云海-2掩星探測資料在全球數值天氣預報模式中的同化效果評估

王業桂 張斌 李娟 蔡其發 蘭偉仁 郭賢鵬 王廣杰

解放軍 61741 部隊，北京 100094

1 引言

近幾十年來，數值天氣預報在業務化預報中的基礎作用越來越凸顯，隨著數值天氣預報模式的不斷發展和完善，數值天氣預報的初始場精度已成為制約預報準確率的關鍵因素。為了提高數值天氣預報初始場的精度，有效同化不同種類的衛星遙感探測資料已成為當前主要手段。

無線電掩星大氣探測，利用裝載在低軌衛星上的掩星接收機，接收受大氣折射影響的導航衛星信號，通過對該信號分析處理，反演得到大氣折射率、溫度、濕度、氣壓以及電離層電子密度等垂直分布信息。無線電掩星大氣探測不需要在軌定標，可全天候工作，探測資料全球分布，具有較高的精度和垂直分辨率，在對流層垂直分辨率可達200～500 m，在平流層接近1.0 km，其在改善數值天氣預報模式的初始場中能夠發揮重要作用，貢獻值僅次于微波溫度和紅外高光譜，超過了高空報和飛機報（朱孟斌等,2013）。

相對于微波溫度和紅外高光譜資料，掩星資料具有不受云雨影響的優勢；掩星探測儀器長期穩定，不需要進行誤差偏離調整；掩星探測資料分布比較均勻，能夠有效豐富極地和海洋等觀測稀少地區的觀測資料（余江林等，2014）。由于掩星探測的優勢，美國、阿根廷、德國等國家先后實施了掩星探測任務。我國臺灣和美國于2006年4月14日合作的掩星探測項目COSMIC（Constellation Observing System for Meterology，Ionosphere，and Climate，COSMIC），其6顆低軌衛星獲取的掩星資料在ECMWF同化后，預報準確度提升了6%（朱孟斌等,2013）。

鑒于掩星探測資料在數值預報中發揮的重要作用，國內外十分重視對掩星資料在數值預報模式中的同化應用，并開展了許多研究工作。ECMWF于2006年在其業務系統中對彎曲角資料進行同化，Healy and Thépaut（2006）揭示了同化彎曲角資料有助于改善溫度的預報。Zou et al.（1999,2000）在掩星探測資料的觀測算子方面開展了大量研究，提升了彎角觀測資料的同化應用效果。馬再忠等（2011）對掩星探測資料的局地和非局地觀測算子進行對比研究，結果表明在水平梯度大值區，非局地觀測算子能夠取得更好的改善效果。朱孟斌等（2013）設計了一維彎曲角算子在四維變分資料同化系統的實現方法和質量策略，試驗結果表明掩星探測資料的同化在全球范圍能夠有效改善預報效果。成巍等（2012）基于局地和非局地觀測算子的GPS（Global Positioning System）掩星探測資料后向映射四維變分同化研究結果表明，同化GPS掩星探測資料，可以改進24 h的降水預報；鄒逸航等（2017）在GRAPES模式中對掩星資料進行同化，發現同化后可以減小模式預報臺風路徑誤差。

我國自主研發的云海-2掩星大氣星座于2018年12月底發射，云海-2掩星大氣探測星座系統能夠對全球中低緯度大氣層溫度、濕度、氣壓等參數的垂直廓線進行探測，為數值天氣預報提供高垂直分辨率、高精度的觀測（蔡其發等，2021）。開展云海-2掩星資料在數值天氣預報模式中的同化應用技術研究，對改善數值預報初始場精度進而提高預報準確率具有重要作用，同時對建立和積累自主衛星資料同化技術也具有重要的意義。本文針對我國自主的云海-2掩星探測資料，在全球數值天氣預報模式T799L91中建立其同化流程，考察云海-2掩星探測資料同化應用效果。

2 云海-2 掩星探測資料前處理

云海-2掩星探測資料包括彎曲角和折射率兩種資料，相比于折射率資料，彎曲角資料具有更為原始、引入假設更少、觀測誤差特性相對簡單等優勢，因此本文對云海-2掩星探測資料的彎曲角進行直接同化。相對于數值天氣預報模式層，云海-2掩星探測資料在垂直方向上具有很高的分辨率，為了合理有效地同化云海-2掩星探測資料，減少資料冗余帶來的計算量，本文對云海-2掩星探測資料在垂直方向上進行稀疏化，為每個模式層匹配一個距離最近的觀測。

3 彎曲角觀測算子

參照朱孟斌等（2013）掩星觀測算子設計，假設忽略無線電經過路徑上大氣環境的水平變化，在球對稱假設下，一維彎曲角觀測算子α 計算方法如下：

其中，HN(T,p,q)表示折射率算子，是用模式格點上的溫度（T）、壓強（p）和濕度（q）計算折射率，FI將模式面上折射率插值到射線近地面切點位置上，HA表示根據近地面切點位置計算彎曲角的算子。

4 云海-2 掩星探測資料在T7 9 9 L9 1模式中的同化效果評估

4.1 試驗方案

為了考察云海-2掩星探測資料在全球數值天氣模式中的同化應用效果，同時考慮到下一步的直接業務化應用，本文基于T799L91譜模式及其四維變分同化系統，構建了云海-2掩星探測資料同化應用流程。為了考察云海-2掩星探測資料的同化預報效果，本文選取了災害性天氣發生頻率較高的7月（2019年）開展同化預報試驗，同化時間窗為12 h，設置了表1所示的4套試驗。

表1 T799L91譜模式同化預報試驗設置Table 1 The design of assimilation and forecasting experiment with spectral model T799L91

試驗1（T799L91）為日常的業務化運行，同化的掩星探測資料為國外GPS掩星探測資料，試驗2（T799L91-GPS）相對于試驗1不同化國外GPS掩星探測資料，因此試驗1、2的結果對比就可以反映同化國外GPS掩星探測資料對全球數值天氣預報的影響。試驗3相對于試驗2，加入云海-2掩星探測資料的同化，因此試驗1、3的結果就可以對比國外GPS掩星探測資料和云海-2掩星探測資料在全球數值預報中的同化效果；試驗2、3則可以反映云海-2掩星探測資料在全球數值天氣預報中的同化效果。試驗4相對于試驗1，加入云海-2掩星探測資料同化，主要目的是考察在業務化流程中加入云海-2掩星探測資料，能否進一步提升預報效果。

4.2 試驗結果

本節基于ECMWF再分析資料對表1中各試驗的預報結果進行評估，具體評估時劃分為東亞區域、北半球和南半球，對24 h、72 h、120 h、168 h的預報結果進行統計分析，計算的統計量主要包括500 hPa的位勢高度距平相關系數、850 hPa的風場和溫度場的均方根誤差。

4.2.1 500 hPa距平相關系數

圖1為各試驗在東亞區域的500 hPa位勢高度場距平相關系數，圖1a1–a4為24 h、72 h、120 h和168 h的逐日統計結果，為了更為清晰地展示整體的變化趨勢，圖1b1–b4給出了24 h、72 h、120 h和168 h相應的每隔10 d的平均統計結果，其中前10 d代表前期，中間10 d代表中期、最后11 d代表后期。對比圖1a1–a4、1b1–b4，可以看出相對于試驗1（紅色線條，下同），試驗2（綠色線條，下同）在前期的各個時效的預報距平相關系數沒有明顯增大或者降低趨勢，在中后期距平相關系數整體上則呈降低的趨勢（尤其是從圖1b1、b2中24 h和72 h時效的預報可以清晰地看出），這表明隨著預報日數的增加，同化GPS掩星探測資料對東亞區域的預報效果逐漸有一定的改進作用。加入云海-2掩星探測資料同化后，相對于試驗2，試驗3（藍色線條，下同）在24 h、72 h、120 h的預報中距平相關系數整體上有所提高（圖1a1–a3），這從圖1b1–b3的平均統計結果可以更清楚地看出，尤其是在中后期表現更為明顯，而168 h的預報，除了個別日數有明顯提高（圖1a4），整體上試驗2、3的預報效果相當（圖1b4），這表明同化云海-2掩星探測資料能夠進一步有效地改善預報結果。相對于試驗1，試驗3在中前期距平相關系數沒有表現出明顯的優勢，但在中后期整體上高于試驗1，這表明東亞區域同化云海-2掩星資探測料優于GPS掩星探測資料。相對于試驗1，試驗4加入了云海-2掩星探測資料同化，試驗4（橙色線條，下同）在所有試驗中距平相關系數震蕩最小，預報效果最好，這表明業務系統中加入云海-2掩星探測資料同化，能夠進一步有效地改善東亞區域的預報效果，也說明了聯合同化云海-2掩星探測資料和GPS掩星探測資料的有效性。

圖1 2019年7月表1中各試驗在東亞區域的500 hPa位勢高度場距平相關系數。0.6為可用預報參考值，圖a1–a4為24 h、72 h、120 h和168 h預報的逐日統計結果，圖b1–b4為24 h、72 h、120 h和168 h預報的每隔10 d的平均統計結果Fig.1 The anomaly correlation coefficients of 500-hPa geopotential height in East Asia for each experiment in Table 1 in July 2019.0.6 is the reference value of available forecast;Figs.a1–a4 represent the statistical results of 24-h,72-h,120-h,and 168-h forecasts,respectively;Figs. b1–b4 represent the average statistical results every 10 days for 24-h,72-h,120-h,and 168-h forecasts, respectively.T799L91,T799L91-GPS,T799L91-GPS+YH2,T799L91+YH2 represent the experiment under normal operational circumstance,the experiment without assimilating GPS(Global Positioning System)occultation data comparing with experiment T799L91,theexperiment with assimilating Yunhai-2 occultation data comparing with experiment T799L91-GPS, the experiment with assimilating Yunhai-2 occultation data comparing with experiment T799L91, respectively

圖2為各試驗在北半球的500 hPa位勢高度場距平相關系數。相對于試驗1，試驗2的距平相關系數整體上有所降低，特別是在中后期表現最為明顯，這與持續不同化GPS掩星探測資料直接相關，表明了同化GPS掩星探測資料在北半球預報中起到的正效應。相對于試驗2，試驗3在4個預報時效距平相關系數均增大，尤其在中后期提高更為明顯，這表明同化云海-2掩星資料能夠有效地改善北半球的預報，且改善效果隨著日數的增加不斷增強。對比試驗1和試驗3，在中前期，24 h和72 h預報中試驗3均偏低，120 h和168 h預報中兩者則相當；在中后期中，試驗3則要優于試驗1，這表明隨著日數的增加，同化云海-2掩星探測資料的正效果逐步增大，后期超過了GPS掩星探測資料，這從圖2b2–b4的平均統計結果可以更為清晰地反映出來。類似圖1，試驗4在所有試驗中距平相關系數震蕩最小，24 h和72 h預報在中前期雖不如試驗1，但在中后期整體上要優于試驗1和試驗3，這可能源于GPS和云海-2掩星探測資料的聯合同化，相互融合需要一定的適應時間，才能體現聯合同化的效果。在120 h和168 h的預報中，前期試驗4相對于試驗3效果略優，而中后期試驗3則優于試驗4，這進一步表明云海-2掩星探測資料在更長時效的預報中發揮的作用更大。

圖2 同圖1 ，但為各試驗在北半球500 hPa位勢高度場的距平相關系數Fig.2 As in Fig.1,but for the anomaly correlation coefficientsof 500-hPa geopotential height in Northern Hemisphere for each experiment in Table 1

圖3為表1中各試驗在南半球的500 hPa位勢高度場距平相關系數。從試驗1和試驗2結果對比可以看出，同化GPS掩星探測資料在南半球整體發揮了較為明顯的正作用。試驗1、2和試驗3的對比結果表明，云海-2掩星探測資料在中前期同化應用效果不佳，隨著日數增加，同化正效果逐步增強，后期優于GPS掩星探測資料；試驗1、試驗3和試驗4的結果對比表明，GPS和云海-2掩星探測資料在南半球的聯合同化效果在較長時效的120 h、168 h的中后期較為明顯。

圖3 同圖1 ，但為各試驗在南半球500 hPa位勢高度場的距平相關系數Fig.3 As in Fig.1,but for the anomaly correlation coefficientsof 500-hPa geopotential height in Southern Hemisphere for each experiment in Table 1

4.2.2 850 hPa風場均方根誤差

圖4為表1中各試驗在東亞區域的850 hPa風場的均方根誤差。對比試驗1和試驗2的結果可以看出，同化GPS掩星探測資料能夠有效降低850 hPa風場預報的均方根誤差。試驗2和試驗3的結果對比表明，同化云海-2掩星探測資料能夠有效降低850 hPa風場預報均方根誤差，提高風場的預報精度。對比試驗1和試驗3，同化云海-2掩星探測資料在24 h預報中對850 hPa風場的改善幅度小于GPS掩星探測資料，72 h預報中同化GPS掩星探測資料和云海-2掩星資料對850 hPa風場的改善幅度相當，120 h和168 h預報中，同化云海-2掩星探測資料略優于GPS掩星探測資料。對試驗1、3和4的結果進行分析，可以看出對于GPS掩星探測資料和云海-2掩星資料的聯合同化，除了24 h預報中聯合同化效果不太理想，72 h、120 h和168 h預報中聯合同化的風場均方根誤差整體最小，同化效果最好，尤其是在后期體現最為明顯。

圖5為表1中各試驗在北半球的850 hPa風場的均方根誤差。類似圖4，可以看出同化GPS掩星探測資料對850 hPa風場預報的調整基本為正效應，同化云海-2掩星探測資料能夠有效降低風場的均方根誤差，提高風場的預報精度。24 h、72 h預報中，同化GPS掩星探測資料優于云海-2掩星探測資料，在更長預報時效的120 h和168 h中，同化云海-2掩星探測資料和GPS掩星探測資料對風場調整的整體效果相當，但在后期，同化云海-2掩星探測資料相對于GPS掩星探測資料呈現一定的優勢（圖5b3、b4）。聯合同化GPS掩星探測資料和云海-2掩星探測資料在24 h預報中表現不理想，但在更長預報時效的72 h、120 h和168 h中的后期聯合同化表現出較好的效果。

圖4 同圖1 ，但為各試驗在東亞區域的850 hPa水平風速的均方根誤差Fig.4 Asin Fig.1, but for the RMSE (root mean square errors) of 850-hPa horizontal wind in East Asia for each experiment in Table 1

圖5 同圖1 ，但為各試驗在北半球的850 hPa水平風速的均方根誤差Fig.5 Asin Fig.1, but for the RMSE of 850-hPa horizontal wind in Northern Hemispherefor each experiment in Table1

圖6為表1中各試驗在南半球的850 hPa風場的均方根誤差，試驗結果類似北半球，這里不再贅述。

圖6 同圖1 ，但為各試驗在南半球的850 hPa水平風速的均方根誤差Fig.6 Asin Fig.1, but for the RMSE of 850-hPa horizontal wind in Southern Hemispherefor each experiment in Table1

4.2.3 850 hPa溫度場均方根誤差

圖7為表1中各試驗在東亞區域的850 hPa溫度均方根誤差。相對于試驗1，除72 h預報外，試驗2在其他時效的預報中均方根誤差整體呈增大趨勢，即同化GPS掩星探測資料對溫度場整體的調整基本為正效應。相對于試驗2，除了168 h外，試驗3的溫度場均方根誤差在24 h、72 h和120 h預報中均有所降低，整體而言同化云海-2掩星探測資料對于溫度場預報具有明顯的改善效應。對比試驗1和試驗3的結果，中前期同化GPS掩星探測資料在各時效的預報中整體要好于云海-2掩星探測資料，但隨著日數的增加，后期云海-2掩星探測資料的改善效果不斷增大，逐漸優于GPS掩星探測資料。與試驗1和試驗3對比，從試驗4的結果可以看出，聯合同化云海-2掩星探測資料和GPS掩星探測資料在整體均方根誤差震蕩最小，隨著日數的增加，聯合同化優勢逐漸增強（尤其在中后期）。

圖8為表1中各試驗在北半球的850 hPa溫度場的均方根誤差。對比試驗1和試驗2，可以看到同化GPS掩星探測資料對溫度場整體的改善作用，對比試驗2和試驗3，同樣可以看到同化云海-2掩星資料，溫度場整體也得到改善。進一步對比試驗1和試驗3，可以看到同化GPS掩星探測資料在24 h預報中改善效果要優于云海-2掩星探測資料，而在72 h、120 h和168 h預報中，隨著預報時效的延長和日數的增加，同化云海-2掩星探測資料相對于GPS掩星探測資料的優勢逐漸顯現，類似于圖7，這種優勢主要體現在更長的預報時效中。對比試驗1、試驗3和試驗4，可以看到聯合同化兩種掩星探測資料的優勢也主要體現在更長預報時效的后期。

圖7 同圖1 ，但為各試驗在東亞區域的850 hPa溫度的均方根誤差Fig.7 As in Fig.1,but for the RMSE of 850-hPa temperaturefield in East Asia for each experiment in Table 1

圖8 同圖1 ，但為各試驗在北半球的850 hPa溫度的均方根誤差Fig.8 Asin Fig.1, but for the RMSE of 850-hPa temperaturefield in Northern Hemispherefor each experiment in Table1

圖9為表1中各試驗在南半球的850 hPa溫度的均方根誤差，類似北半球，同化云海-2掩星探測資料對南半球溫度場的調整基本為正效應。24 h預報中，同化GPS掩星探測資料優于同化云海-2掩星探測資料，而72 h、120 h和168 h預報中，中前期同化GPS掩星探測資料相對于云海-2掩星探測資料仍然占據優勢，但隨著日數的增加，同化云海-2掩星探測資料逐漸優于GPS掩星探測資料（尤其是在后期）；聯合同化GPS和云海-2掩星探測資料的優勢主要體現在中后期的72 h、120 h和168 h的預報中。

圖9 同圖1 ，但為各試驗在南半球的850 hPa溫度的均方根誤差Fig.9 Asin Fig.1, but for the RMSE of 850-hPa temperaturefield in Southern Hemispherefor each experiment in Table1

5 總結

本文基于全球數值天氣預報模式T799L91及其四維變分同化系統，構建了針對中國自主的云海-2掩星探測資料的同化流程，并以2019年7月整月開展了云海-2掩星探測資料的同化預報試驗，考察云海-2掩星探測資料的同化效果，試驗結果表明：

（1）對于500 hPa位勢高度場而言，同化云海-2掩星探測資料在東亞區域能夠改善預報場精度，聯合同化云海-2和GPS掩星探測資料能夠進一步提升預報精度；北半球的預報中，同化云海-2掩星探測資料相對于GPS掩星探測資料的優勢、聯合同化云海-2掩星探測資料和GPS掩星探測資料的效果均主要體現在較長的預報時效和中后期；南半球的預報中同化云海-2掩星探測資料的正效果主要體現在較長的預報時效和中后期，但是聯合同化效果不理想。

（2）對于850 hPa風場而言，東亞區域、北半球和南半球的預報中，同化云海-2掩星探測資料均能夠有效改善預報精度。24 h預報中，同化云海-2掩星探測資料的改善幅度小于GPS掩星探測資料，72 h、120 h和168 h的預報中，云海-2掩星探測資料和GPS掩星探測資料對預報的改善效果相當，但在中后期云海-2掩星探測資料呈現一定的優勢。聯合同化云海-2掩星探測資料和GPS掩星探測資料的優勢主要體現在更長時效的72 h、120 h和168 h預報中，同樣的預報時效中，聯合同化優勢在中后期更為明顯。

（3）對于850 hPa溫度場而言，同化云海-2掩星探測資料能有效改善預報精度；在較短時效的24 h預報中，同化GPS掩星探測資料優于同化云海-2掩星探測資料，而在較長時效的72 h、120 h和168 h預報中，隨著日數的增加，同化云海-2掩星探測資料逐漸優于GPS掩星探測資料，尤其是在中后期；聯合同化兩種掩星探測資料的優勢也主要體現在更長預報時效的中后期。

本文初步構建了云海-2掩星探測資料在全球數值天氣預報模式中的同化流程，試驗結果表明了云海-2掩星探測資料在改善預報準確度方面的有效性，然而同化云海-2掩星探測資料在一些區域和預報時刻內的改善效果還并不理想，這可能均源于云海-2掩星探測資料作為一種新觀測資料，對模式預報場的改善需要一定的調整適應時間，其次目前對云海-2掩星探測資料的同化參數尚未優化調整，同時本文僅是基于2019年7月開展云海-2掩星探測資料的同化應用研究，試驗結果存在一定的局限性，下一步將進行更長時間序列的試驗。