有云环境下MODIS亮温资料的变分同化Ⅱ——对暴雨预报的影响

卫星资料提供了大量关于云和雨的观测信息,在暴雨预报中可发挥巨大的作用,然而在数值模式资料同化中的应用水平仍然不高,特别是红外辐射资料的应用。由于有云环境下辐射传输过程的模拟难度很大,因此通常只同化晴空环境下的红外辐射资料。基于GRAPES-3DVAR(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统),根据RTTOV辐射传输模式(fast radiative transfer model for TOVS,快速辐射传输模式)的特点,增加云水含量、云冰水含量和云量作为同化系统控制变量,在改进辐射传输模式对红外资料模拟的同时,利用红外资料调整初始云参数和大气参数。针对2007年5月26日南海季风爆发后广东地区的一次暴雨过程,选取MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨成像光谱仪)传感器水汽(第27)和云顶观测(第36)通道进行了同化试验,利用WRF(Weather Research and Forecasting Model,天气研究和预报模式)进行了数值模拟,结果表明同化MODIS资料,可以改进初始场水汽和温度分布,间接调整高空风场,调整趋势符合卫星观测,对短时降水预报有正面影响。     

云区卫星微波通道亮度温度的数值模拟

目前多数资料同化系统中对卫星的观测值都是采用晴空模拟,然而用晴空辐射传输模式模拟云区卫星微波通道的辐射值会造成与观测较大的偏差,导致大量云区卫星资料被直接抛弃无法进入同化系统,因而有必要改进云区卫星辐射亮温的模拟能力,进而提高同化系统中云区卫星资料利用率。以2010年台风“圆规”、“凡比亚”和“鲇鱼”为例,基于先进的微波扫描辐射计AMSR-E观测应用一维变分算法反演台风区域的云宏观参数,包括云液水含量廓线、云冰水含量廓线和雨水含量廓线;然后,以大气温度、湿度廓线及这些反演的云参数作为快速辐射传输模式CRTM的输入参数,模拟AMSR-E各通道的辐射亮温。通过对比晴空、有云两种情况下模拟亮度温度与实际观测亮度温度间的偏差,发现增加云参数作为辅助参数、启动辐射传输的散射模块,可以有效地改进台风外围云区卫星辐射亮温的模拟效果,大幅减少模拟亮温与观测亮温间的偏差,增加了同化进数值预报系统的卫星观测数据量。      

有云环境下MODIS亮温资料的变分同化Ⅰ——方案设计与理想试验

云对红外辐射传输过程有十分重要的影响,在资料同化过程中考虑云的作用,不仅可以改进大气参数的同化效果,还可以利用红外资料调整部分云参数,减小云参数的初始误差。在GRAPES-3DVAR（Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统）基础上,增加云水含量、云冰水含量和云量作为同化系统控制变量,针对晴空、部分有云和完全有云等环境对MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,即中分辨成像光谱仪）的16个气象通道亮温进行了同化理想试验,结果表明当背景场模拟的亮温低于观测亮温时,分析场通过增温、减湿、减少云水含量、云冰水含量、云量可以达到升高模拟亮温的目的;反之可以降低模拟亮温;晴空环境下对温度、比湿的调整符合MODIS仪器的设计特点;有云环境下对云层以下的影响减弱。理想试验证实了在红外辐射资料同化过程中将云参数和大气参数同时作为同化系统控制变量,可以利用红外资料调整云参数和常规气象要素场,提高资料的利用率。     

“珍珠”台风卫星红外通道亮温的数值模拟

热带地区云的覆盖率高, 卫星辐射资料特别是红外通道的数值模拟容易受到云的影响, 提高台风等热带天气系统卫星亮温资料的模拟能力, 有助于热带地区数值模式的检验以及提高卫星资料直接同化的水平。首先, 利用天气研究和预报模式(Weather Research and Forecasting Model, 简称WRF) 对 “珍珠” 台风的三维气象场, 包括云结构特征, 进行了模拟, 并诊断分析了总云量、云顶气压等物理量; 然后, 结合快速辐射传输模式 (fast radiative transfer model for TOVS, 简称RTTOV) 8.7版对 “珍珠” 台风的高分辨率红外辐射探测仪3型 (High Resolution Infrared Radiation Sounder, 简称HIRS/3) 红外辐射亮温进行了模拟, 并且比较了有云和无云条件下的模拟结果。结果表明, 如果不考虑云的影响, RTTOV模式无法模拟出台风的结构特征; 结合三维云特征的模拟量, RTTOV模式可以较好地模拟出HIRS/3第4～10、13～19通道的辐射亮温。加入云结构特征对峰值能量高度在云层以下的红外通道的模拟有正面影响, 该方案既可以作为检验模式模拟的一种手段, 同时也表明红外资料在热带天气系统的资料同化领域具有潜在的应用能力。     

FY-3A微波资料偏差订正及台风路径预报应用

我国极轨气象卫星FY-3A大大增强了对地球系统的综合探测能力,而偏差订正对卫星资料的应用非常必要。试验中FY-3A卫星微波资料的偏差订正方案是在Harris等的TOVS辐射资料偏差订正经验方法的基础上结合WRF-3DVAR系统发展的,偏差订正后微波资料各通道拟合结果基本位于主对角线上,大多数卫星观测数据与观测算子利用背景场计算的亮温值分布趋于合理,偏差得到很大程度的降低。偏差订正后,利用数值模式直接同化FY-3A气象卫星微波资料,通过对2008年和2009年的4个台风进行预报评估表明:同化FY-3A气象卫星资料后路径预报能力提高明显,尤其是36 h后路径预报结果;同化FY-3A气象卫星微波资料后台风预报路径误差平均降低20%,而只同化常规资料路径误差仅仅降低了4%。     

TRMM降水率资料的三维变分同化及其对"杜鹃"(0313)台风预报的改进

在GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System, 全球/区域同化预报系统)三维变分同化系统的基础上, 用改进的郭晓岚对流参数化方案作为观测算子, 来同化TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission, 热带降水监测计划)卫星反演的降水率资料.单点试验表明该方案通过调整背景场的水汽辐合和辐散的垂直结构, 使得同化后观测算子计算的降水率更接近实况.对台风 "杜鹃" (0313)的同     

不同资料同化对登陆台风菲特(2013)短时预报的影响研究

为定量评估地面、探空、飞机报、卫星辐射亮温、雷达反射率及径向风等不同观测资料同化对台风预报性能的影响,本文以2013年严重影响我国的登陆台风菲特为例,利用WRF模式与GSI-3DVAR同化系统开展观测系统试验(OSE)研究,探讨了不同类型资料同化对"菲特"(2013)路径、强度、形势场和降水短时预报的相对贡献及可能影响机理。结果表明:(1)不同类型资料同化对模拟结果贡献程度有明显差别,其中探空、雷达反射率和飞机报对模拟结果有较大影响,分别"拒绝"这三种资料后模式模拟的高空各要素均方根误差分别上升约54.8%~62.0%、9.2%~16.5%和6.1%~6.4%。(2)对于不同的台风预报效果评估参数,各类资料的贡献率大小排序不同。对高空场和台风路径模拟影响较大的是探空和飞机报,对台风强度模拟影响较大的依次是雷达径向风、反射率、探空和飞机报,而对降水模拟影响较大的依次是雷达反射率、探空和飞机报。(3)各类资料对降水模拟的贡献率随时间变化不同。雷达反射率资料对降水的贡献随着模式积分时间明显下降,而飞机报、探空资料等对降水的贡献在模式积分3 h之后开始出现。(4)资料同化对降水模拟的改进与其对台风路径、水物质及强度模拟改进有关,因此影响高空场、台风路径和强度较大的雷达反射率、探空和飞机报资料,也是对降水模拟贡献较大的资料。     

降水资料同化在梅雨锋特大暴雨个例模拟中的应用研究

利用暴雨数值预报模式AREM,以2009年6月29日发生在长江中下游地区的一次梅雨锋特大暴雨过程为例,以NCEP预报场为背景场,首先开展了不同化任何资料(无同化试验)以及分别利用GRAPES-3DVAR同化系统和局地分析预报系统(LAPS)同化地面、探空资料的3组数值试验,然后进一步开展了降水资料一维变分同化方法在GRAPES-3DVAR同化系统及LAPS系统中二次同化的效果研究,结果表明:(1)采用GRAPES-3DVAR系统同化地面、探空资料的数值试验,其降水预报效果不如无同化试验结果;而采用LAPS资料同化系统同化地面、探空资料的数值试验,其降水预报效果优于无同化试验结果,即就本个例而言,GRAPES-3DVAR同化系统对背景场的修正为负效果,LAPS同化系统对背景场的修正为正效果。(2)降水资料1DVAR方法在GRAPES-3DVAR同化系统中的应用,对物理量场有重要影响,使雨带上空变得更暖更湿,天气系统的配置更利于降水发生,中尺度系统的演变更有利于模拟出与实况更加接近的雨带位置、强度、中尺度结构特征,因而极大地改善了降水模拟效果,其模拟的1、6、24h累积降水量位置、强度、中尺度结构特征都有较明显改善。(3)降水资料1DVAR方法在LAPS系统中的应用同样改善了降水预报效果,使雨带落区位置更加接近实况。     

FY-2E卫星资料在基于LAPS的台风三维云分析中的应用

LAPS(Local Analysis and Prediction System)采用物理初值化与三维变分约束相结合的方法,通过融合多源观测资料,发挥各种资料的优势,分析得到较为客观的三维云场,并可改善数值模式初始场。将FY-2E卫星可见光反照率和红外亮温资料引入LAPS,针对2014年6月登陆我国的台风"海贝思",设计不同水平分辨率的同化试验,研究台风三维云结构和初始场的改善情况。结果表明:1)LAPS云分析中引入卫星可见光反照率资料之后,总云量有显著的调整,能够较清晰地分辨出台风眼区、云墙和螺旋云带,卫星红外亮温资料在云顶高度的调整中发挥了重要作用,而且高分辨率的云分析结果有助于更好地分析出台风结构和强对流区域。2)LAPS物理初值化技术将卫星资料中的云结构和微物理信息添加到初始场中,一定程度上调整了数值模式初始场中垂直速度、云水、云冰和水汽场等变量的分布,提高了模式初值质量,对模拟和预报台风系统将会产生一定的影响。     

应用ATOVS资料和非对称Bogus资料对登陆台风韦帕的4DVAR数值模拟分析

前人研究中BDA方法采用的轴对称Bogus台风不能反映个别台风具体特征并弃掉了背景场的合理成分,也没有考虑大环境场的影响及湿热要素的同化。因此,提出一种充分融合分析场信息和实际观测信息并考虑副高影响的精细非对称台风Bogus方法,并在MM5的伴随同化系统中引入快速辐射传输模式RTTOV8,通过四维变分同化(4DVAR)技术,加入海面风场和气压场Bogus资料及多颗卫星多条轨道上的ATOVS红外和微波卫星辐射亮温资料并考虑Noah陆面过程方案来对登陆台风韦帕进行数值模拟,结果表明,单独同化海面Bogus资料的BDA方案可间接产生初始场非对称三维环流结构和暖心结构,但对湿度场及台风周围大环境场的调整不足,台风登陆后的路径预报改善也不明显;引入陆面过程方案弥补了Bogus资料对台风登陆后路径预报的不足;加入ATOVS资料能对湿度场及台风周围环境场做出调整,重构了大量中尺度结构信息,取得更为精细的初始台风环流和温压湿场结构,保持BDA方案路径及强度预报的优势的同时,使预报的降水强度增加,降水落区发生改变。     

不同观测分辨率强台风云系的遥感特征

静止气象卫星的快速区域扫描是监测不同天气过程的有利手段。以获取的风云静止气象卫星快速区域扫描数据为基础,选取2011年台风梅花(1109)及2012年台风海葵(1211)的观测数据,采用Hovm(o|¨)ller分析图、变异系数等参数,研究不同时空分辨率观测数据对台风云系结构特征参数监测的敏感性影响。分析结果表明:可见光通道10 min观测时间间隔配以1.25 km空间分辨率可以很好地反映云系演变特征,在相同观测时间分辨率条件下,降低空间分辨率会对云系结构特征的提取有较大影响;在相同空间分辨率条件下,观测时间分辨率的降低对云系结构及演变特征的分析影响较小;基于变异系数的分析说明云像元特性在60 min的观测时间间隔下发生了较大变化,如果以60 min为观测时间间隔将会失去较多的云像元变化特征。水汽通道不同观测时间的变异系数差值小于红外通道1,说明云像元在红外通道1的特性演变对观测时间的敏感性高于水汽通道,提高观测频率可获取更多的云像元红外通道1的辐射特性。     

霍夫变换在卫星云图异常数据检测中的应用

由于噪声与干扰的存在,导致卫星云图接收过程中产生丢线、马赛克等异常数据。依靠人工进行检测与统计,不仅工作效率低,准确性也得不到保证。研究基于霍夫变换的卫星云图异常数据的检测方法,并且结合其分布特点,针对卫星云图实时性要求高、传统霍夫变换运算量大的问题对边缘检测算子检测方向进行了优化,试验结果表明可以有效提高30%的运算速度。实现对卫星云图异常数据的准确定位与快速检测,对于日后排查干扰源,进一步提高卫星云图接收质量具有重要意义。     

毫米波雷达与无线电探空对云垂直结构探测的一致性分析

在众多种针对云垂直结构的探测中,毫米波雷达可获取云底、云顶、云厚等完整的云垂直结构信息,并可以连续监测云的垂直剖面变化,是有力的探测手段之一。而无线电探空因其直接的测量优势,能直观、确切地描述大气湿度垂直结构,可将其进一步处理生成云垂直结构信息,并作为一种数据源用于与毫米波雷达云垂直结构探测结果进行比对,以评估毫米波雷达针对云宏观垂直结构的探测性能,为毫米波雷达更好地应用于云探测提供参考。通过获取位于北京南郊观象台的毫米波雷达2014年10月28日至2015年2月17日长达113天连续观测的反射率因子以及探空温、压、湿数据,设计或选取合适的方法对二者进行云边界的计算,并进行云高（包括云底高和云顶高）以及云层数的一致性比对分析。结果认为,除对于高层云的云顶高度毫米波雷达由于探测限制不能探测到10 km以上的云顶,某些时刻与探空产生较大差异外,在云底高度以及中低云的云顶高度上可以与探空观测取得很好的匹配效果,对于云的垂直分层上二者也有较强的一致性。该毫米波雷达具有较为准确并连续刻画10 km以下云垂直结构的能力。     

云顶参数与降水间关系的统计分析和数值模拟

利用FY2C静止卫星云顶物理参数及地面加密雨量观测等,结合MM5中尺度非静力数值预报模式,综合分析了典型层状云降水过程的云系演变和结构特征,揭示了云顶参数与单站雨强之间并不是简单的量化统计关系：即降水大,每小时降水量与云顶高度、有效粒子半径是较好的正相关,与云顶温度是较好的负相关;反之则不尽然,云顶高度高、云顶温度低、有效粒子半径大却不一定降水大。并用模拟结果分析解释了形成这种现象的机理。     

基于LabVIEW图形化语言的云降水粒子图像回放软件

利用机载云降水粒子成像仪进行飞机入云观测是云微物理研究的一种重要探测手段。机载云降水粒子成像仪对所采集到的云粒子图像信息先进行压缩处理后再传入电脑进行存储。后续的粒子图像信息回放,需要借助专门的软件才能实现,为实现对云降水粒子图像信息的回放,在分析云降水粒子图像数据格式的基础上,利用图形化语言LabVIEW编写了粒子图像数据的解压缩程序,并采用消息队列和JKI状态机的组合形式进行软件架构的系统设计,最终开发出云降水粒子图像回放软件。该软件可实现对云降水粒子成像仪的粒子图像数据进行读取与显示,还可对粒子图像信息进行提取和存储,可辅助云降水物理的研究。     

95GHz云雷达对一次冷锋云系结构的观测分析

利用安徽寿县W-Band云雷达(95GHz,波长3.16mm)、地面微波辐射计、探空和地面观测等资料,对2008年11月5-7日一次冷锋云系的云结构进行了分析。结果表明,云雷达的多普勒速度可以初步确定粒子相态和大小以及是否存在雪晶或雨滴;在0℃层附近有回波暗带产生,这主要是由于波长为3mm的雷达对雪晶的衰减较强以及粒子的非Rayleigh散射引起的;云雷达观测可以清楚地识别混合云中的融化层。冷锋云系发展、演变过程及结构非常不均匀:锋面前部,在5～7km之间有一水凝物含量大值区,不断有长大的冰雪晶下落,使云底逐渐下伸,触地后产生间歇性阵性降水;降水过后,5km左右有一相对干层,上部为高层云,下部为散乱的多层云结构;冷锋临近,云层冷区没有水凝物含量大值区,回波强度较弱,暖区2km以下是干冷的东北气流,限制了雨滴通过暖雨过程增长,导致锋面降水强度较小,持续时间短。锋面后部4～7km高度,由于冰雪晶沉降,相对湿度较小,云层分裂成两层云;冷锋过后,出现了较强的降水,这主要是由暖雨过程产生的。     

云底高度的地基毫米波云雷达观测及其对比

对2014年11月20日—12月31日中国气象局大气探测综合试验基地Ka波段毫米波云雷达、Vaisala CL51激光云高仪、L波段高空探测系统观测的云底高度进行对比分析。结果表明:在低能见度条件下,毫米波云雷达对云的探测能力明显优于激光云高仪,随着能见度的增加,两设备云探测能力差距在减小;毫米波云雷达与激光云高仪同时观测到有云时,二者观测的云底高度相关系数为0.92;毫米波云雷达与探空观测云底、云顶高度的相关系数分别为0.93和0.78;云雷达观测的云底高度均略低于激光云高仪和探空,云雷达观测的云顶高度略高于探空。     

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。     

云系模式研究:云场的宏微观结构模拟

用计算物理方法设计构造了一个云系模式，并用一个实例作为初始场进行了模拟，模拟的云场宏观特征与实况观测比较一致，微观结构比较合理，配套的模式输出数据处理和绘图程序包能给出云系的点（粒子谱）、线（垂直廓线）、面（结构剖面）、体（云场，云型，云量，云系形状）的多维宏微观结构的云场图象。