风云三号微波成像仪资料全空偏差订正及同化试验研究

Satellite assimilation is one of the key way to improve the quality of numerical weather prediction (NWP). But, because of the limitation of forecast model, radiative transfer model and assimilation method, the direct assimilation of all-sky satellite data is still in the exploratory stage, especially, for the satellite data of Fengyun. This project will try to establish a new assimilation module of MWRI data from the Fengyun 3 satellite in the WRFDA assimilation system to discuss the all-sky assimilation of MWRI data. We will introduce “warm rain” scheme to update the hydrometers variables; obtain the observation error in cloudy area by the symmetric error model and error inflation method; investigate the impact of cloud amount as a predictor for all-sky bias correction and generate FY-3B/3C scan bias correction coefficients, in order to build a new bias correction system for all-sky assimilation. To the end, a few experiments will be constructed to evaluate the impact of MWRI all-sky assimilation on different cases. This study will effectively improve the utilization rate of Fengyun meteorological satellite data, and provide innovative ideas and valuable reference for the future study of satellite all-sky data assimilation.

卫星资料同化是提高数值天气预报质量的关键途径之一，而由于预报模式、辐射传输模式、同化方法等方面的限制使得全空卫星资料的直接同化仍然处于探索阶段，尤其是针对我国风云卫星资料的全空同化研究相对更少。本项目拟在WRFDA同化系统中尝试建立针对风云三号(FY-3)卫星搭载的微波成像仪（MWRI）辐射率资料的同化模块；利用暖雨方案，实现水物质变量的更新；引入对称误差模式和观测误差膨胀方法，得到云雨区观测误差；分析全空条件下的偏差分布形态，统计FY-3B和FY-3C双星MWRI扫描偏差订正系数，并进一步研究云量作为预报因子对偏差订正的影响，尝试建立符合全空同化的偏差订正系统；利用大量数值试验，和FY-3B/C双星资料，揭示MWRI辐射率资料全空同化对不同天气过程分析和预报的影响。该研究将有效提高我国的风云气象卫星资料的利用率，并为以后更多卫星资料的全空同化研究提供创造性思路。

卫星资料同化是提高数值天气预报质量的关键途径之一，而由于预报模式、辐射传输模式、同化方法等方面的限制，使得全空卫星资料的直接同化仍然处于探索阶段，尤其是针对我国风云卫星资料的全空同化研究相对更少。并且随着我国气象卫星建设步伐的不断推进，利用风云系列卫星资料提高我国数值模式初始化和数值预报水平的需求也越来越迫切。本项目系统分析了风云三号微波成像仪辐射率资料的观测数据，发现其观测资料具有明显的条带噪声，利用改进的主成分分析/集合经验模态分解法可以有效去除这种噪声；同时基于WRFDA系统框架，建立了针对微波成像仪资料的晴空同化模块，搭建了循环同化系统，研究了微波成像仪晴空资料的同化影响，个例试验结果表明微波成像仪的晴空同化可以有效改进台风路径及强度的预报。在此基础上，项目分析了微波成像仪全空数据偏差特征，建立了偏差随云量变化的全空误差模型，统计偏差订正系数，确定了偏差订正方案，并扩展了云水控制变量，结合暖雨方案等方法，实现了微波成像仪资料的全空同化，研究了成像仪资料全空同化的影响，通过个例同化试验表明微波成像仪的全空同化可以有效提升台风内部结构特征的分析质量，提高台风登陆后的降水评估。为了进一步提升同化效果，项目还发展了一种混合分辨率的区域同化方法，经过测试发现新方法可以有效降低计算成本，并提高灾害性天气预报质量。为了进一步推进风云卫星成像仪数据的使用，后期还增加了针对风云四号可见光红外成像仪资料的同化研究，通过多组试验研究发现宽稀疏化距离的水汽通道资料同化的效果最优，可以有效减小预报误差，提高预报质量。本项目的研究成果在区域灾害性天气数值预报研究中具有广泛的应用前景。在本项目的支持下，形成了一套针对风云卫星微波成像仪和可见光红外成像仪的同化系统，发展了一种基于全球集合背景误差的区域混合同化方法，完成了3次学术报告，6篇学术论文，其中SCI论文5篇，培养了博士研究生、硕士研究生各1名。