多源極軌衛(wèi)星微波溫度計資料實時區(qū)域同化系統(tǒng)*

希 爽，于天雷，任素玲，張里陽，唐世浩

（1.中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心 衛(wèi)星資料同化室，北京 100086；2.國家衛(wèi)星氣象中心 遙感室，北京 100081；3.許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心，北京 100081；4.中國氣象局 中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實驗室，北京 100081；5.國家衛(wèi)星氣象中心 衛(wèi)星氣象研究所，北京 100081）

0 引言

我國數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)部門普遍對極軌衛(wèi)星資料對全球數(shù)值預(yù)報模式的作用認(rèn)知度很高，但在我國區(qū)域模式[1-7]中，極軌衛(wèi)星資料并沒有得到普遍應(yīng)用。因為區(qū)域模式啟動時間快、資料截斷時間短。如快速更新循環(huán)同化系統(tǒng)[8-13]要求截斷時間更短（如70 min），只有高時效資料才能進(jìn)入同化系統(tǒng)。全球（整軌）極軌衛(wèi)星資料一般時效為3 h～6 h，不能滿足要求。

本文提出采用多源極軌衛(wèi)星資料來解決以上問題：首先挖掘使用大量時效很高的區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)資料，滿足區(qū)域模式對資料的時效要求；然后利用搭載在不同平臺的多源衛(wèi)星資料，提高過境資料量。

本文從中國氣象局業(yè)務(wù)平臺獲取微波溫度計（Advance Microwave Sounding Unit-A，AMSU-A）資料，對區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)資料進(jìn)行處理和質(zhì)量評估；基于中尺度數(shù)值預(yù)報模式（Weather Research and Forecasting Model，WRF）及其同化系統(tǒng)（WRF Data Assimilation，WRFDA），建立區(qū)域模式極軌衛(wèi)星資料實時同化系統(tǒng)，在2018 年1 月～10月進(jìn)行連續(xù)實時同化試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行初步評估。

1 資料

1.1 微波溫度計AMSU-A 資料

先進(jìn)的泰羅斯業(yè)務(wù)垂直探測儀（Advanced TIROS Operational Vertical Sounder，ATOVS）搭載在NOAA-15、NOAA-16、NOAA-17、NOAA-18、NOAA-19、MetOp-A 和MetOp-B 上，其中AMSU-A 采用跨軌掃描方式，星下點(diǎn)分辨率約為48 km，每條掃描線有30 個視場，最大掃描角為48.33°。AMSU-A 有15 個微波探測通道，其中12個通道中心頻點(diǎn)位于氧氣吸收波段（50.3 GHz～57.3 GHz），探測從地球表面到42 km 高度的大氣溫度，其余3 個通道為反映地表和降水信息的窗區(qū)通道。

1.2 極軌氣象衛(wèi)星資料來源分類

極軌氣象衛(wèi)星資料按照來源可被分為全球資料和區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)資料兩大類。

1.2.1 全球資料

全球資料是指一條經(jīng)過定標(biāo)、定位預(yù)處理的完整軌道的極軌衛(wèi)星全球觀測數(shù)據(jù)，掃描地球一圈用時超過100 min。全球資料受到航天器內(nèi)部存儲時間和數(shù)據(jù)收集、處理和分發(fā)過程影響，延遲3 h～6 h 后到達(dá)用戶，可同化資料數(shù)量受到限制。

中國氣象局業(yè)務(wù)接收的AMSU-A 儀器的全球資料有兩種，分別來自美國國家衛(wèi)星、數(shù)據(jù)和信息局（National Environmental Satellite,Data and Information Service，NESDIS）和歐洲氣象衛(wèi)星組織（European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites，EUMETSAT）。

1.2.2 區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)資料

區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)資料，來自“區(qū)域衛(wèi)星垂直大氣探測資料轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)”（Regional ATOVS Retransmission Service,RARS），是世界氣象組織在數(shù)值天氣預(yù)報模式時效需求的驅(qū)動下，將全球幾十個衛(wèi)星接收站與幾個區(qū)域數(shù)據(jù)處理中心共同組成全球網(wǎng)絡(luò)，向全球用戶實時提供的極軌衛(wèi)星垂直探測數(shù)據(jù)。區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)資料以弧段數(shù)據(jù)為單位，時效高達(dá)0.5 h。

中國氣象局業(yè)務(wù)接收的區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)資料也有兩種，一種來自亞洲-環(huán)太平洋區(qū)域ATOVS 轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)（Asia-Pacific Regional ATOVS Retransmission Service，APRARS）；另一種來自歐洲氣象衛(wèi)星組織先進(jìn)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)（EUMETSAT Advanced Retransmission Service，EARS），均包含十幾個衛(wèi)星資料接收站。

區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)資料由于時效高，已被歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）、英國氣象局、日本氣象廳[14-15]、印度[16]和美國[17]的氣象部門數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)應(yīng)用。目前在我國還沒有被應(yīng)用。

1.3 多源衛(wèi)星資料預(yù)處理

在中國氣象局?jǐn)?shù)據(jù)平臺（http://idata.cma.cn/）檢索并獲取4 種來源AMSU-A 的資料[18]，并將同化時間窗內(nèi)所有衛(wèi)星資料進(jìn)行拼接。以上區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)資料格式為1 級C型（Level 1 C，L1C）格式[19]，需要被轉(zhuǎn)成氣象數(shù)據(jù)的通用二進(jìn)制格式（Binary Universal Form for data Representation，BUFR）后才能進(jìn)入WRFDA 同化系統(tǒng)。

1.4 多源衛(wèi)星資料質(zhì)量評估

首先對區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)資料進(jìn)行質(zhì)量評估，由于NESDIS全球資料被公認(rèn)為定標(biāo)質(zhì)量較高，在本文中被當(dāng)成評估區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)資料質(zhì)量的基準(zhǔn)。

如圖1 所示，在將區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)資料與NESDIS 全球資料匹配時，本文采取先“粗篩”后“精匹配”的方法，其中設(shè)定兩者觀測時間之差小于7 s，經(jīng)緯度之差小于0.1°。

圖1 區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)資料和全球資料匹配流程圖

區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)資料質(zhì)量評估結(jié)果[20]表明：區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)站資料質(zhì)量穩(wěn)定，NOAA-18 衛(wèi)星通道5～11 的6 個月均方根誤差RMSE為0.17 K。

1.5 衛(wèi)星微波溫度計AMSU-A 資料質(zhì)量控制

為了降低觀測資料自相關(guān)，在WRFDA 同化系統(tǒng)里，對衛(wèi)星微波溫度計AMSU-A 資料和探空資料[21]進(jìn)行稀疏化（稀疏化距離分別被設(shè)為60 km 和30 km）。為了模式更好地吸收衛(wèi)星資料信息，需要降低衛(wèi)星資料和背景場之間的偏差，并去除衛(wèi)星資料處理環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性偏差，對微波溫度計AMSU-A 資料進(jìn)行了質(zhì)量控制[22-23]和變分偏差訂正[24]。

2 實時區(qū)域同化和預(yù)報系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖2 所示，多源極軌衛(wèi)星實時區(qū)域同化系統(tǒng)（Real-time Regional Assimilation System，RRAS）分為數(shù)據(jù)處理、同化/預(yù)報以及檢驗和可視化3 個層，主要包括9 個模塊：資料獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、多源衛(wèi)星資料監(jiān)控和質(zhì)量分析、同化、預(yù)報、后處理、檢驗、作圖和運(yùn)行調(diào)度。

圖2 多源ATOVS 衛(wèi)星微波溫度計資料實時區(qū)域同化系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 同化系統(tǒng)和區(qū)域模式

使用WRF 模式和WRFDA3.7 同化系統(tǒng)[25]，實現(xiàn)多源極軌衛(wèi)星資料實時區(qū)域同化。衛(wèi)星觀測算子采用美國衛(wèi)星資料同化聯(lián)合中心（Joint Center for Satellite Data Assimilation，JCSDA）開發(fā)的快速輻射傳輸模式(Community Radiative Transfer Model，CRTM）[26]。

WRF 模式區(qū)域中心點(diǎn)位置設(shè)為（25°N，135°E），水平格距15 km，水平網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為540×480 個。模式積分時間步長為90 s，垂直方向28 層，模式層頂高度為10 hPa。采用新Grell 對流參數(shù)化方案、RRTMG 長波和短波輻射方案、WSM 6 類水物質(zhì)方案、MYNN 表面層方案、聯(lián)合Noah 地表方案和MYNN 邊界層方案。

2.3 運(yùn)行方案

中尺度模式背景場為全球T639 模式的12 h 數(shù)值預(yù)報場，每天UTC 00:00、06:00、12:00 和18:00 進(jìn)行同化分析，使用WRFDA 同化多源AMSU-A 資料和常規(guī)觀測資料，同化時間窗為3 h，冷啟動運(yùn)行中尺度模式預(yù)報模式WRF，向后預(yù)報48 h。每6 h 輸出一次大氣溫度T、濕度q、位勢高度ght、緯向風(fēng)u、經(jīng)向風(fēng)v以及云中水物質(zhì)等數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，覆蓋中國大部分陸地及東海、南海以及周邊地區(qū)和海域（65°E～180°E 和-15°S～60°N）。

2.4 輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)

RRAS 系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)主要來自全國綜合氣象信息共享平臺數(shù)據(jù)庫，輸出產(chǎn)品被存放在網(wǎng)盤。為了使業(yè)務(wù)人員能直接用氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)（MICAPS）分析RRAS 產(chǎn)品，本文將RRAS 產(chǎn)品進(jìn)行加工處理，插值為0.1°×0.1° 等經(jīng)緯度網(wǎng)格數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為MICAPS格式[27]。

3 同化評估結(jié)果

3.1 AMSU-A 資料亮溫觀測增量O-B

背景場的正演輻射模擬值（B）由數(shù)值預(yù)報模式場的溫度、濕度廓線以及地表參數(shù)等代入快速輻射傳輸模式CRTM 正演得出。觀測增量O-B（觀測值O和背景場的正演輻射模擬值B的差值）在質(zhì)量控制中常被用來剔除觀測數(shù)據(jù)異常值。

試驗結(jié)果如表1～表3 所示：（1）在質(zhì)量控制后，O-B標(biāo)準(zhǔn)差降低了26%～87%；（2）偏差訂正后亮溫O-B平均值更接近高斯分布中值（0 K）；（3）經(jīng)過質(zhì)控和偏差訂正后，通道5～9 亮溫O-B平均值變?yōu)?0.03 K、-0.02 K、-0.02 K、0.02 K 和-0.05 K，O-B標(biāo)準(zhǔn)差分別降低了56%、31%、80%、88%和33%。

表1 2018 年1 月～10 月NOAA-18 衛(wèi)星AMSU-A亮溫觀測數(shù)量

表2 2018 年1 月～10 月NOAA-18 衛(wèi)星AMSU-A亮溫O-B 標(biāo)準(zhǔn)差

表3 2018 年1 月～10 月NOAA-18 衛(wèi)星AMSU-A亮溫O-B 平均值

3.2 亮溫的觀測余差O-A 和觀測增量O-B

觀測殘差O-A（觀測值O和分析場的正演輻射模擬值A(chǔ)的差值）,代表同化后觀測值和分析場的差異。從O-B到O-A的變化反映出同化觀測資料對數(shù)值預(yù)報背景場的調(diào)整。

如表4 所示，2018 年1 月～10 月，各通道亮溫O-A標(biāo)準(zhǔn)差與亮溫O-B標(biāo)準(zhǔn)差相比平均降低33%，分別降低了0.13 K、0.1 K、0.09 K、0.11 K 和0.18 K。說明同化后有效地使背景場亮溫靠近衛(wèi)星觀測場亮溫。

表4 NOAA-18 衛(wèi)星AMSU-A 第5～9 通道亮溫的O-B 標(biāo)準(zhǔn)差和O-A 標(biāo)準(zhǔn)差

3.3 RRAS 同化結(jié)果與全球分析場對比

3.3.1 對比方法

全球T639 分析場被視為真實值，將其插值到WRF采用的Arakawa C 水平網(wǎng)格[25]，將RRAS 分析場插值到T639 模式標(biāo)準(zhǔn)氣壓層。在相同的氣壓層和水平網(wǎng)格上，計算兩者均方根誤差RMSE：

其中，X代表RRAS 同化分析場，Y代表全球T639 分析場，m為水平方向模式格點(diǎn)個數(shù)。變量包括：位勢高度、溫度、緯向風(fēng)速、經(jīng)向風(fēng)速、2 m 溫度、10 m 緯向風(fēng)速和10 m 經(jīng)向風(fēng)速。

3.3.2 對比結(jié)果

2018 年1 月～10 月試驗RRAS 分析場與全球分析場相比：

（1）如表5 所示，在6 個典型氣壓層上，位勢高度平均RMSE為23.58 dagpm，溫度平均RMSE為1.17 K，緯/經(jīng)向風(fēng)速平均RMSE為3.36 m/s 和3.80 m/s。其中位勢高度和溫度的RMSE在500 hPa、700 hPa 和850 hPa 較小；風(fēng)速RMSE在200 hPa 最大；

表5 同化分析變量（與全球分析相比）的RMSE 的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

（2）如表6 所示，2 m 溫度RMSE平均為1.01 K，10 m緯向風(fēng)和10 m 經(jīng)向風(fēng)平均值為2.07 m/s 和2.23 m/s。

表6 2 m 溫度、10 m 經(jīng)向風(fēng)和10 m 緯向風(fēng)（與全球分析相比）RMSE 的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

該結(jié)果與同期其他業(yè)務(wù)區(qū)域模式類似。

4 同化系統(tǒng)產(chǎn)品應(yīng)用

RRAS 預(yù)報產(chǎn)品能提前反映副熱帶高壓、強(qiáng)降水過程溫度場和風(fēng)場等，支撐暴雨強(qiáng)對流天氣分析；RRAS 對臺風(fēng)路徑也有較強(qiáng)預(yù)報能力。

4.1 暴雨強(qiáng)對流個例

4.1.1 2018 年長江梅雨個例

受低渦切變線云系影響，2018 年7 月5 日，西南地區(qū)東部、江漢、江南北部、江淮和黃淮南部等地出現(xiàn)較強(qiáng)降水天氣。

副熱帶高壓是影響降水和臺風(fēng)路徑的重要天氣系統(tǒng)，RRAS 對副熱帶高壓的預(yù)報能夠反映同化預(yù)報系統(tǒng)的性能。如圖3(a)所示，RRAS 提前12 h 預(yù)報的500 hPa西北太平洋副熱帶高壓（588 dagpm 等值線），呈東西帶狀分布，與實況副熱帶高壓形態(tài)基本一致，位置略偏東。

低層的熱力結(jié)構(gòu)和動力結(jié)構(gòu)與暴雨發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切。如圖3(b)和圖3(c)所示，RRAS 提前12 h 預(yù)報的850 hPa 溫度分布以及850 hPa 風(fēng)場位于湖北東部的低渦中心，均與實況一致，RRAS 產(chǎn)品分辨率更高、刻畫更精細(xì)，對預(yù)報員分析天氣形勢非常有利。

4.1.2 2018 年秋季強(qiáng)降水個例

2018 年9 月4 日～5 日受高原槽云系東移影響，青海東部、甘肅南部和四川等地出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣。

如圖4 所示，RRAS 預(yù)報未來12 h 的500 hPa 副熱帶高壓海上部分略偏東，形態(tài)和實況基本一致；RRAS 也提前12 h 預(yù)報出了位于貴州、湖南和重慶等地的副熱帶高壓陸地部分，與實況相比范圍略小。

圖4 北京時2018 年9 月5 日20:00，RRAS 提前12 h 預(yù)報的位勢高度和實況（單位為dagpm，同圖3（a））

4.2 2018 年臺風(fēng)“瑪利亞”和“山竹”個例

海上缺乏常規(guī)觀測資料，極軌衛(wèi)星微波溫度計資料為區(qū)域模式彌補(bǔ)海上大氣觀測，為臺風(fēng)預(yù)報提供更準(zhǔn)確的大氣初始場信息。

如圖5 所示，在2018 年臺風(fēng)“瑪利亞”和“山竹”個例中，RRAS 產(chǎn)品分析的48 h 臺風(fēng)中心與中央氣象臺發(fā)布的臺風(fēng)中心基本一致；RRAS 每隔6 h 預(yù)報一次未來48 h臺風(fēng)路徑，在“瑪利亞”臺風(fēng)登陸前（2018 年7 月9 日～11日）預(yù)報的臺風(fēng)路徑與實況非常接近。

圖5 臺風(fēng)個例RRAS 同化分析和預(yù)報

5 結(jié)論

本文使用多源、多平臺的極軌衛(wèi)星資料，建立極軌衛(wèi)星微波溫度計資料實時同化系統(tǒng)，實現(xiàn)區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)的極軌衛(wèi)星微波溫度計AMSU-A 資料實時同化。本文對區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)極軌衛(wèi)星資料的評估方法和同化方法，可為其后續(xù)業(yè)務(wù)應(yīng)用提供參考。

要注意根據(jù)所在區(qū)域范圍和衛(wèi)星資料時效，因地制宜、因星制宜選取衛(wèi)星資料。另外，除了微波溫度計資料之外，微波濕度計和高光譜探測儀等資料同樣可被用于區(qū)域模式。