台风云雨区域卫星微波辐射率资料变分同化技术研究

In recent years, more and more radiance observation compensate for ocean observation shortage，and has enormous potential to improve typhoon numerical forecasting accuracy. Although many numerical prediction center have been successfully assimilated satellite observations into the operational numerical weather prediction system, and achieved positive results，but in the cloud and rain affected region, the application assimilation of satellite microwave radiation still remain scientific challenges. This study will focus on Variational Assimilation of Cloud and Rain affected Microwave Radiance Observation in Typhoon Prediction, including the research of new observation error model, the fine quality of the information control and adaptive bias correction technology, the improved Bogus assimilation algorithm based on the wind field decomposition of typhoon,which will improve the utilization of cloud and rain affected microwave radiance observations and improve typhoon track and intensity forecasts. Despite assimilation of rain and cloud affected radiation observation is hot and difficult in the assimilational field, but very few related work involve in the assimilation of geostationary satellite microwave imager and typhoon Bogus assimilation based on wind field decomposition. Therefore, this study has some theoretical and practical significance.

近年来，国内外越来越多的卫星载荷在轨运行，有效地弥补了洋面上观测"信息盲区"，对改善台风数值预报准确度有巨大潜力。虽然大量的卫星观测资料已成功同化到业务化数值预报系统中，并取得了正效果；但是在台风云雨区域卫星微波辐射率的实际同化应用过程中仍然存在着一些科学难题。本项目将开展台风云雨区域卫星微波辐射率的变分资料同化关键技术研究，主要包括新观测误差模型、精细的资料质量控制和自适应的偏差订正技术、基于台风风场分解的改进Bogus同化方案，提高受云雨影响的微波成像观测的利用率，改进台风强度和路径的数值预报效果。尽管受云雨影响的辐射率同化是目前同化领域研究的热点和难点，但是相关工作很少涉及静止卫星微波成像仪的变分同化方法、基于台风风场分解方法改进Bogus同化方案等方面。因此本项目的研究是对气象卫星观测资料同化技术发展的进一步探索，特别是对资料同化理论的完善具有重要的理论意义和实用价值。

近年来，随着国内外在轨运行的气象卫星越来越多，可以获取的卫星资料数量大幅增加，这有效的弥补了海洋上观测信息的不足，这些观测信息对改善数值预报的准确性有着巨大的潜力。大量的卫星观测资料已成功同化到业务化数值预报系统中，有效的提高了预报的精确性，特别是对于台风等发生地缺乏观测资料的天气系统。卫星观测资料中，微波资料由于具有穿透云和降水的特点，在数值预报系统中发挥了更为重要的作用，然而微波资料在实际台风天气同化应用中仍然存在质量控制、偏差订正、难以引入实际台风非对称涡旋风场、台风中心强度预报改进不大等科学难题。基于上述问题，项目针对台风天气微波遥感资料同化，研发了物理过程的切线性和伴随模式，构建了卫星微波遥感资料直接同化的四维变分同化系统，同化系统中的质量控制模块能能够在剔除异常值的基础上，保留一些天气现象引起的“合理”值，微波资料偏差概率密度分布更为趋于高斯分布，同时减小了同化过程中的冗余信息，减少了计算量；偏差订正模块在分析过程中不断加入新的观测资料时，能够在极小化过程中自动感应到给定传感器特定通道的偏差的变化，给出相应的订正；新的强台风Bogus方案和风场分解方法利用红外卫星云图资料构造不对称的强台风，可以提取台风中的不对称的 涡旋对。经过质量控制和偏差订正，Bogus方案和风场分解处理，四维变分同化系统能够更有效的同化微波资料信息，提高台风路径和强度的预报，在实际台风预报应用中发挥了重要作用。因此本项目的研究是对气象卫星观测资料同化技术发展的进一步探索，特别是对资料同化理论的完善具有重要的理论意义和实用价值。