利用FY-3星载微波资料对热带气旋云系和暖核特征的分析

介绍了中国FY-3系列卫星搭载的微波遥感仪器性能特点,以"1109"超强台风"梅花"为研究个例。通过微波湿度计单通道微波图像和微波成像仪双极化通道散点图,分析了台风云系中云雨粒子对遥感通道辐射的吸收和散射效应,揭示了台风在微波图像上表现形式的内在物理原因。利用微波向量辐射传输模式的模拟表明:微波温度计各氧气吸收通道对热带气旋系统水汽和水凝物含量变化的敏感性不大。因此,可利用权重函数峰值位于对流层中上层的通道3,探测出台风暖核辐射信息。根据两者相匹配的5个较理想时次数据,选取距"梅花"中心400 km范围为研究区域,并提出用于修正扫描点分辨率不均匀所带来取样偏差的方法,分别计算出订正临边效应后的暖核强度,发现它同表征台风强度的中心海平面气压变化趋势相一致。

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。

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。

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。

集合变分混合方法同化FY-3A卫星微波资料时混合系数选择的试验

基于FY-3A卫星微波资料,利用Hybrid方法对2012年7月21日北京地区强降水过程进行同化模拟试验,并分析了混合系数在同化中的应用。通过单点试验发现,传统3DVar同化方法的背景误差协方差是静态的,其同化增量总是表现为以观测单点位置为中心呈均匀、各向同性分布,且与同化单点的位置有关。而集合变分同化的背景误差协方差是由集合预报结果构造的集合协方差,其单点观测试验同化增量集中在此次降水区域周围,依赖于环流形势的分布,其分布与观测单点的位置无关。通过实际个例的同化试验发现,混合系数取0.5的模拟效果最好,其次为0.1,混合系数取1的试验模拟效果最差。

模拟月壤微波介电特性的实验研究与统计分析

为配合我国即将发射的绕月星载微波辐射计对月观测资料反演的需要,在野外采集大量地球玄武岩和斜长岩样品及对其进行主元素化学分析的基础上,配制了9个模拟月壤样品,并各制成0.8,1.0,1.2,1.4和1.6 g/cm3五个密度等级;然后在0.5～20GHz的频率范围内,用同轴线终端开路法在HP8722C矢量网络分析仪上对其介电常数进行了测量,并对测量结果进行了处理和统计分析.研究表明,在密度、频率和组分三个参数中,密度对介电常数的作用最为明显,频率次之,组分的影响最小.三者对介电常数实部的影响所占比例大约为45%,33%,22%,对虚部的影响约为55%,27%,19%.介电常数实部随密度和频率的变化符合较严格的线性关系,和二者的相关系数分别平均为0.99和-0.73.虚部和密度或频率在约0.5～10GHz范围呈线性关系,但在频率高于10GHz后,相关性明显弱化;组分对介电常数的作用较为复杂,二者之间很大程度上不遵循简单的函数关系,相关性最小.对样品主元素氧化物SiO2,A12O3,CaO,MgO,TiO2和△Fe百分含量的多元回归显示,它们和介电常数之间倾向于符合一个多元一次函数,Ti氧化物或Fe氧化物或Ti、Fe氧化物组合均未表现出其在对介电常数贡献上的特征组分的作用.