在NCEP GDAS中同化MSG和GOES資料

朱彤，翁富忠

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

0 引言

由于缺乏先進的資料同化能力，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。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)的同化效果還不太令人滿意。目前歐洲中期預(yù)報中心(ECMWF)和英國國家氣象局(Metoffice)已經(jīng)直接對成像儀輻射率資料進行同化試驗(Szyndel et al.，2005)。通過使用一個區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報模式分析和預(yù)報系統(tǒng)，Stengel et al.(2009)證實，在晴空和低云條件下，3個SEVIRI紅外通道資料對對流層中層濕度和位勢高度的預(yù)報具有正影響。利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的GSI(Gridpoint Statistical Interpolation;Derber et al.，1991)系統(tǒng)，美國衛(wèi)星資料同化研究中心(Joint Center for Satellite Data Assimilation)也對GOES成像儀和MSG SEVIRI的輻射率資料同化進行了初步試驗(Zhu et al.，2010a，2010b)。研究結(jié)果表明，它們對GFS預(yù)報具有正影響。本文繼續(xù)優(yōu)化了NCEP全球預(yù)報系統(tǒng)中GOES-11/12成像儀和MSG SEVIRI輻射率資料的同化過程，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)獲取兩個月的MSG SEVIRI(Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager，旋轉(zhuǎn)增強可見光及紅外成像儀)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)品包含來自無云或僅有低云地區(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自低層云覆蓋地區(qū)的輻射率資料，當總云量小于30%時，在GSI系統(tǒng)中輻射率資料被同化。

1.2 GSI分析

本文通過加入一系列處理，包括BUFR譯碼(decoding)、總體檢測(gross checking)、質(zhì)量控制(quality control)以及偏差校正(bias correction)過程，改進了用于同化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(觀測結(jié)果減去具有GFS預(yù)報背景場的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，先考慮通過同化兩個水汽波段和二氧化碳波段資料以得到有價值的信息。

1.3 對GFS影響

為了研究CSR對GFS預(yù)報的影響，進行了2個月的敏感性試驗，分別為2008年5月22日—6月21日和11月1—31日兩個時段。在控制試驗中(圖2中CONTROL)，當前業(yè)務(wù)GSI中使用的所有常規(guī)觀測資料和衛(wèi)星資料(例如:AMSU-A/B、HIRS、AIRS、SSMI、MHS和GOES探測器的探測資料)均被FY09 GSI模式同化，并用GFS T382進行預(yù)報。在第一個敏感性試驗中(圖2中EXPZBCSR)，三個CSR紅外波段(通道5，6和11)資料和控制試驗中所有其他觀測資料均被同化，結(jié)果表明，SEVIRI CSR的兩個水汽波段和二氧化碳波段對GFS預(yù)報有正影響，特別是在南半球地區(qū)(圖2)。圖2b表明，在南半球，與控制試驗相比，GFS的6 d預(yù)報技巧能夠延伸6 h以上。在第二個敏感性試驗中，加入了SEVIRI的其他5個紅外波段，結(jié)果表明，加入5個紅外窗口通道的同化并沒有增加對GFS預(yù)報的影響(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個紅外波段的O-B偏差(觀測結(jié)果減去具有GFS預(yù)報背景場的CRTM模擬結(jié)果;每個通道的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GOES探測儀的觀測資料進行了多年的同化，GSI分析和颶風預(yù)報表明，其具有正影響(Zou et al.，2001;Zhu and Gelaro，2008)。另一方面，GOES成像儀觀測資料也被加入到GSI系統(tǒng)中，但處于測試階段。在GSI中沒有使用GOES成像儀資料，主要是因為GOES成像儀觀測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，通過采用GSICS算法，用AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)和IASI(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)觀測資料標定了GOES成像儀資料，發(fā)現(xiàn)觀測誤差產(chǎn)生于兩類誤差源，即傳感器污染問題和光譜響應(yīng)函數(shù)(Spectral Response Function，SRF)的偏移誤差(Wang and Wu，2008;Yu et al.，2009)。在用GSI進行資料同化之前，有必要對這兩個誤差進行訂正。

采用GSICS標定算法對輻射率進行訂正。新輻射率為

式中:Rnew為訂正的GOES輻射率;Rold為原來的輻射率;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Tb和輻射率進行轉(zhuǎn)換:

圖2 SEVIRI兩個水汽波段和二氧化碳波段對一個月的GFS預(yù)報的影響(黑線和紅線分別為控制試驗和敏感性試驗結(jié)果)a.北半球500 hPa位勢高度的異常相關(guān)系數(shù);b.南半球500 hPa位勢高度的異常相關(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個紅外波段的O-B偏差(觀測結(jié)果減去具有GFS預(yù)報背景場的CRTM模擬結(jié)果;每個通道的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)的一個個例結(jié)果?？梢?，在進行偏差訂正后，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)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)量控制過程，該質(zhì)量控制過程類似于處理GOES-8/10傳感器資料的老方案。用2008年5月22日—6月21日時段GOES-11/12成像儀資料對GFS預(yù)報的影響進行了1個月的敏感性試驗。在控制試驗中(圖5中CONTROL)，同化了所有的常規(guī)觀測資料和當前業(yè)務(wù)GSI中使用的衛(wèi)星觀測資料(例如:AMSU-A/B、HIRS、AIRS、SSMI、MHS和GOES探測器的探測資料)。在第一個(第二個)敏感性試驗中，控制試驗的觀測資料和4個GOES-12成像儀通道資料均被同化，且有(無)GSICS標定訂正。當應(yīng)用GSICS標定訂正時，盡管沒有達到顯著性檢驗標準，但GOES-12成像儀資料對GFS預(yù)報的影響是增加的，尤其是在熱帶地區(qū)(圖略)。

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

3 結(jié)論

圖5 GSICS訂正后GOES-11和12成像儀資料對全球500 hPa位勢高度的異常相關(guān)的影響(黑線和紅線分別為控制試驗和敏感性試驗結(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的紅外成像儀觀測資料的同化問題。采用兩個月的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個地表和云敏感紅外通道則表現(xiàn)為非高斯(non-Gaussian)分布型。對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標定訂正來減小偏差。

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

此外，應(yīng)在以下方面作進一步研究: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;為全觀測模擬系統(tǒng)試驗(Observing System Simulation Experiments，OSSE)的影響研究準備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行的SEVIRI輻射計，GOES-R ABI具有更多的通道，時空分辨率更高。SEVIRI資料的成功論證并在業(yè)務(wù)中使用，為實現(xiàn)GOES-R計劃鋪平了道路。為了全面評估紅外成像儀傳感器的高時空分辨率觀測資料的優(yōu)劣，有必要進行4-DVAR的中尺度試驗。

致謝:第一作者謹以此文獻給父親朱乾根教授，父親在科學(xué)道路上孜孜不倦的探索精神，嚴謹?shù)闹螌W(xué)風范，謙遜寬厚的品格將永遠銘記在我們心中。Greg Krasowski先生對轉(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項目的資助。

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