静止卫星红外辐射资料直接同化在台风预报中的应用研究

Polar orbital satellite data assimilation has drawn comprehensive attention of our meteorologists, but for hurricane system, which have rapid variation over time, only assimilating polar orbital satellite data is not enough because of the coarse time resolution of the polar orbital satellite data. Geostationary satellites can provide continuous observations of hurricanes and their environments, but data assimilation technique of geostationary satellites does not get enough value in our country. Besides, our newest geostationary satellite FY-2F is just launched on January 2012, and the next generation satellite, FY-4 will be launched on 2015, so the development of geostationary satellite data assimilation is imperative for our numerical prediction of hurricanes and the application of new satellite data. This project will focus on this aspect. Based on American operational hurricane prediction system- HWRF(Hurricane Weather Research and Forecasting system), we will conduct the imager data assimilation research of geostationary satellite data of FY-2F and GOES-R. According to the rapid variation characteristic of hurricanes, we will develop a new cloud detection algorithm with dynamic thresholds, modify existing quality control and bias correction methods, establish reasonable assimilation scheme for high time/spatial resolution satellite data, then we can improve the assimilation effect of geostationary satellite data in HWRF system. On this basis, we will transplant this modified assimilation scheme to GRAPES 3D-Var data assimilation system, to contribute to improving the hurricane forecast skill, and provide references for the 4D-Var data assimilation of geostationary satellite in GRAPES eventually.

极轨卫星资料同化对台风数值预报的影响得到了广泛的重视，但是极轨卫星对于台风等强天气系统观测的时间分辨率还不够，在一些同化窗区有严重的资料空缺现象。静止卫星能够提供连续观测，然而静止卫星资料同化技术还没有得到足够的重视。我国最新静止卫星FY-2F已经业务运行，下一代静止气象卫星也计划于2015年发射，因此发展静止卫星资料同化技术是当务之急。本项目将利用美国台风预报系统HWRF进行我国FY-2F和美国GOES-13/15静止卫星成像仪资料的同化研究，通过发展动态云检测算法、改进质量控制和偏差订正方案、建立合理的高分辨率资料同化方案，来改进静止卫星资料同化效果，提高台风预报水平，并将新同化方案移植到GRAPES三维变分资料同化系统中，实现GRAPES对静止卫星资料的同化能力，同时也为在将来的GRAPES-4DVAR系统中更显著发挥静止卫星资料作用提供借鉴。

卫星资料同化技术的发展是提高数值预报水平的重要方法，根据卫星轨道的不同，卫星资料可以分为极轨卫星和静止卫星这两类。极轨卫星资料同化技术得到了广泛的研究，但是由于极轨卫星观测轨道的限制，极轨卫星在很多区域容易出现资料空白区，这种局限性对于台风等快速变化天气系统尤其严重。静止卫星则是可以作为很好的补充，只有静止卫星才能够实现不间断的对台风及其环境场进行观测，所以发展静止卫星资料同化技术对提高快速变化的高影响天气的数值预报技巧尤其重要。只是静止卫星资料同化技术还没有得到足够的重视。所以项目重点进行了静止卫星资料同化技术改进研究。通过4年的研究，项目组成员对静止卫星红外成像仪资料，尤其是最新发射的新一代静止卫星红外成像仪资料AHI和ABI资料的偏差特征进行了系统的评估，建立了仅依赖可同化红外通道的云检测方法，并在GSI资料同化系统中建立了新一代静止卫星成像仪资料相应的同化模块，对AHI和ABI资料进行了实际资料同化试验，分析了静止卫星红外成像仪资料同化对我国和美国地区强降水预报水平的提高效果，并比较了新一代红外成像仪资料与旧的红外成像仪资料的影响差异。最后利用美国台风业务预报系统HWRF分析了静止卫星红外成像仪资料同化对飓风路径预报的改进效果，明确了台风初始化对于静止卫星资料同化效果的影响。同时，为了满足业务应用的需要，我们还对风云3C极轨卫星资料同化技术进行了改进研究，评估了FY-3C卫星微波湿度计118 GHz附近频率通道观测精度，建立了FY-3C微波温度计和湿度计资料的条纹噪音滤除方法，分析了极轨卫星的晨昏轨道资料对极轨卫星资料覆盖率的影响，并分析了极轨卫星与静止卫星协同同化效果。所有研究结果可以为我国风云4号静止卫星资料同化技术的发展提供借鉴，也为我国静止卫星红外成像仪资料的业务同化应用建立基础。