台风云雨区红外高光谱卫星资料的集合变分同化方法研究

Hyperspectral infrared radiance data have features of multiple channels, large amount and great variety of information. However, due to lack of prior cloud information in the background, the ability of radiative transfer models in the all-sky data assimilation is limited, which largely degrades the accuracy of the analysis. A scheme that initializes the transfer mode with the cloud parameters retrieved from the particle filter is proposed. Comparisons of different cloud parameter initialization schemes are also conducted. The preprocessing models for the all-sky assimilation of the IASI radiance data are to be optimized and the cloud parameter initialization methods are explored, through serials of data assimilation experiments using real observations. This project aims to construct an ensemble-variational based data assimilation system that updates the cloud parameters and models variables simultaneously to better utilize cloud-affected IASI radiance data, improving the accuracy of the all-sky radiance assimilation and the numerical level of China.

卫星红外高光谱辐射率资料具有通道多、数据量大和信息量丰富等特点。然而由于目前背景大气参数场中缺乏足够的云信息，限制了辐射传输模式对云雨区红外高光谱辐射率的模拟能力，从而降低了云雨区红外高光谱辐射率资料在同化系统中的利用率。本项目提出一个新的适用于云雨大气的快速辐射传输模拟方案，该方案将粒子滤波算法反演获取的云参数用于对快速辐射传输模式进行初始化。通过一系列的台风个例同化试验，研究并优化云雨区IASI红外高光谱辐射率资料的预处理方法，探讨不同云参数初始化方案对云雨区IASI红外辐射率模拟的影响，明确针对云雨区IASI红外高光谱辐射率资料的快速辐射传输模式云参数初始化方案。最终本项目将建立适用于我国台风云雨区IASI红外高光谱辐射率资料的集合-变分混合同化系统，通过云参数和模式变量的同步更新实现对IASI红外高光谱辐射率资料的直接同化，提高我国对台风系统的数值预报水平。

卫星红外高光谱辐射率资料具有通道多、数据量大和信息量丰富等特点。然而由于目前背 景大气参数场中缺乏足够的云信息，限制了辐射传输模式对云雨区红外高光谱辐射率的模拟能力，从而降低了云雨区红外高光谱辐射率资料在同化系统中的利用率。.本项目在同化系统中构建了IASI红外高光谱辐射率资料及其其他静止卫星红外辐射率资料的同化接口。根据资料的探测特性，设计了根据云雨的影响程度而动态变化的红外辐射率资料观测误差模型。通过台风个例同化试验，研究并优化云雨区IASI红外高光谱辐射率资料的预处理方法。基于粒子滤波和通道排序法，根据不同通道的探测特性而进行资料剔除的云反演和云检测方法，可以提高高光谱红外辐射率资料的使用效率。结果显示，上述一系列IASI卫星资料云检测均能大概率去除云区资料，并且保留了权重函数较高的通道资料。探讨不同云参数初始化方案对云雨区IASI红外辐射率模拟的影响，明确针对云雨区IASI红外高光谱辐射率资料的快速辐射传输模式云参数初始化方案。进一步通过建立包含冰相态水凝物控制变量的同化算法来进一步改善云微物理初始场的分析。本项目进一步建立了适用于我国台风云雨区IASI红外高光谱辐射率资料的集合-变分混合同化系统，通过水凝物和其他常规模式变量的同步更新实现了台风系统中卫星辐射率资料的直接同化。考察了对于双台风天气系统和单台风天气系统，IASI红外高光谱辐射率资料在集合-变分混合同化系统相和三维变分同化系统中的不同表现。结果显示，IASI卫星资料同化相对于常规观测能够为资料同化提供了更“合理”、更“准确”的风场和温度场；在双台风个例中，集合-变分混合同化系统在复杂的天气背景下相对于传统的三维变分方法，更能有效利用流依赖的背景误差协方差信息，改进台风的分析和路径以及强度预报。以上IASI红外卫星辐射率资料的同化和应用方法为台风系统数值模拟提供了创新性的思路，具有参考价值；项目完成了既定目标。