朱彤，翁富忠

(1.科羅拉多州州立大學(xué)，美國(guó)科羅拉多州80523-1375;2.NOAA/NESDIS/STAR，美國(guó)馬里蘭州20746)

0 引言

由于缺乏先進(jìn)的資料同化能力，所以業(yè)務(wù)資料同化系統(tǒng)還不能充分利用GOES的高時(shí)空分辨率資料。地球靜止衛(wèi)星成像儀輻射率資料具有高質(zhì)量、低噪音的特點(diǎn)。然而，由于反演高度的不確定性，成像儀產(chǎn)品(例如:水汽和云跡風(fēng))的同化效果還不太令人滿意。目前歐洲中期預(yù)報(bào)中心(ECMWF)和英國(guó)國(guó)家氣象局(Metoffice)已經(jīng)直接對(duì)成像儀輻射率資料進(jìn)行同化試驗(yàn)(Szyndel et al.，2005)。通過(guò)使用一個(gè)區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式分析和預(yù)報(bào)系統(tǒng)，Stengel et al.(2009)證實(shí)，在晴空和低云條件下，3個(gè)SEVIRI紅外通道資料對(duì)對(duì)流層中層濕度和位勢(shì)高度的預(yù)報(bào)具有正影響。利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的GSI(Gridpoint Statistical Interpolation;Derber et al.，1991)系統(tǒng)，美國(guó)衛(wèi)星資料同化研究中心(Joint Center for Satellite Data Assimilation)也對(duì)GOES成像儀和MSG SEVIRI的輻射率資料同化進(jìn)行了初步試驗(yàn)(Zhu et al.，2010a，2010b)。研究結(jié)果表明，它們對(duì)GFS預(yù)報(bào)具有正影響。本文繼續(xù)優(yōu)化了NCEP全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)中GOES-11/12成像儀和MSG SEVIRI輻射率資料的同化過(guò)程，并使得這些資料能夠應(yīng)用到NCEP業(yè)務(wù)中。

1 SEVIRI資料影響

1.1 SEVIRI資料處理

本文從EUMETSAT(the European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites)獲取兩個(gè)月的MSG SEVIRI(Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager，旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)可見(jiàn)光及紅外成像儀)全天輻射(all sky radiance，ASR)和晴空輻射(clear sky radiance，CSR)資料。晴空輻射資料產(chǎn)品包含來(lái)自無(wú)云或僅有低云地區(qū)的所有(紅外和水汽)通道的平均亮溫和輻射率的信息。晴空輻射使用16×16像素的平均值。通常晴空輻射產(chǎn)品被編碼為BUFR格式且逐時(shí)發(fā)布。

為了將CSR和ASR資料應(yīng)用到GSI系統(tǒng)中，生成了一種新的BUFR格式，將原始的MSG ASR和CSR SEVIRI資料由WMO BUFR格式轉(zhuǎn)換成為NCEP BUFR格式。CSR資料中也包含一些來(lái)自低層云覆蓋地區(qū)的輻射率資料，當(dāng)總云量小于30%時(shí)，在GSI系統(tǒng)中輻射率資料被同化。

1.2 GSI分析

本文通過(guò)加入一系列處理，包括BUFR譯碼(decoding)、總體檢測(cè)(gross checking)、質(zhì)量控制(quality control)以及偏差校正(bias correction)過(guò)程，改進(jìn)了用于同化SEVIRI晴空輻射和全天輻射資料的GSI系統(tǒng)。GSI分析表明，水汽通道(6.25和7.35 μm)和二氧化碳通道(13.40 μm)的O-B偏差(觀測(cè)結(jié)果減去具有GFS預(yù)報(bào)背景場(chǎng)的CRTM模擬結(jié)果)具有高斯(Gaussian)分布特征(圖1)。然而，圖1也表明，其他對(duì)地表和云敏感通道呈現(xiàn)非高斯(non-Gaussian)分布，特別是通道4、9和10表現(xiàn)出重尾(heavy-tailed)分布。在能夠改善地表和云敏感通道資料的模擬效果之前，先考慮通過(guò)同化兩個(gè)水汽波段和二氧化碳波段資料以得到有價(jià)值的信息。

1.3 對(duì)GFS影響

為了研究CSR對(duì)GFS預(yù)報(bào)的影響，進(jìn)行了2個(gè)月的敏感性試驗(yàn)，分別為2008年5月22日—6月21日和11月1—31日兩個(gè)時(shí)段。在控制試驗(yàn)中(圖2中CONTROL)，當(dāng)前業(yè)務(wù)GSI中使用的所有常規(guī)觀測(cè)資料和衛(wèi)星資料(例如:AMSU-A/B、HIRS、AIRS、SSMI、MHS和GOES探測(cè)器的探測(cè)資料)均被FY09 GSI模式同化，并用GFS T382進(jìn)行預(yù)報(bào)。在第一個(gè)敏感性試驗(yàn)中(圖2中EXPZBCSR)，三個(gè)CSR紅外波段(通道5，6和11)資料和控制試驗(yàn)中所有其他觀測(cè)資料均被同化，結(jié)果表明，SEVIRI CSR的兩個(gè)水汽波段和二氧化碳波段對(duì)GFS預(yù)報(bào)有正影響，特別是在南半球地區(qū)(圖2)。圖2b表明，在南半球，與控制試驗(yàn)相比，GFS的6 d預(yù)報(bào)技巧能夠延伸6 h以上。在第二個(gè)敏感性試驗(yàn)中，加入了SEVIRI的其他5個(gè)紅外波段，結(jié)果表明，加入5個(gè)紅外窗口通道的同化并沒(méi)有增加對(duì)GFS預(yù)報(bào)的影響(圖略)。

2 GOES成像儀資料的影響

2.1 GOES-11/12成像儀資料分析

圖1 2008年5月22日GSI分析的SEVIRI的8個(gè)紅外波段的O-B偏差(觀測(cè)結(jié)果減去具有GFS預(yù)報(bào)背景場(chǎng)的CRTM模擬結(jié)果;每個(gè)通道的O-B平均值分別在每幅圖中給出)a.通道4(3.90 μm);b.通道5(6.25 μm);c.通道6(7.35 μm);d.通道7(8.70 μm);e.通道8(9.66 μm);f.通道9(10.80 μm);g.通道10(12.00 μm);h.通道11(13.40 μm)Fig.1 O-B(Observation-CRTM simulation with background fields from GFS forecast)biases for SEVIRI 8 IR bands from GSI analysis on May 22，2008(The mean O-B bias for each channel is given in each panel)a.Ch-4(3.90 μm);b.Ch-5(6.25 μm);c.Ch-6(7.35 μm);d.Ch-7(8.70 μm);e.Ch-8(9.66 μm);f.Ch-9(10.80 μm);g.Ch-10(12.00 μm);h.Ch-11(13.40 μm)

在GDAS系統(tǒng)中已對(duì)GOES探測(cè)儀的觀測(cè)資料進(jìn)行了多年的同化，GSI分析和颶風(fēng)預(yù)報(bào)表明，其具有正影響(Zou et al.，2001;Zhu and Gelaro，2008)。另一方面，GOES成像儀觀測(cè)資料也被加入到GSI系統(tǒng)中，但處于測(cè)試階段。在GSI中沒(méi)有使用GOES成像儀資料，主要是因?yàn)镚OES成像儀觀測(cè)資料中的一些不確定性誤差和前向模式(例如CRTM)模擬中存在的誤差。GSI分析表明，GOES-12成像儀的通道3和6的O-B偏差具有很大誤差(圖3)。最近，通過(guò)采用GSICS算法，用AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)和IASI(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)觀測(cè)資料標(biāo)定了GOES成像儀資料，發(fā)現(xiàn)觀測(cè)誤差產(chǎn)生于兩類誤差源，即傳感器污染問(wèn)題和光譜響應(yīng)函數(shù)(Spectral Response Function，SRF)的偏移誤差(Wang and Wu，2008;Yu et al.，2009)。在用GSI進(jìn)行資料同化之前，有必要對(duì)這兩個(gè)誤差進(jìn)行訂正。

采用GSICS標(biāo)定算法對(duì)輻射率進(jìn)行訂正。新輻射率為

式中:Rnew為訂正的GOES輻射率;Rold為原來(lái)的輻射率;a和b分別為由NESIDS/STAR GSICS研究組所產(chǎn)生的截距系數(shù)和斜率。

在GSI系統(tǒng)中，處理的成像儀資料是亮溫(Tb)。為了應(yīng)用GSICS標(biāo)定算法，首先將Tb轉(zhuǎn)換為輻射率，訂正輻射率，再將輻射率轉(zhuǎn)換回Tb。采用普朗克函數(shù)(Planck Function)，對(duì)Tb和輻射率進(jìn)行轉(zhuǎn)換:

圖2 SEVIRI兩個(gè)水汽波段和二氧化碳波段對(duì)一個(gè)月的GFS預(yù)報(bào)的影響(黑線和紅線分別為控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)結(jié)果)a.北半球500 hPa位勢(shì)高度的異常相關(guān)系數(shù);b.南半球500 hPa位勢(shì)高度的異常相關(guān)系數(shù)Fig.2 Anomaly correlation(AC)of 500 hPa geopotential height for the impact of SEVIRI two water vapor bands and CO2band in(a)the Northern Hemisphere，and(b)the Southern Hemisphere for one-month GFS forecasts(Upper panel shows AC，and the lower panel gives the AC difference between control(black curve)and sensitivity(red curve)experiments)

圖3 2008年5月22日GSI分析的GOES-12成像儀的4個(gè)紅外波段的O-B偏差(觀測(cè)結(jié)果減去具有GFS預(yù)報(bào)背景場(chǎng)的CRTM模擬結(jié)果;每個(gè)通道的O-B平均值分別在每幅圖中給出)a.通道2(3.90 μm);b.通道3(6.95 μm);c.通道4(10.35 μm);d.通道5(13.30 μm)Fig.3 O-B(Observation-CRTM simulation with background fields from GFS forecast)biases for GOES-12 Imager four IR bands from GSI analysis on May 22，2008(The mean O-B bias for each channel is given in each panel)a.Ch-2(3.90 μm);b.Ch-3(6.95 μm);c.Ch-4(10.35 μm);d.Ch-5(13.30 μm)

式中:C1=1.191 04×10－5mW·m－2·sr－1(cm－1)－4;C2=1.438 77 K(cm－1)－1;νc為該通道的中心波數(shù)(表1);A、B為表1中的系數(shù)。

圖4給出了應(yīng)用GSICS標(biāo)定訂正前后的GOES-12成像儀通道6的O-B偏差分布在2007年6月15日12:00(世界時(shí))的一個(gè)個(gè)例結(jié)果?？梢?jiàn)，在進(jìn)行偏差訂正后，平均偏差從－2.55 K減小到－0.11 K。

表1 方程(2)中的系數(shù)Table 1 Coeffieients used in eq.(2)

圖4 2007年6月15日12:00(世界時(shí))GOES-12成像儀通道6亮溫的O-B偏差(單位:K)a.GSICS訂正前;b.GSICS訂正后Fig.4 O-B biases for GOES-12 Imager channel 6 at 1200 UTC 15 June 2007(units:K)a.before GSICS correction;b.after GSICS correction

2.2 對(duì)GFS影響

在GSI系統(tǒng)中，為了同化GOES-11/12成像儀資料，加入了新的質(zhì)量控制過(guò)程，該質(zhì)量控制過(guò)程類似于處理GOES-8/10傳感器資料的老方案。用2008年5月22日—6月21日時(shí)段GOES-11/12成像儀資料對(duì)GFS預(yù)報(bào)的影響進(jìn)行了1個(gè)月的敏感性試驗(yàn)。在控制試驗(yàn)中(圖5中CONTROL)，同化了所有的常規(guī)觀測(cè)資料和當(dāng)前業(yè)務(wù)GSI中使用的衛(wèi)星觀測(cè)資料(例如:AMSU-A/B、HIRS、AIRS、SSMI、MHS和GOES探測(cè)器的探測(cè)資料)。在第一個(gè)(第二個(gè))敏感性試驗(yàn)中，控制試驗(yàn)的觀測(cè)資料和4個(gè)GOES-12成像儀通道資料均被同化，且有(無(wú))GSICS標(biāo)定訂正。當(dāng)應(yīng)用GSICS標(biāo)定訂正時(shí)，盡管沒(méi)有達(dá)到顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但GOES-12成像儀資料對(duì)GFS預(yù)報(bào)的影響是增加的，尤其是在熱帶地區(qū)(圖略)。

在第三個(gè)敏感性試驗(yàn)中(圖5中IMGRCBIAS1B)，同化了GOES-11和12成像儀資料以及控制試驗(yàn)中所有觀測(cè)資料。此外，應(yīng)用了GSICS標(biāo)定訂正。500 hPa位勢(shì)高度的6 d異常相關(guān)表明，敏感性試驗(yàn)結(jié)果顯著好于控制試驗(yàn)結(jié)果(圖5)。這表明:GOES-11和12成像儀資料的同化對(duì)GFS預(yù)報(bào)有顯著的正影響;應(yīng)用GSICS標(biāo)定訂正，能夠提高GFS預(yù)報(bào)質(zhì)量。

3 結(jié)論

圖5 GSICS訂正后GOES-11和12成像儀資料對(duì)全球500 hPa位勢(shì)高度的異常相關(guān)的影響(黑線和紅線分別為控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)結(jié)果)Fig.5 Globe averaged anomaly correlation of 500 hPa geopotential height for the impact of GOES-11 and 12 imager data after GSICS correction during May 28—June 20，2008(Upper panel shows AC，and the lower panel gives the AC difference between control(black curve)and sensitivity(red curve)experiments)

利用NCEP GSI模式，研究了地球靜止衛(wèi)星MSG SEVIRI和GOES-11/12的紅外成像儀觀測(cè)資料的同化問(wèn)題。采用兩個(gè)月的SEVIRI ASR和CSR輻射率資料并將其轉(zhuǎn)換成NCEP BUFR格式。GSI分析表明，SEVIRI成像儀的兩個(gè)水汽通道和二氧化碳通道的O-B偏差表現(xiàn)為高斯(Gaussian)分布型，而其他5個(gè)地表和云敏感紅外通道則表現(xiàn)為非高斯(non-Gaussian)分布型。對(duì)GOES-12成像儀O-B偏差的分析表明，在所有的通道中均存在很大偏差，偏差源于傳感器污染和光譜響應(yīng)函數(shù)的偏移誤差。為此，采用GSICS標(biāo)定訂正來(lái)減小偏差。

為了研究SEVIRI和GOES成像儀觀測(cè)資料對(duì)數(shù)值模式預(yù)報(bào)的影響，進(jìn)行了一系列的GFS敏感性試驗(yàn)。結(jié)果表明:SEVIRI水汽和二氧化碳波段輻射率資料的同化對(duì)GFS預(yù)報(bào)具有正影響，特別是在南半球地區(qū);在GSICS偏差訂正的情況下，GOES-11和12成像儀觀測(cè)資料的同化對(duì)GFS預(yù)報(bào)具有顯著影響。

此外，應(yīng)在以下方面作進(jìn)一步研究:改善GSI系統(tǒng)中SEVIRI資料同化的質(zhì)量控制算法;提高SEVIRI輻射率資料的CRTM模擬效果;為全觀測(cè)模擬系統(tǒng)試驗(yàn)(Observing System Simulation Experiments，OSSE)的影響研究準(zhǔn)備GOES-R ABI(Advanced Baseline Imager)資料。為了提高紅外輻射的模擬效果，CRTM的有些方面需要更加精確，例如:精確的BRDF(雙向反射分布函數(shù))和紅外發(fā)射率模式、精確的氣溶膠和云光學(xué)厚度模式。類似于在地球靜止軌道上運(yùn)行的SEVIRI輻射計(jì)，GOES-R ABI具有更多的通道，時(shí)空分辨率更高。SEVIRI資料的成功論證并在業(yè)務(wù)中使用，為實(shí)現(xiàn)GOES-R計(jì)劃鋪平了道路。為了全面評(píng)估紅外成像儀傳感器的高時(shí)空分辨率觀測(cè)資料的優(yōu)劣，有必要進(jìn)行4-DVAR的中尺度試驗(yàn)。

致謝:第一作者謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給父親朱乾根教授，父親在科學(xué)道路上孜孜不倦的探索精神，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)范，謙遜寬厚的品格將永遠(yuǎn)銘記在我們心中。Greg Krasowski先生對(duì)轉(zhuǎn)換SEVIRI BUFR資料方面提供幫助，F(xiàn)angfang Yu和Likun Wang博士提供了GSICS標(biāo)定算法和系數(shù)資料集，John Derber、Haixia Liu、Banghua Yan和Fanglin Yang博士以及NESDIS/STAR和NCEP/EMC的其他同事在本文完成過(guò)程中給予大力幫助并提出寶貴建議，倪東鴻編審將此文翻譯成中文，在此一并表示感謝。本研究得到了GOES-R AWG和GOES-R3項(xiàng)目的資助。

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