全天候同化中高频微波散射辐射传输模式的改进研究

Microwave observations in the cloudy and rainy conditions contain atmospheric information related to the development of the weather systems, especially the severe weather systems like typhoons and rainstorms. Therefore, the microwave data assimilation using the all-sky radiances has become a research hotspot. Over the past decade, several international numerical forecasting centers have conducted the all-sky assimilation operation step by step. A rapid and accurate radiative transfer model is the core in the all-sky assimilation technology at present. The high frequency microwave sounding channels are greatly affected by the ice hydrometeor in the convection system, and there’s no general scattering schemes suitable for the convection system at present. The object of this study is to develop an improved scattering scheme suitable for the typhoon and multi-source satellites, using the microwave humidity sounder data and the numerical model first guess. With the aid of the special image characteristics in typhoon cloud systems, the most fundamental problem, which is the observation and model miss-matching, will be improved. The new scattering scheme will be applied to the MWHS-2 all-sky assimilation. This study has important scientific significance for reducing the uncertainty of scattering radiative transfer model and improving the microwave sounder all-sky assimilation, and at the same time, it is helpful for promoting the further application of Fengyun satellite microwave data in numerical model, and improving the basic research level of all-sky assimilation in China.

云和降水区微波观测包含有大量与天气系统，特别是台风、暴雨等灾害性天气系统发生发展密切相关的大气信息，因此，微波资料的全天候同化应用成为当前数值预报领域的热点研究问题，过去十年间，全球几大数值预报中心都逐步开展了全天候同化业务。快速而准确的辐射传输模式是当前全天候同化技术的核心所在，高频微波探测通道受对流系统中的冰相水成物影响极大，目前缺乏一个适用于对流系统的通用高频散射方案。本研究旨在利用微波湿度计资料和数值模式初猜场约束构建一个适用于台风系统和多源卫星的散射计算方案，借助台风特殊的云系结构图像特征，解决散射方案中最根本的观测与模式匹配问题，并将新的散射辐射传输模式应用于MWHS-2资料的全天候同化中。本项目对减少散射辐射传输模式的不确定性，从而改进全天候同化具有重要的科学意义，同时有助于推动风云卫星微波资料在数值模式同化中的进一步应用，提高我国在全天候同化领域的基础研究水平。

星载微波探测仪的全天候观测资料包含有与天气系统的热力、动力过程相关的关键大气信息，用于数值天气预报模式同化能够提高灾害性天气预报的准确度，然而，高频微波全天候观测资料同化因存在云和降水区域的辐射传输计算不准确问题，是国际学术界的研究热点，尤其是在存在固态水凝物的热带对流降水云区的同化挑战性较大，影响微波探测仪全天候资料的同化应用。本项目利用风云三号卫星微波湿度计（MWHS-2）资料对全天候同化中高频微波散射辐射传输方案和全天候资料的同化方法开展了三个方面的研究：其一，建立了多年台风个例多源卫星主被动观测数据和数值模式初猜场匹配数据集，引入星载云雷达和微波辐射计观测数据对观测-背景偏差计算的背景廓线进行构建，同时利用区域数值天气预报模式预报结果对背景廓线进行约束，该数据集的构建为散射方案的改进提供了基本输入参数；其二，针对数值模式云的错位影响全天候观测-模拟偏差计算问题，本项目提出了一种基于主被动联合观测与数值模式约束的观测-模拟偏差计算方法，通过直接的观测-模拟偏差评估台风对流云区不同散射方案的模拟效果，建立了单形状假设和非球形集合的散射辐射传输方案，改进了观测-模拟的高斯分布偏度（通道9偏度从传统方案的0.34改进到0.28；通道15偏度从0.51改进到0.47）和平均偏差（通道9从传统方案的-3.34K改进到-3.03K，通道15从-6.77K改进到-5.15K）；第三，利用改进的散射辐射传输方案，本文基于一维贝叶斯反演加三维变分同化方法实现了MWHS-2云和降水区资料的同化，并对同化方法进行了改进。台风个例同化结果表明，该同化方案能够通过影响初始场的温湿度和风场，显著改善对台风风场结构和台风最大风速的模拟，同时改善了台风降水云螺旋结构的预报。