现负相关的变化,边界层相关热力动力场同化分析增量在垂直方向也有配合迹象,相比而言,主体是暖型海雾的非典型过程则未见此类现象和其他的有益调整迹象。

台风“杜鹃”的 AMSU卫星微波探测资料分析

由于微波具有穿透云的能力,AMSU卫星探测资料得到了越来越广泛的应用。利用AMSU多个通道的资料,对2003年台风“杜鹃”过程进行了分析。通过比较AMSU-B(89GHz和150GHz)与GOES-9的台风结构图像可以发现微波具有较强的垂直探测能力;在AMSU-B的5个通道中,通道2(Ch2)亮温值的大小能够最好地反映热带气旋螺旋雨带冰晶层的深厚程度,从而判定螺旋雨带的强度;Ch2的亮温分布与雷达的强降水回波有较好的对应关系;利用AMSU-A温度反演资料能够清晰地揭示热带气旋的暖心结构、地面风速和中心气压与250hPa温度距平的关系,以及强降水的落区等。结果表明:AMSU资料作为一种新的卫星微波探测资料,在热带气旋的结构、螺旋雨带的强度及其降水强度的分析预报中具有一定的应用价值。

FY-3A微波资料在“莫拉克”台风预报中的同化试验

我国新一代极轨气象卫星FY-3A于2008年5月26日发射成功,携带的微波垂直探测仪与NOAA系列卫星的ATOVS性能相似。为研究微波垂直探测仪资料在台风数值预报中的作用,实现我国FY-3A卫星的微波探测资料的直接同化,达到改进台风预报的目的,利用FY-3A微波探测资料,以WRF-3DVar系统为基础,针对2009年第8号台风"莫拉克"路径和强度预报,开展数值预报直接同化技术研究。试验结果表明,直接同化FY-3A微波资料对数值模式初始场改进要优于仅仅同化常规观测资料,对缺乏观测资料的海洋上改进尤为明显,模式初始场更加合理地反映海上台风环流形势以及温湿条件,海上台风的模式初始位置也得到了校正;经过FY-3A微波资料三维变分直接同化后,区域中尺度模式对台风路径预报效果具有积极的改善作用。

地基微波辐射计资料同化对一次特大暴雨过程影响的数值试验研究

基于暴雨中尺度数值预报模式AREMv2.3和三维变分同化系统GRAPES-3DVAR,以2008年7月22日08时至23日08时发生在我国东部地区的一次特大暴雨过程为例,研究了荆州、咸宁、常德3部地基微波辐射计反演的相对湿度廓线资料同化对降水预报的影响。结果表明:1)同化荆州、咸宁、常德3部微波辐射计反演的相对湿度廓线资料后,模式对降水落区预报改进不明显,但对降水强度预报改进明显,24 h降水最大增幅为45 mm;2)分别同化荆州、咸宁、常德微波辐射计湿度廓线资料,降水强度模拟均有所改进,24 h降水最大增幅分别达到42、10、24 mm;3)单站及两站微波辐射计资料同化均对降水强度预报有所改善,但不及对3部微波辐射计资料同时同化的结果,这表明同化的中尺度水汽场信息越多,初始场的质量越高,降水模拟效果越好;4)对上述暴雨过程而言,荆州微波辐射计湿度廓线资料同化对降水强度预报改进贡献最大,常德站次之,咸宁站作用最不明显。