多源极轨卫星微波温度计资料实时区域同化系统*

希 爽，于天雷，任素玲，张里阳，唐世浩

（1.中国气象局地球系统数值预报中心 卫星资料同化室，北京 100086；2.国家卫星气象中心 遥感室，北京 100081；3.许健民气象卫星创新中心，北京 100081；4.中国气象局 中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室，北京 100081；5.国家卫星气象中心 卫星气象研究所，北京 100081）

0 引言

我国数值天气预报业务部门普遍对极轨卫星资料对全球数值预报模式的作用认知度很高，但在我国区域模式[1-7]中，极轨卫星资料并没有得到普遍应用。因为区域模式启动时间快、资料截断时间短。如快速更新循环同化系统[8-13]要求截断时间更短（如70 min），只有高时效资料才能进入同化系统。全球（整轨）极轨卫星资料一般时效为3 h～6 h，不能满足要求。

本文提出采用多源极轨卫星资料来解决以上问题：首先挖掘使用大量时效很高的区域转发资料，满足区域模式对资料的时效要求；然后利用搭载在不同平台的多源卫星资料，提高过境资料量。

本文从中国气象局业务平台获取微波温度计（Advance Microwave Sounding Unit-A，AMSU-A）资料，对区域转发资料进行处理和质量评估；基于中尺度数值预报模式（Weather Research and Forecasting Model，WRF）及其同化系统（WRF Data Assimilation，WRFDA），建立区域模式极轨卫星资料实时同化系统，在2018 年1 月～10月进行连续实时同化试验，对试验结果进行初步评估。

1 资料

1.1 微波温度计AMSU-A 资料

先进的泰罗斯业务垂直探测仪（Advanced TIROS Operational Vertical Sounder，ATOVS）搭载在NOAA-15、NOAA-16、NOAA-17、NOAA-18、NOAA-19、MetOp-A 和MetOp-B 上，其中AMSU-A 采用跨轨扫描方式，星下点分辨率约为48 km，每条扫描线有30 个视场，最大扫描角为48.33°。AMSU-A 有15 个微波探测通道，其中12个通道中心频点位于氧气吸收波段（50.3 GHz～57.3 GHz），探测从地球表面到42 km 高度的大气温度，其余3 个通道为反映地表和降水信息的窗区通道。

1.2 极轨气象卫星资料来源分类

极轨气象卫星资料按照来源可被分为全球资料和区域转发资料两大类。

1.2.1 全球资料

全球资料是指一条经过定标、定位预处理的完整轨道的极轨卫星全球观测数据，扫描地球一圈用时超过100 min。全球资料受到航天器内部存储时间和数据收集、处理和分发过程影响，延迟3 h～6 h 后到达用户，可同化资料数量受到限制。

中国气象局业务接收的AMSU-A 仪器的全球资料有两种，分别来自美国国家卫星、数据和信息局（National Environmental Satellite,Data and Information Service，NESDIS）和欧洲气象卫星组织（European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites，EUMETSAT）。

1.2.2 区域转发资料

区域转发资料，来自“区域卫星垂直大气探测资料转发服务”（Regional ATOVS Retransmission Service,RARS），是世界气象组织在数值天气预报模式时效需求的驱动下，将全球几十个卫星接收站与几个区域数据处理中心共同组成全球网络，向全球用户实时提供的极轨卫星垂直探测数据。区域转发资料以弧段数据为单位，时效高达0.5 h。

中国气象局业务接收的区域转发资料也有两种，一种来自亚洲-环太平洋区域ATOVS 转发服务（Asia-Pacific Regional ATOVS Retransmission Service，APRARS）；另一种来自欧洲气象卫星组织先进转发服务（EUMETSAT Advanced Retransmission Service，EARS），均包含十几个卫星资料接收站。

区域转发资料由于时效高，已被欧洲中期数值预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）、英国气象局、日本气象厅[14-15]、印度[16]和美国[17]的气象部门数值预报业务应用。目前在我国还没有被应用。

1.3 多源卫星资料预处理

在中国气象局数据平台（http://idata.cma.cn/）检索并获取4 种来源AMSU-A 的资料[18]，并将同化时间窗内所有卫星资料进行拼接。以上区域转发资料格式为1 级C型（Level 1 C，L1C）格式[19]，需要被转成气象数据的通用二进制格式（Binary Universal Form for data Representation，BUFR）后才能进入WRFDA 同化系统。

1.4 多源卫星资料质量评估

首先对区域转发资料进行质量评估，由于NESDIS全球资料被公认为定标质量较高，在本文中被当成评估区域转发资料质量的基准。

如图1 所示，在将区域转发资料与NESDIS 全球资料匹配时，本文采取先“粗筛”后“精匹配”的方法，其中设定两者观测时间之差小于7 s，经纬度之差小于0.1°。

图1 区域转发资料和全球资料匹配流程图

区域转发资料质量评估结果[20]表明：区域转发站资料质量稳定，NOAA-18 卫星通道5～11 的6 个月均方根误差RMSE为0.17 K。

1.5 卫星微波温度计AMSU-A 资料质量控制

为了降低观测资料自相关，在WRFDA 同化系统里，对卫星微波温度计AMSU-A 资料和探空资料[21]进行稀疏化（稀疏化距离分别被设为60 km 和30 km）。为了模式更好地吸收卫星资料信息，需要降低卫星资料和背景场之间的偏差，并去除卫星资料处理环节的系统性偏差，对微波温度计AMSU-A 资料进行了质量控制[22-23]和变分偏差订正[24]。

2 实时区域同化和预报系统

2.1 系统构成

如图2 所示，多源极轨卫星实时区域同化系统（Real-time Regional Assimilation System，RRAS）分为数据处理、同化/预报以及检验和可视化3 个层，主要包括9 个模块：资料获取、数据预处理、多源卫星资料监控和质量分析、同化、预报、后处理、检验、作图和运行调度。

图2 多源ATOVS 卫星微波温度计资料实时区域同化系统功能结构图

2.2 同化系统和区域模式

使用WRF 模式和WRFDA3.7 同化系统[25]，实现多源极轨卫星资料实时区域同化。卫星观测算子采用美国卫星资料同化联合中心（Joint Center for Satellite Data Assimilation，JCSDA）开发的快速辐射传输模式(Community Radiative Transfer Model，CRTM）[26]。

WRF 模式区域中心点位置设为（25°N，135°E），水平格距15 km，水平网格点数为540×480 个。模式积分时间步长为90 s，垂直方向28 层，模式层顶高度为10 hPa。采用新Grell 对流参数化方案、RRTMG 长波和短波辐射方案、WSM 6 类水物质方案、MYNN 表面层方案、联合Noah 地表方案和MYNN 边界层方案。

2.3 运行方案

中尺度模式背景场为全球T639 模式的12 h 数值预报场，每天UTC 00:00、06:00、12:00 和18:00 进行同化分析，使用WRFDA 同化多源AMSU-A 资料和常规观测资料，同化时间窗为3 h，冷启动运行中尺度模式预报模式WRF，向后预报48 h。每6 h 输出一次大气温度T、湿度q、位势高度ght、纬向风u、经向风v以及云中水物质等数值预报产品，覆盖中国大部分陆地及东海、南海以及周边地区和海域（65°E～180°E 和-15°S～60°N）。

2.4 输入数据和输出数据

RRAS 系统输入数据主要来自全国综合气象信息共享平台数据库，输出产品被存放在网盘。为了使业务人员能直接用气象信息综合分析处理系统（MICAPS）分析RRAS 产品，本文将RRAS 产品进行加工处理，插值为0.1°×0.1° 等经纬度网格数据，并转换为MICAPS格式[27]。

3 同化评估结果

3.1 AMSU-A 资料亮温观测增量O-B

背景场的正演辐射模拟值（B）由数值预报模式场的温度、湿度廓线以及地表参数等代入快速辐射传输模式CRTM 正演得出。观测增量O-B（观测值O和背景场的正演辐射模拟值B的差值）在质量控制中常被用来剔除观测数据异常值。

试验结果如表1～表3 所示：（1）在质量控制后，O-B标准差降低了26%～87%；（2）偏差订正后亮温O-B平均值更接近高斯分布中值（0 K）；（3）经过质控和偏差订正后，通道5～9 亮温O-B平均值变为-0.03 K、-0.02 K、-0.02 K、0.02 K 和-0.05 K，O-B标准差分别降低了56%、31%、80%、88%和33%。

表1 2018 年1 月～10 月NOAA-18 卫星AMSU-A亮温观测数量

表2 2018 年1 月～10 月NOAA-18 卫星AMSU-A亮温O-B 标准差

表3 2018 年1 月～10 月NOAA-18 卫星AMSU-A亮温O-B 平均值

3.2 亮温的观测余差O-A 和观测增量O-B

观测残差O-A（观测值O和分析场的正演辐射模拟值A的差值）,代表同化后观测值和分析场的差异。从O-B到O-A的变化反映出同化观测资料对数值预报背景场的调整。

如表4 所示，2018 年1 月～10 月，各通道亮温O-A标准差与亮温O-B标准差相比平均降低33%，分别降低了0.13 K、0.1 K、0.09 K、0.11 K 和0.18 K。说明同化后有效地使背景场亮温靠近卫星观测场亮温。

表4 NOAA-18 卫星AMSU-A 第5～9 通道亮温的O-B 标准差和O-A 标准差

3.3 RRAS 同化结果与全球分析场对比

3.3.1 对比方法

全球T639 分析场被视为真实值，将其插值到WRF采用的Arakawa C 水平网格[25]，将RRAS 分析场插值到T639 模式标准气压层。在相同的气压层和水平网格上，计算两者均方根误差RMSE：

其中，X代表RRAS 同化分析场，Y代表全球T639 分析场，m为水平方向模式格点个数。变量包括：位势高度、温度、纬向风速、经向风速、2 m 温度、10 m 纬向风速和10 m 经向风速。

3.3.2 对比结果

2018 年1 月～10 月试验RRAS 分析场与全球分析场相比：

（1）如表5 所示，在6 个典型气压层上，位势高度平均RMSE为23.58 dagpm，温度平均RMSE为1.17 K，纬/经向风速平均RMSE为3.36 m/s 和3.80 m/s。其中位势高度和温度的RMSE在500 hPa、700 hPa 和850 hPa 较小；风速RMSE在200 hPa 最大；

表5 同化分析变量（与全球分析相比）的RMSE 的平均值和标准差

（2）如表6 所示，2 m 温度RMSE平均为1.01 K，10 m纬向风和10 m 经向风平均值为2.07 m/s 和2.23 m/s。

表6 2 m 温度、10 m 经向风和10 m 纬向风（与全球分析相比）RMSE 的平均值和标准差

该结果与同期其他业务区域模式类似。

4 同化系统产品应用

RRAS 预报产品能提前反映副热带高压、强降水过程温度场和风场等，支撑暴雨强对流天气分析；RRAS 对台风路径也有较强预报能力。

4.1 暴雨强对流个例

4.1.1 2018 年长江梅雨个例

受低涡切变线云系影响，2018 年7 月5 日，西南地区东部、江汉、江南北部、江淮和黄淮南部等地出现较强降水天气。

副热带高压是影响降水和台风路径的重要天气系统，RRAS 对副热带高压的预报能够反映同化预报系统的性能。如图3(a)所示，RRAS 提前12 h 预报的500 hPa西北太平洋副热带高压（588 dagpm 等值线），呈东西带状分布，与实况副热带高压形态基本一致，位置略偏东。

低层的热力结构和动力结构与暴雨发生发展关系密切。如图3(b)和图3(c)所示，RRAS 提前12 h 预报的850 hPa 温度分布以及850 hPa 风场位于湖北东部的低涡中心，均与实况一致，RRAS 产品分辨率更高、刻画更精细，对预报员分析天气形势非常有利。

4.1.2 2018 年秋季强降水个例

2018 年9 月4 日～5 日受高原槽云系东移影响，青海东部、甘肃南部和四川等地出现强对流天气。

如图4 所示，RRAS 预报未来12 h 的500 hPa 副热带高压海上部分略偏东，形态和实况基本一致；RRAS 也提前12 h 预报出了位于贵州、湖南和重庆等地的副热带高压陆地部分，与实况相比范围略小。

图4 北京时2018 年9 月5 日20:00，RRAS 提前12 h 预报的位势高度和实况（单位为dagpm，同图3（a））

4.2 2018 年台风“玛利亚”和“山竹”个例

海上缺乏常规观测资料，极轨卫星微波温度计资料为区域模式弥补海上大气观测，为台风预报提供更准确的大气初始场信息。

如图5 所示，在2018 年台风“玛利亚”和“山竹”个例中，RRAS 产品分析的48 h 台风中心与中央气象台发布的台风中心基本一致；RRAS 每隔6 h 预报一次未来48 h台风路径，在“玛利亚”台风登陆前（2018 年7 月9 日～11日）预报的台风路径与实况非常接近。

图5 台风个例RRAS 同化分析和预报

5 结论

本文使用多源、多平台的极轨卫星资料，建立极轨卫星微波温度计资料实时同化系统，实现区域转发的极轨卫星微波温度计AMSU-A 资料实时同化。本文对区域转发极轨卫星资料的评估方法和同化方法，可为其后续业务应用提供参考。

要注意根据所在区域范围和卫星资料时效，因地制宜、因星制宜选取卫星资料。另外，除了微波温度计资料之外，微波湿度计和高光谱探测仪等资料同样可被用于区域模式。