数值预报中气象卫星资料同化前处理技术进展.pdf
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1、马刚,黄静,巩欣亚,等.数值预报中气象卫星资料同化前处理技术进展.应用气象学报,2 0 2 4,3 5(2):1 4 2-1 5 5.D O I:1 0.1 1 8 9 8/1 0 0 1-7 3 1 3.2 0 2 4 0 2 0 2数值预报中气象卫星资料同化前处理技术进展马 刚1)2)3)*黄 静1)2)3)巩欣亚4)希 爽1)2)3)薛 蕾5)李 娟1)2)3)张 鹏4)龚建东1)2)3)1)(中国气象局地球系统数值预报中心,北京 1 0 0 0 8 1)2)(中国气象局地球系统数值预报重点开放实验室,北京 1 0 0 0 8 1)3)(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 1
2、 0 0 0 8 1)4)(国家卫星气象中心,北京 1 0 0 0 8 1)5)(国家气象信息中心,北京 1 0 0 0 8 1)摘 要在数值天气预报变分同化中,利用同化前处理将卫星资料完成有效信息优选、资料拼接和稀疏化、初级通道选择、下边界参数耦合等处理,实现卫星资料同化对数值天气预报业务的正贡献,是决定海量卫星资料同化效率、质量和效果的重要环节。针对多种格式的卫星资料,中国气象局研发标准格式的高时效卫星资料拼接等技术,有效减小整轨卫星资料时间滞后对数值天气预报业务的负面影响。对于风云气象卫星资料,将云和降水检测、资料质量分析等处理置于同化前处理中,实现多光谱资料融合的同化预质量控制,保证了
3、风云卫星微波温度探测资料和红外高光谱资料的同化正贡献。利用统一资料格式对预处理卫星资料进行再处理,拓展针对卫星成像和主动探测资料的处理,将卫星资料同化的部分质量控制功能置于卫星资料同化前处理中,是风云卫星资料同化前处理技术发展的重要趋势。关键词:数值天气预报;气象卫星资料;同化前处理引 言气象卫星资料是数值天气预报的重要观测资料源,是提高数值天气预报水平的关键因素之一。2 0世纪9 0年代气象卫星垂直探测资料通过变分同化进入数值天气预报模式,有效提升了业务数值天气预报水平。相对于仅同化常规观测资料,TOV S(T I R O S o p e r a t i o n a l v e r t i
4、c a l s o u n d e r)/ATOV S(a d v a n c e d T I R O S o p e r a t i o n a l v e r t i c a l s o u n d e r)资料同化使北半球有效预报时效延长超过4 8 h1。当今国际主要数值天气预报中心的业务系统中,卫星资料占全球数值天气预报使用资料的9 0%9 5%2,其中星载红外和微波资料超过7 0%2。气象卫星以主动和被动遥感探测方式对地观测,所获资料用于天气预报、气候预测和环境监测等方面以满足防灾减灾和保护生态的迫切需求。气象卫星观测大气层顶的多光谱上行辐射,通过在气体吸收线不同位置设置采样通道,实
5、现大气温度和湿度等变量的垂直分布信息探测3。大气层顶的上行辐射能量聚焦于气象卫星不同光路的探测器,通过入射辐射热效应引起探测器电位差改变。卫星资料预处理是通过定标等手段将地面接收的卫星探测器的全部原始电位差(0级数据,记为L 0)还原为大气层顶的上行辐射,并完成卫星探测资料的地理定位和质量评估,得到预处理资料(1级数据,记为L 1)。美国国家海洋和大气管理局(N a t i o n a l O c e a n i c a n d A t m o s p h e r i c A d m i n i s t r a t i o n,NOAA)将TOV S预处理资料划分为L 1 A、L 1 B、L
6、1 C和L 1 D 4个等级,其中L 1 A资料是解码卫星下传遥测与探测资料,2 0 2 3-0 9-1 5收到,2 0 2 4-0 1-0 3收到再改稿。资助项目:国家重点研发计划(2 0 2 2 Y F C 3 0 0 4 0 0 2)*邮箱:m a g a n g c m a.g o v.c n 第3 5卷 第2期 2 0 2 4年3月 应 用 气 象 学 报J OUR NA L O F A P P L I E D ME T E O R O L OG I C A L S C I E N C E V o l.3 5,N o.2 M a r c h 2 0 2 4L 1 A资料经过定位、定标
7、和质量控制生成L 1 B资料,L 1 B资料的通道计数值经过亮温转化和订正等处理生成L 1 C资料,将不同仪器的观测融合至单一探测器像元,并完成地形匹配、云和降水检测等处理,即生成L 1 D资料(也称为晴空辐射资料)4。预处理资料再经过反演生成大气温湿廓线等资料(2级数据,记为L 2)5,形成几乎适用于所有卫星资料用户的产品。随着客观的数值天气预报逐渐成为天气分析与预报中不可或缺的部分,如何在数值天气预报模式中更多更好地同化气象卫星资料成为自1 9 6 0年第1颗气象卫星发射升空后几十年内的重要研究方向2,6-7。卫星资料同化前处理是连接卫星资料预处理和数值天气预报模式同化的重要桥梁,是利用统
8、一的文件格式,根据资料同化系统需求,完成卫星预处理资料的集成、卫星资料的轨道拼接和稀疏化、卫星像元下边界参数的融合以及卫星资料同化预质量控制等环节的总称。引入卫星观测资料同化可提高数值天气预报精度。早期卫星资料同化使用反演的大气温湿廓线资料,但由于卫星观测特有的误差结构和23 K的反演误差8,反演廓线的同化仅在南半球有明显正贡献9。L o r e n c1 0和T a l a g r a n d等1 1发展了变分资料同化理论和系统,为卫星观测亮温的直接同化奠定了基础。E y r e1 2和M c M i l l i n等1 3发展了拟线性化的快速辐射传输算子,实现了从大气温湿变量到辐射亮温间的
9、线性函数映射及逆映射,解决了模式空间和卫星观测空间双向线性映射构建的瓶颈问题,使卫星观测亮温的直接同化成为可能1 4。A n-d e r s s o n等6和D e r b e r等1 5首 先 在S S I(s p e c t r a l s t a t i s t i c a l i n t e r p o l a t i o n)同 化 系 统 实 现 了TOV S L 1 D晴空辐射资料的业务同化,证明了卫星探测辐射资料的同化有助于数值天气预报水平的提高。后续研究发现,1 2 0 k m网格的L 1 D资料在匹配中引入了新误差,减弱了同化对预报的正贡献。因此,卫星资料变分同化研究转为将
10、卫星 L 1 B资料替代L 1 D资料1 6,以提高对数值天气预报精度的贡献。L 1 C资料删除了L 1 B资料中与定位和定标相关的探测器工作状态监测信息,仅保留了观测时间、观测几何、观测地理定位和资料质量等信息以及有关亮温形态的通道资料,使其资料量远小于L 1 B,因此L 1 C资料更适合通过有限带宽的网络及时向数值天气预报用户发布。当前美国国家环境预报中心(N a t i o n a l C e n t e r s f o r E n v i r o n m e n t a l P r e d i c t i o n,N C E P)和欧洲中期天气预报中心(E u r o p e a n
11、C e n t r e f o r M e d i u m-R a n g e W e a t h e r F o r e c a s t s,E CMWF)的同化系统均使用ATOV S L 1 C资料2。风云三号(F Y-3)气象卫星是我国第1代具备全球三维大气遥感能力的极轨气象卫星,与N O A A和M E T O P卫星一起被世界气象组织纳入全球对地观测业务卫星序列,其搭载探测器的首要目的是为数值天气预报提供必要的观测资料。基于A T O V S资料同化经验,国家卫星气象中心在F Y-3卫星发射之前就研发了用于风云气象卫星大气垂直探测仪器包(VA S S,a t m o s p h e
12、r i c v e r t i c a l s o u n d e r s y n e r g y,包含I R A S(i n f r a r e d a t m o s p h e r i c s o u n d e r)、MWT S(m i c r o-w a v e t e m p e r a t u r e s o u n d e r)和MWH S(m i-c r o-w a v e h u m i d i t y s o u n d e r)3个大气垂直探测器)资料同化前处理技术。区别于保留全部观测和仪器工作状态资料的1级“强处理”资料(相当于L 1 B资料),经过同化前处理后只保留
13、与同化相关的资料,与L 1 C资料内容基本相当。业务化的F Y-3卫星MWT S和MWH S资料的前处理资料同化到中国气象局全球数值天气预报业务系统G R A P E S(G l o b a l M i d d l e-r a n g e N u m e r i c a l W e a t h e r P r e d i c t i o n S y s-t e m,现更名为CMA-G F S)中,有效提高了预报水平1 7-1 8。此外,卫星资料在进入数值天气预报资料同化系统前,还必须进行同化时间窗的卫星观测时间截断、卫星资料稀疏化、卫星资料去重复和临边剔除等复杂前处理。本文综合分析国内外卫星资
14、料同化前处理技术的发展和存在的问题,指出进一步发展卫星资料同化前处理技术,是提高数值天气预报水平的重要途径。1 国外卫星A TOV S资料同化前处理技术进展 自第1代搭载TOV S的极轨卫星投入应用,E CMWF和N C E P就开展了在数值天气预报模式中同化TOV S资料的研究。2 0世纪8 0年代主要使用最优插值方法同化各种观测资料1 9。在最优插值框架下仅有与数值天气预报模式变量相同物理单位的观测资料才能被同化,因此最优插值方法仅同化TOV S L 2的大气温湿廓线。研究结果显示相对于地面探空温度廓线,TOV S反演的大气温度廓线的整层误差约为3 K2 0,在最优插值中给同化变量341
15、第2期 马 刚等:数值预报中气象卫星资料同化前处理技术进展 引入新误差9,导致同化失败。变分同化方法的发展使原有最优插值框架下同化变量与观测变量间的强线性相关约束退化为弱非线性相关约束。随着拟线性的快速辐射传输模式取代强非线性的逐线积分辐射传输模式,实现模式变量 到 卫 星 观 测 辐 射 亮 温 的 线 性 映 射,使 更 多ATOV S资料被同化应用于数值天气预报模式,被同化的卫星资料也从L 2数据中的温湿廓线转化为L 1数据的辐射亮温。这不仅要求L 1数据包含卫星观测几何和像元地理信息以支持从模式变量到辐射亮温的正演计算2 1,还需要其他参数集成在同化前处理的卫星资料中。这些参数支持基于
16、同化时间窗的卫星资料选择、针对卫星轨道的临边截断、对卫星观测像元的水平稀疏化2 2以及高纬度地区对不同轨道卫星观测像元的去重复等处理。数值天气预报模式利用水汽含量和环境动力等参数诊断云分布2 3,与卫星在辐射空间观测的云分布差异较大,因此通常卫星探测像元的云和降水检测等基于卫星实时观测资料完成。将TOV S L 1 D资料统一到H I R S(h i g h-r e s o l u t i o n i n f r a r e d r a d i a-t i o n s o u n d e r)像元,经过云和降水检测2 4及水平稀疏化形成分辨率为1 2 0 k m的晴空亮温资料集。该TOV S观
17、测资料包含大气三维热力结构信息,且具有无偏高斯分布的随机误差,完全满足变分同化对观测资料误差无偏正态分布的要求。同化经验显示,尽管云和降水清除了TOV S资料中的强非线性误差,但由于TOV S资料从低分辨率的M S U(m i-c r o w a v e s o u n d i n g u n i t)像 元 匹 配 到 高 分 辨 率 的H I R S像元时引入了系统误差和随机误差,此时卫星资料同化还不能十分有效地提高全球数值天气预报水平2 5。后续进入同化系统的是L 1 B资料。该资料未经过像元匹配等处理,包含的观测亮温仅经过定位和定标处理,是卫星工作状态和预处理质量等参数的通用存档资料,
18、也是卫星观测资料的强预处理输出。L 1 B资料还保存了对卫星研发和卫星资料处理至关重要的卫星定标、定位精度等信息。这些信息虽然便于对卫星工作环境的监控、卫星预处理参数的更新等操作,但对同化用户而言,需要借助更多有关卫星探测器硬件的知识,才能从大量冗余数据中优选并处理所需的观测亮温和相关辅助数据。L 1 B资料的卫星观测保存为通道计数值,同化中需利用L 1 B资料附带的定标系数转化为辐射亮温。当同化TOV S L 1 B资料时,云和降水检测需要在同化框架中完成2 6。TOV S L 1 C资料通常作为L 1 B资料和L 1 D资料的中间产品,在卫星资料处理过程中不存档2 7。L 1 C资料也是卫
19、星观测裸数据,其他处理还包括将L 1 B资料的通道计数值转化为辐射亮温,对观测资料进行质量判识,在1个4字节的整数中按位存储TOV S资料质量信息。L 1 C资料删除了L 1 B资料中与卫星状态和预处理流程监控相关的参数,大幅减少资料占用的存储空间2 8,是一种面向应用的弱预处理数据。1 9 9 8年N O A A-1 5卫星搭载的A T O V S探测仪器包中用AM S U-A(a d v a n c e d m i c r o w a v e s o u n d i n g u n i t-A)和AM S U-B的组合替代TOV S的M S U和S S U(s t r a t o s p
20、h e r i c t e m p e r a t u r e s o u n d i n g),极大扩展了对大气温湿度的全天空探测能力2 9,是迄今为止对数值天气预报贡献最大的卫星大气探测器。2 0 0 2年AQUA卫星搭载A I R S(a t m o s p h e r i c i n f r a-r e d s o u n d e r)升空,这是首台真正意义上的天基红外高光谱大气探测器3 0,也是TOV S/ATOV S中H I R S探测器的进一步发展。2 0 0 6年ME TO P-A(m e t e o r o l o g i c a l o p e r a t i o n a
21、l s a t e l l i t e-A)卫星搭载的I A S I(i n f r a r e d a t m o s p h e r i c s o u n d i n g i n t e r f e r o m e-t e r)是第1个业务运行的天基红外高光谱探测器。以上探测器观测资料的预处理流程也与TOV S一致。海量观测资料的优选是卫星高光谱探测资料同化首先要解决的问题。高光谱L 1 B资料保留了全部通道的观测信息,而L 1 C资料则通过使用初级通道选择技术3 1,将数千通道的探测资料减少为几百个通道。这里的初级通道选择,就是根据通道噪声、相关性和信息熵等大幅度减少通道数量,同时保留
22、能为大气反演和资料同化提供完整大气探测信息的通道3 2。经过初级通道选择的A I R S和I A S I通道数量约为1 02量级3 3,大幅减少了资料存储空间,既能基本满足数值天气预报资料同化的业务需求,又能保证高光谱资料通过有限带宽的G T S(G l o b a l T e l e c o mm u n i c a t i o n S y s t e m)及时传输3 4。2 0 1 1年美国发射的S N P P(S u o m i-N a t i o n a l P o-l a r-O r b i t i n g O p e r a t i o n a l E n v i r o n m
23、e n t a l S a t e l l i t e S y s t e m P r e p a r a t o r y P r o j e c t)卫 星 搭 载 的ATM S(a d v a n c e d t e c h n o l o g y m i c r o w a v e s o u n d e r)是第3441 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 代星载微波大气探测器,与 同平台的C r I S(c r o s s-t r a c k i n f r a r e d s o u n d e r)组成全新的多光谱大气三维探测仪器包。预处理的A TM S/C r I S数据集称为
24、S D R(s e n s o r b r i g h t n e s s t e m p e r a t u r e d a t a r e c o r d)3 5,其中C r I S资料也经过初级通道选择,保留的通道数量远小于C r I S通道总数。G T S广播的卫星红外高光谱探测资料中,I A S I保留5 0 0个通道3 6、A I R S保留3 2 4个通道3 3,C r I S则保留2 3 2个通道3 7。变分同化框架下,一般使用快速辐射传输模式实现从同化变量到卫星观测亮温的正演3 8。卫星在大气层顶接收的晴空上行辐射可以分解为大气上行辐射、地表发射和地表反射的大气下行辐射。当卫
25、星通道探测高度较低时,地表辐射项的贡献较大。但地表温度和地表发射率不是数值天气预报模式的变量,需要在同化前处理中完成计算。根据下垫面类型,地表温度分为洋面温度和陆面温度。对于洋面温度,M e t O f f i c e(M e t e o r o l o g i c a l O f f i c e o f F r a n c e)研发的O S T I A(o p e r a t i o n a l s e a s u r f a c e t e m p e r a t u r e a n d i c e a n a l y s i s)资料集利用卫星、船舶和浮标等探测资料融合生成逐小时洋面温度
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