微波成像資料同化研究進展

周鑫+劉健文+黃江平

【摘 要】微波成像儀近年來發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，國外利用微波成像資料進行了大量同化試驗，對提高天氣預(yù)報技巧發(fā)揮了重要作用，但我國在微波成像資料同化方面起步較晚，發(fā)展水平不高，了解國外的研究現(xiàn)狀，學(xué)習(xí)其先進的技術(shù)和方法對我國的微波成像資料同化工作將有很好的借鑒和幫助作用。

【關(guān)鍵詞】微波成像；資料同化；進展

0 引言

微波成像資料的同化一直是數(shù)值模式發(fā)展過程中的熱點問題，國外利用微波成像資料進行同化最早采用的是先反演再分析的間接同化方法，但是間接同化由于包含了反演過程中各個環(huán)節(jié)的誤差，使得觀測誤差來源復(fù)雜化，并帶有系統(tǒng)性偏差，同化過程中產(chǎn)生背景與觀測誤差偏離正態(tài)分布較遠等問題，因此目前在微波成像資料同化中通常采用的是直接同化的方式，研究表明直接同化的同化效果產(chǎn)生了一定的正影響，使得數(shù)值預(yù)報準確率得到了一定程度的提升。目前，同化系統(tǒng)中主要應(yīng)用的微波成像載荷有SSM/I，SSMIS和AMSR-E等。

1 國外研究進展

1.1 SSM/I

美國從1987年開始實施DMSP計劃后陸續(xù)發(fā)射了搭載SSM/I，SSM/T和SSM/T-2的衛(wèi)星，提高了空間對地遙感探測的能力。全球資料同化系統(tǒng)（GDAS）和美國環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）利用SSI三維同化分析系統(tǒng)對大部分的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行了同化，其中就包括SSM/I。對于SSM/I資料的應(yīng)用，一開始采用的是間接同化，Treadon[1]對SSMI反演的降水資料進行了間接同化，研究表明加入同化資料起到了一定的作用，但是當(dāng)某些地區(qū)沒有降水的時候就沒有資料進入同化系統(tǒng)中，此外Treadon發(fā)現(xiàn)采用間接同化大氣可降水量（TCWV）會中斷哈德萊環(huán)流。鑒于間接同化有這樣的缺點，Okamoto通過實驗發(fā)現(xiàn)相比間接同化海表面風(fēng)速和大氣可降水量，直接同化SSM/I輻射率資料效果更好，而且不會中斷哈德萊環(huán)流。Jean-Deancois[2]采用SSM/I及TMI降水率資料和歐洲四維同化系統(tǒng)進行了對比試驗，發(fā)現(xiàn)SSM/I和TMI對溫帶地區(qū)的降水預(yù)報都有很大的改進作用，但相比較而言SSM/I的同化效果整體好于TMI。Okamoto[3]使用NCEP的GSI同化系統(tǒng)對SSM/I的輻射率資料進行直接同化，并利用輻射傳輸模式剔除了受云雨條件影響的數(shù)據(jù)，質(zhì)量控制方案為：（1）剔除亮溫小于70K或大于320K的數(shù)據(jù)；（2）剔除水平極化亮溫減去垂直極化亮溫大于2K的數(shù)據(jù)。云檢測方案為：（1）19GHz、22GHz、37GHz和89GHz各通道的云中液態(tài)水含量分別超過0.35kg/m2、0.27kg/m2、0.10kg/m2和0.024kg/m2時，剔除該數(shù)據(jù)；（2）觀測場與背景場之差如果大于對應(yīng)通道的特定觀測誤差，予以剔除。表1列出了各通道的云中液態(tài)水含量臨界值和觀測誤差臨界值。同化結(jié)果表明，熱帶地區(qū)和北半球的降水量得到了一定增加，南半球中高緯地區(qū)的降水量有輕微減小。總體而言，SSM/I資料的加入提高了全球預(yù)報技術(shù)，尤其是測量熱帶地區(qū)200hPa的風(fēng)矢量誤差，并且在臺風(fēng)路徑模擬方面也減小了誤差（表1）。

1.2 SSMIS

目前，在DMSP計劃中，SSMIS取代了SSM/I，SSM/T和SSM/T-2，實現(xiàn)垂直探測和成像遙感的有機結(jié)合，SSMIS在SSMI通道頻率調(diào)整的基礎(chǔ)上增加了17個通道。Kazumori[4]等利用日本氣象廳全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，對SSMIS南半球500hPa高度數(shù)據(jù)進行低分辨率（TL319L60）同化試驗，發(fā)現(xiàn)預(yù)報時間為一天時，加入SSMIS數(shù)據(jù)效果全面好于不加入SSMIS，而預(yù)報時間為3、5、7天時，加入SSMIS資料的絕大部分效果都好于不加入，表明SSMIS資料能夠顯著地改善預(yù)報的準確性，下一步計劃采用日本業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行高分辨率（TL959L60）同化試。Okamoto等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過偏差訂正后SSMIS數(shù)據(jù)質(zhì)量和SSMI非常相似，他們采用了和SSMI相同的質(zhì)量控制和云檢測方案，同化結(jié)果表明對分析850hPa溫度和大氣水汽總量有一定的積極作用。為了同化SSMIS資料，NOAA還發(fā)展了新的質(zhì)量控制方法和云檢測方案：（1）觀測場與沒有經(jīng)過偏差訂正的背景場的差值大于等于3.5K時，予以剔除；（2）第2通道（52.8GHz）與經(jīng)過偏差訂正的背景場的差值大于1.5K時，剔除12—16通道（19V/H，22V，37V/H）數(shù)據(jù)；（3）云中液態(tài)水含量臨界值剔除方法，具體數(shù)值不同于SSM/I（見表2）。可以看出，新的質(zhì)量控制方法在原有基礎(chǔ)上加入了對非成像通道數(shù)據(jù)的利用，更具準確性。NOAA的全球預(yù)報系統(tǒng)同化SSMIS資料后，對提高全球中期數(shù)值預(yù)報水平產(chǎn)生了較小的正效果。Bell[5]等基于MetOffice，ECMWF，NCEP和NRL四個業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報中心對DMPS-F16的SSMIS成像資料進行同化，結(jié)果顯示在南半球產(chǎn)生了正影響，1—4天的海平面氣壓預(yù)報誤差減小了0.5%-2.5%（表2）。

1.3 AMSR-E

AMSR-E微波成像儀與SSM/I最大的區(qū)別在于它有四個低頻通道，即6.9GHz和10.6GHz（雙極化），而低頻通道對地表和海表面的氣象要素非常敏感，因此研究人員針對這兩個低頻通道在同化系統(tǒng)的應(yīng)用效果開展了許多工作。Kazumori[6]發(fā)現(xiàn)同化AMSR-E資料對海表面風(fēng)速的研究具有積極作用，6.9GHz和10.6GHz垂直極化通道對海溫非常敏感，在高風(fēng)速的條件下，6.9GHz和10.6GHz的水平通道敏感性迅速變大，同化AMSR-E資料對臺風(fēng)和暴雨等天氣現(xiàn)象進行模擬，發(fā)現(xiàn)在所有天氣條件下AMSR-E的風(fēng)速數(shù)據(jù)都使得分析場中的表面風(fēng)速增加，并增加了臺風(fēng)中心的強度和最大風(fēng)速，提高了臺風(fēng)的預(yù)報水平。此外，Kazumori還發(fā)現(xiàn)在同化系統(tǒng)中加入AMSR-E資料使得數(shù)值模式對于降水的模擬更接近實際觀測情況，采用的質(zhì)量控制方案和云檢測方案和Okamoto對于SSMI的方案相似，具體數(shù)值見表3。

在微波成像資料的同化研究過程中，許多和同化相關(guān)的技術(shù)和方法也同步得到了快速發(fā)展。譬如，NCEP針對AMSR-E的低頻通道設(shè)計了一個新的微波海洋輻射模式，應(yīng)用于CRTM快速輻射傳輸模式中，研究發(fā)現(xiàn)新的海洋輻射模式能夠更加有效地從AMSR-E輻射率資料中獲取海表面信息，對比試驗結(jié)果表明采用該海洋輻射模式對南半球的正影響更加顯著[6]。

2 我國研究進展

我國在微波成像資料同化方面起步較晚，對于微波成像儀，利用AMSR-E進行的研究較多，但對SSM/I和SSMIS等其他微波成像儀研究很少。例如鄭祚芳等[7]針對衛(wèi)星觀測資料具有水平分辨率高，觀測面廣闊，測量誤差易于掌握等優(yōu)點，分析和總結(jié)了目前衛(wèi)星觀測資料在數(shù)值天氣預(yù)報模式中的應(yīng)用情況，并對其未來發(fā)展做了一些有益的探討。付秀麗等通過研究發(fā)展一個數(shù)據(jù)分析方法，判斷AMSR-E亮溫同化系統(tǒng)土壤水分的預(yù)報誤差[8]。史小康等利用AMSR-E亮度溫度資料，估算了高原東北部的土壤濕度值；還利用耦合了Noah陸面模型的WRF中尺度模式WRF-Noah，結(jié)合牛頓松馳逼近同化法對AMSR-E估算的土壤濕度進行了同化試驗[9]。皇群博設(shè)計了一個一維+四維變分同化系統(tǒng)的流程，并將其應(yīng)用于云水污染的SSM/I資料的同化，發(fā)現(xiàn)結(jié)果好于不加入受云水污染的SSM/I資料[10]。對于我國自主研發(fā)的MWRI微波成像儀，陸其峰利用歐洲中期天氣預(yù)報中心系統(tǒng)對FY-3A資料進行了同化研究，結(jié)果表明同化FY-3A數(shù)據(jù)對預(yù)報準確度有一定改進[11]。

3 總結(jié)

相比于國外的研究進展，我國在微波成像資料同化方面發(fā)展水平和國外還存在一定差距。DMSP-F16作為美國國防衛(wèi)星，已搭載SSMIS成功運行多年，資料使用效果良好，在軍事氣象保障、天氣預(yù)報、強對流監(jiān)測和洪澇災(zāi)害監(jiān)測、水文應(yīng)用方面發(fā)揮了巨大作用。該系列衛(wèi)星不僅已經(jīng)更新多次，而且在美國未來的衛(wèi)星計劃中，同時擁有微波成像和微波探測兩類通道的微波探測器將繼續(xù)發(fā)展，因為通道細化后能采集到更加豐富的微波遙感信息，帶來更加廣闊的應(yīng)用前景。目前我國自主氣象衛(wèi)星的發(fā)展正進入一個快速發(fā)展的時期，特別是即將發(fā)射的氣象衛(wèi)星搭載的微波成像傳感器，與SSMIS成像通道頻率接近，針對微波成像資料在數(shù)值天氣預(yù)報中的應(yīng)用研究迫在眉睫，因此借鑒國外先進的經(jīng)驗和完善的技術(shù)對改進我國微波成像資料同化在數(shù)值模式中的應(yīng)用將大有裨益。

【參考文獻】

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[7]鄭祚芳，沈桐立.氣象衛(wèi)星探測資料在數(shù)值天氣預(yù)報中的應(yīng)用[J].氣象，2001，27（9）：3-8.

[8]付秀麗，施建成.AMSR-E亮溫同化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2010，03：342-345.

[9]史小康，文軍，王磊，等.545 AMSR-E 衛(wèi)星亮度溫度數(shù)據(jù)在高原東北部土壤濕度觀測和模擬中的應(yīng)用[J].2010.

[10]皇群博.云水污染的衛(wèi)星微波資料變分同化技術(shù)[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

[11]Lu Q F. Initial evaluation and assimilation of FY-3A atmospheric sounding data in the ECMWF System[Z]. Sci China Earth Sci， 2011， 54， doi：10.1007/s11430-011-4243-9.

[責(zé)任編輯：湯靜]