在NCEP GDAS中同化MSG和GOES资料

朱彤，翁富忠

(1.科罗拉多州州立大学，美国科罗拉多州80523-1375;2.NOAA/NESDIS/STAR，美国马里兰州20746)

0 引言

由于缺乏先进的资料同化能力，所以业务资料同化系统还不能充分利用GOES的高时空分辨率资料。地球静止卫星成像仪辐射率资料具有高质量、低噪音的特点。然而，由于反演高度的不确定性，成像仪产品(例如:水汽和云迹风)的同化效果还不太令人满意。目前欧洲中期预报中心(ECMWF)和英国国家气象局(Metoffice)已经直接对成像仪辐射率资料进行同化试验(Szyndel et al.，2005)。通过使用一个区域数值天气预报模式分析和预报系统，Stengel et al.(2009)证实，在晴空和低云条件下，3个SEVIRI红外通道资料对对流层中层湿度和位势高度的预报具有正影响。利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的GSI(Gridpoint Statistical Interpolation;Derber et al.，1991)系统，美国卫星资料同化研究中心(Joint Center for Satellite Data Assimilation)也对GOES成像仪和MSG SEVIRI的辐射率资料同化进行了初步试验(Zhu et al.，2010a，2010b)。研究结果表明，它们对GFS预报具有正影响。本文继续优化了NCEP全球预报系统中GOES-11/12成像仪和MSG SEVIRI辐射率资料的同化过程，并使得这些资料能够应用到NCEP业务中。

1 SEVIRI资料影响

1.1 SEVIRI资料处理

本文从EUMETSAT(the European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites)获取两个月的MSG SEVIRI(Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager，旋转增强可见光及红外成像仪)全天辐射(all sky radiance，ASR)和晴空辐射(clear sky radiance，CSR)资料。晴空辐射资料产品包含来自无云或仅有低云地区的所有(红外和水汽)通道的平均亮温和辐射率的信息。晴空辐射使用16×16像素的平均值。通常晴空辐射产品被编码为BUFR格式且逐时发布。

为了将CSR和ASR资料应用到GSI系统中，生成了一种新的BUFR格式，将原始的MSG ASR和CSR SEVIRI资料由WMO BUFR格式转换成为NCEP BUFR格式。CSR资料中也包含一些来自低层云覆盖地区的辐射率资料，当总云量小于30%时，在GSI系统中辐射率资料被同化。

1.2 GSI分析

本文通过加入一系列处理，包括BUFR译码(decoding)、总体检测(gross checking)、质量控制(quality control)以及偏差校正(bias correction)过程，改进了用于同化SEVIRI晴空辐射和全天辐射资料的GSI系统。GSI分析表明，水汽通道(6.25和7.35 μm)和二氧化碳通道(13.40 μm)的O-B偏差(观测结果减去具有GFS预报背景场的CRTM模拟结果)具有高斯(Gaussian)分布特征(图1)。然而，图1也表明，其他对地表和云敏感通道呈现非高斯(non-Gaussian)分布，特别是通道4、9和10表现出重尾(heavy-tailed)分布。在能够改善地表和云敏感通道资料的模拟效果之前，先考虑通过同化两个水汽波段和二氧化碳波段资料以得到有价值的信息。

1.3 对GFS影响

为了研究CSR对GFS预报的影响，进行了2个月的敏感性试验，分别为2008年5月22日—6月21日和11月1—31日两个时段。在控制试验中(图2中CONTROL)，当前业务GSI中使用的所有常规观测资料和卫星资料(例如:AMSU-A/B、HIRS、AIRS、SSMI、MHS和GOES探测器的探测资料)均被FY09 GSI模式同化，并用GFS T382进行预报。在第一个敏感性试验中(图2中EXPZBCSR)，三个CSR红外波段(通道5，6和11)资料和控制试验中所有其他观测资料均被同化，结果表明，SEVIRI CSR的两个水汽波段和二氧化碳波段对GFS预报有正影响，特别是在南半球地区(图2)。图2b表明，在南半球，与控制试验相比，GFS的6 d预报技巧能够延伸6 h以上。在第二个敏感性试验中，加入了SEVIRI的其他5个红外波段，结果表明，加入5个红外窗口通道的同化并没有增加对GFS预报的影响(图略)。

2 GOES成像仪资料的影响

2.1 GOES-11/12成像仪资料分析

图1 2008年5月22日GSI分析的SEVIRI的8个红外波段的O-B偏差(观测结果减去具有GFS预报背景场的CRTM模拟结果;每个通道的O-B平均值分别在每幅图中给出)a.通道4(3.90 μm);b.通道5(6.25 μm);c.通道6(7.35 μm);d.通道7(8.70 μm);e.通道8(9.66 μm);f.通道9(10.80 μm);g.通道10(12.00 μm);h.通道11(13.40 μm)Fig.1 O-B(Observation-CRTM simulation with background fields from GFS forecast)biases for SEVIRI 8 IR bands from GSI analysis on May 22，2008(The mean O-B bias for each channel is given in each panel)a.Ch-4(3.90 μm);b.Ch-5(6.25 μm);c.Ch-6(7.35 μm);d.Ch-7(8.70 μm);e.Ch-8(9.66 μm);f.Ch-9(10.80 μm);g.Ch-10(12.00 μm);h.Ch-11(13.40 μm)

在GDAS系统中已对GOES探测仪的观测资料进行了多年的同化，GSI分析和飓风预报表明，其具有正影响(Zou et al.，2001;Zhu and Gelaro，2008)。另一方面，GOES成像仪观测资料也被加入到GSI系统中，但处于测试阶段。在GSI中没有使用GOES成像仪资料，主要是因为GOES成像仪观测资料中的一些不确定性误差和前向模式(例如CRTM)模拟中存在的误差。GSI分析表明，GOES-12成像仪的通道3和6的O-B偏差具有很大误差(图3)。最近，通过采用GSICS算法，用AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)和IASI(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)观测资料标定了GOES成像仪资料，发现观测误差产生于两类误差源，即传感器污染问题和光谱响应函数(Spectral Response Function，SRF)的偏移误差(Wang and Wu，2008;Yu et al.，2009)。在用GSI进行资料同化之前，有必要对这两个误差进行订正。

采用GSICS标定算法对辐射率进行订正。新辐射率为

式中:Rnew为订正的GOES辐射率;Rold为原来的辐射率;a和b分别为由NESIDS/STAR GSICS研究组所产生的截距系数和斜率。

在GSI系统中，处理的成像仪资料是亮温(Tb)。为了应用GSICS标定算法，首先将Tb转换为辐射率，订正辐射率，再将辐射率转换回Tb。采用普朗克函数(Planck Function)，对Tb和辐射率进行转换:

图2 SEVIRI两个水汽波段和二氧化碳波段对一个月的GFS预报的影响(黑线和红线分别为控制试验和敏感性试验结果)a.北半球500 hPa位势高度的异常相关系数;b.南半球500 hPa位势高度的异常相关系数Fig.2 Anomaly correlation(AC)of 500 hPa geopotential height for the impact of SEVIRI two water vapor bands and CO2band in(a)the Northern Hemisphere，and(b)the Southern Hemisphere for one-month GFS forecasts(Upper panel shows AC，and the lower panel gives the AC difference between control(black curve)and sensitivity(red curve)experiments)

图3 2008年5月22日GSI分析的GOES-12成像仪的4个红外波段的O-B偏差(观测结果减去具有GFS预报背景场的CRTM模拟结果;每个通道的O-B平均值分别在每幅图中给出)a.通道2(3.90 μm);b.通道3(6.95 μm);c.通道4(10.35 μm);d.通道5(13.30 μm)Fig.3 O-B(Observation-CRTM simulation with background fields from GFS forecast)biases for GOES-12 Imager four IR bands from GSI analysis on May 22，2008(The mean O-B bias for each channel is given in each panel)a.Ch-2(3.90 μm);b.Ch-3(6.95 μm);c.Ch-4(10.35 μm);d.Ch-5(13.30 μm)

式中:C1=1.191 04×10－5mW·m－2·sr－1(cm－1)－4;C2=1.438 77 K(cm－1)－1;νc为该通道的中心波数(表1);A、B为表1中的系数。

图4给出了应用GSICS标定订正前后的GOES-12成像仪通道6的O-B偏差分布在2007年6月15日12:00(世界时)的一个个例结果。可见，在进行偏差订正后，平均偏差从－2.55 K减小到－0.11 K。

表1 方程(2)中的系数Table 1 Coeffieients used in eq.(2)

图4 2007年6月15日12:00(世界时)GOES-12成像仪通道6亮温的O-B偏差(单位:K)a.GSICS订正前;b.GSICS订正后Fig.4 O-B biases for GOES-12 Imager channel 6 at 1200 UTC 15 June 2007(units:K)a.before GSICS correction;b.after GSICS correction

2.2 对GFS影响

在GSI系统中，为了同化GOES-11/12成像仪资料，加入了新的质量控制过程，该质量控制过程类似于处理GOES-8/10传感器资料的老方案。用2008年5月22日—6月21日时段GOES-11/12成像仪资料对GFS预报的影响进行了1个月的敏感性试验。在控制试验中(图5中CONTROL)，同化了所有的常规观测资料和当前业务GSI中使用的卫星观测资料(例如:AMSU-A/B、HIRS、AIRS、SSMI、MHS和GOES探测器的探测资料)。在第一个(第二个)敏感性试验中，控制试验的观测资料和4个GOES-12成像仪通道资料均被同化，且有(无)GSICS标定订正。当应用GSICS标定订正时，尽管没有达到显著性检验标准，但GOES-12成像仪资料对GFS预报的影响是增加的，尤其是在热带地区(图略)。

在第三个敏感性试验中(图5中IMGRCBIAS1B)，同化了GOES-11和12成像仪资料以及控制试验中所有观测资料。此外，应用了GSICS标定订正。500 hPa位势高度的6 d异常相关表明，敏感性试验结果显著好于控制试验结果(图5)。这表明:GOES-11和12成像仪资料的同化对GFS预报有显著的正影响;应用GSICS标定订正，能够提高GFS预报质量。

3 结论

图5 GSICS订正后GOES-11和12成像仪资料对全球500 hPa位势高度的异常相关的影响(黑线和红线分别为控制试验和敏感性试验结果)Fig.5 Globe averaged anomaly correlation of 500 hPa geopotential height for the impact of GOES-11 and 12 imager data after GSICS correction during May 28—June 20，2008(Upper panel shows AC，and the lower panel gives the AC difference between control(black curve)and sensitivity(red curve)experiments)

利用NCEP GSI模式，研究了地球静止卫星MSG SEVIRI和GOES-11/12的红外成像仪观测资料的同化问题。采用两个月的SEVIRI ASR和CSR辐射率资料并将其转换成NCEP BUFR格式。GSI分析表明，SEVIRI成像仪的两个水汽通道和二氧化碳通道的O-B偏差表现为高斯(Gaussian)分布型，而其他5个地表和云敏感红外通道则表现为非高斯(non-Gaussian)分布型。对GOES-12成像仪O-B偏差的分析表明，在所有的通道中均存在很大偏差，偏差源于传感器污染和光谱响应函数的偏移误差。为此，采用GSICS标定订正来减小偏差。

为了研究SEVIRI和GOES成像仪观测资料对数值模式预报的影响，进行了一系列的GFS敏感性试验。结果表明:SEVIRI水汽和二氧化碳波段辐射率资料的同化对GFS预报具有正影响，特别是在南半球地区;在GSICS偏差订正的情况下，GOES-11和12成像仪观测资料的同化对GFS预报具有显著影响。

此外，应在以下方面作进一步研究:改善GSI系统中SEVIRI资料同化的质量控制算法;提高SEVIRI辐射率资料的CRTM模拟效果;为全观测模拟系统试验(Observing System Simulation Experiments，OSSE)的影响研究准备GOES-R ABI(Advanced Baseline Imager)资料。为了提高红外辐射的模拟效果，CRTM的有些方面需要更加精确，例如:精确的BRDF(双向反射分布函数)和红外发射率模式、精确的气溶胶和云光学厚度模式。类似于在地球静止轨道上运行的SEVIRI辐射计，GOES-R ABI具有更多的通道，时空分辨率更高。SEVIRI资料的成功论证并在业务中使用，为实现GOES-R计划铺平了道路。为了全面评估红外成像仪传感器的高时空分辨率观测资料的优劣，有必要进行4-DVAR的中尺度试验。

致谢:第一作者谨以此文献给父亲朱乾根教授，父亲在科学道路上孜孜不倦的探索精神，严谨的治学风范，谦逊宽厚的品格将永远铭记在我们心中。Greg Krasowski先生对转换SEVIRI BUFR资料方面提供帮助，Fangfang Yu和Likun Wang博士提供了GSICS标定算法和系数资料集，John Derber、Haixia Liu、Banghua Yan和Fanglin Yang博士以及NESDIS/STAR和NCEP/EMC的其他同事在本文完成过程中给予大力帮助并提出宝贵建议，倪东鸿编审将此文翻译成中文，在此一并表示感谢。本研究得到了GOES-R AWG和GOES-R3项目的资助。

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