利用微波探測儀(ATMS)對在軌微波輻射計(jì)觀測精度的模擬分析

杜明斌，王 超，安大偉，李 泓，李 雪,楊何群

(1. 上海市氣象科學(xué)研究所,上海 200030； 2. 國家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081;3. 中國氣象局上海臺風(fēng)研究所,上海 200030; 4. 上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201100)

0 引言

衛(wèi)星資料不僅覆蓋范圍廣、空間分辨率高，而且具有定標(biāo)系統(tǒng)穩(wěn)定的特點(diǎn)，極大地改善了常規(guī)觀測站稀少地區(qū)的資料狀況，在很大程度上彌補(bǔ)了海洋和高原區(qū)域常規(guī)觀測資料的不足。星載微波輻射計(jì)相比于紅外、可見光等衛(wèi)星探測載荷,具有能夠穿透薄云的優(yōu)點(diǎn)，在全球各大天氣數(shù)值預(yù)報(bào)中心的觀測資料應(yīng)用改善貢獻(xiàn)評估中均位居前列。星載微波大氣探測載荷為美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)成熟的業(yè)務(wù)衛(wèi)星系列上攜帶2通道先進(jìn)微波探測器(AMSU)的大氣探測系統(tǒng)(ATOVS)。其中，AMSU-A利用50～60 GHz的氧氣吸收帶探測大氣溫度廓線，AMSU-B/MHS利用183 GHz的水汽吸收線探測大氣濕度廓線。美國新一代國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)(S-NPP)上的星載大氣微波探測系統(tǒng)(ATMS)利用2副天線完成AMSU系統(tǒng)中3副天線的探測任務(wù)，ATMS將大氣溫度/濕度探測合為一體，在沿用50～60 GHz氧氣吸收帶探測大氣溫度廓線的同時(shí)，在183 GHz水汽吸收線附近增加探測通道數(shù)，提升了大氣濕度場的探測能力[1-3]。

中國星載微波遙感技術(shù)起步較晚，但發(fā)展較快。2008年5月27日FY-3A衛(wèi)星搭載微波溫度計(jì)和微波濕度計(jì)的成功發(fā)射對我國氣象衛(wèi)星微波資料定量應(yīng)用具有里程碑意義。先后發(fā)射的FY-3A和 FY-3B兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星所搭載的微波溫度計(jì)(MWTS)，在50～60 GHz強(qiáng)氧氣吸收帶設(shè)計(jì)了4個(gè)探測通道，用于獲取從地面到平流層下部的大氣溫度垂直結(jié)構(gòu)分布信息；所搭載的微波濕度計(jì)(MWHS)在150～191 GHz頻段內(nèi)設(shè)計(jì)了5個(gè)通道，用于獲取大氣濕度的垂直結(jié)構(gòu)分布信息。后續(xù)改進(jìn)型FY-3C和FY-3D星搭載的Ⅱ型微波溫度計(jì)(MWTS-Ⅱ)和微波濕溫探測儀(MWHS-Ⅱ)，分別包含13個(gè)和15個(gè)通道，在原探測頻點(diǎn)附近細(xì)化增加了通道數(shù)量，同時(shí)增加了118 GHz新的探測頻點(diǎn)，提升了對對流層上部大氣溫度廓線的探測精度[4-6]。這些成果為發(fā)展靜止軌道微波大氣探測技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。發(fā)展靜止軌道微波大氣探測技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)，一是高精度探測難度大，二是高空間分辨率探測難度大。由于載荷發(fā)展的科學(xué)難題突破周期、制造工藝成本和在軌運(yùn)行環(huán)境等因素的影響，利用微波測量大氣遙感時(shí)，觀測精度的影響評估是儀器設(shè)計(jì)、遙感數(shù)據(jù)定標(biāo)和觀測資料應(yīng)用所要考慮的重要問題，尤其是在微波輻射計(jì)觀測精度設(shè)計(jì)需求方面[7-9]。文獻(xiàn)[10]中在機(jī)載微波輻射及大氣溫濕廓線反演性能分析中，通過加入通道亮溫觀測噪聲的方法對比分析反演樣本，得出通道亮溫偏差對反演性能的影響。

本文基于美國新一代衛(wèi)星系統(tǒng)S-NPP所搭載的ATMS資料，通過增加正態(tài)隨機(jī)擾動進(jìn)而獲得不同精度的觀測模擬值序列，利用三維變分同化系統(tǒng)模擬分析在軌微波輻射計(jì)的觀測精度指標(biāo)；通過區(qū)域數(shù)值氣象預(yù)報(bào)同化試驗(yàn)，從微波大氣探測精度方面為微波輻射計(jì)觀測指標(biāo)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)[8-13]。

1 資料介紹、同化系統(tǒng)及技術(shù)方案

1.1 微波資料、背景場數(shù)據(jù)及實(shí)況參考

ATMS作為AMSU-A和AMSU-B/MHS輻射計(jì)的繼承版本，成為后續(xù)聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)JPSS(Joint Polar Satellite System)的核心探測儀器，主要用于探測大氣溫度和濕度廓線。ATMS共有22個(gè)探測通道，前15個(gè)通道為溫度探測通道，后7個(gè)為濕度探測通道，其軌道寬度為2 300 km，每條掃描線上有96個(gè)掃描點(diǎn)，掃描步長為1.11°，掃描周期為8/3 s，具體參數(shù)見表1[1-2]。

ATMS資料來自于美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)，模式背景場來自美國氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GFS)，水平分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間分辨率為6 h。使用NCEP發(fā)布的再分析場全球分析資料(FNL)數(shù)據(jù)作為實(shí)況參考，因FNL作為NCEP的再分析資料是最終分析場，補(bǔ)齊了GFS在實(shí)時(shí)狀態(tài)下沒有收集齊全的某些觀測資料再次同化分析后的結(jié)果，相對于GFS資料更加接近于真實(shí)大氣狀況，其水平分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為6 h。模擬試驗(yàn)所用的資料包括2016年6月共30 d的GFS預(yù)報(bào)場資料、FNL再分析場資料和S-NPP ATMS衛(wèi)星輻射資料。

1.2 同化系統(tǒng)與模式介紹

三維變分同化的基本思想就是將目標(biāo)函數(shù)極小化來獲得最優(yōu)的模式初值。定義目標(biāo)函數(shù)

(1)

式中：x為分析變量；xb為背景場；yo為觀測值；y

表1 ATMS光譜通道特征

為由分析變量推導(dǎo)出的觀測值；y=H(x)，H稱為觀測算子，表示模式空間向觀測空間轉(zhuǎn)換的映射關(guān)系；B為背景場誤差協(xié)方差；O為觀測誤差協(xié)方差；F為代表性誤差協(xié)方差。

觀測算子H代表模式空間向觀測空間的一種映射，對于衛(wèi)星輻射率資料的直接同化來說，即為輻射傳輸模式。衛(wèi)星資料變分直接同化可通過應(yīng)用復(fù)雜的觀測算子，簡化與模式變量非線性相關(guān)的觀測量的同化，通過正演方法求解反演問題，避免衛(wèi)星反演計(jì)算中復(fù)雜的不適定問題所帶來的誤差，從方法論上避開反演問題的復(fù)雜性，適用于衛(wèi)星資料的數(shù)據(jù)同化。

本文采用的同化系統(tǒng)和預(yù)報(bào)模式分別為美國國家大氣研究中心(NCAR)開發(fā)的WRFDA V3.8和WRF V3.8，輻射傳輸模式為衛(wèi)星資料同化聯(lián)合中心(JCSDA)的CRTM-2.1.3。

1.3 技術(shù)方案

根據(jù)對S-NPP的軌道分析，每天05：30(協(xié)調(diào)世界時(shí)，UTC，以下同)前后，軌道經(jīng)過中國東部一次，因此將數(shù)值同化試驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)如下。

1)使用2016年6月每日00：00時(shí)全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)資料作為背景場，通過WRF直接啟動預(yù)報(bào)6 h作為同化系統(tǒng)的初始場。GFS 00：00時(shí)的初始場已經(jīng)同化了多種大氣觀測資料，也包括ATMS資料，故使用00：00時(shí)啟動的6 h預(yù)報(bào)場作為數(shù)值模式同化的初始場可有效避免ATMS資料重復(fù)同化的問題。模式設(shè)置區(qū)域如圖1所示。

2)衛(wèi)星資料同化時(shí)間設(shè)為06：00時(shí)，這個(gè)時(shí)間段正好有2條軌道經(jīng)過中國東部附近區(qū)域，如圖2所示。同化時(shí)間窗設(shè)定為3 h，一般可使用到前后3條軌道的觀測數(shù)據(jù),如圖1所示。由于觀測算子模擬精度和觀測誤差等原因，微波輻射資料應(yīng)用須剔除對同化誤差影響較大的觀測數(shù)據(jù)，采用的方法為質(zhì)量控制。質(zhì)量控制主要有6方面內(nèi)容：(a)極值檢查主要剔除觀測與模擬差異較大的值，判定方法為去除OMB(observed-minus-background)超過15 K和OMB絕對值大于3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差(S)的像元；(b)剔除混合下墊面上的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)；(c)在剔除混合下墊面上的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的同時(shí)，剔除在一定程度上受冰、雪影響的下墊面通道1～5和16～17；(d)再對水汽含量較高的像元采用綜合通道判識法，統(tǒng)計(jì)水汽含量敏感的通道1，3，16，17的OMB并設(shè)置剔除閾值，剔除超過閾值的1～8通道和16～22通道；(e)云水檢測剔除云水路徑(CLWP，lCLWP)超過0.2 mm的像元；(f)路面氣壓檢測分別剔除陸面氣壓大于850 hPa時(shí)的通道6像元(Ps_ch6)和陸面氣壓大于800 hPa時(shí)的通道18像元(Ps_ch18)。具體質(zhì)量控制的檢驗(yàn)項(xiàng)目見表2[14-17]。根據(jù)WRF預(yù)報(bào)的06：00時(shí)初始場，控制微波數(shù)據(jù)質(zhì)量,訂正數(shù)據(jù)偏差，分析ATMS資料偏差訂正的結(jié)果。

表2 ATMS質(zhì)量控制項(xiàng)目

3)利用WRFDA對ATMS資料進(jìn)行同化，并將同化的結(jié)果和GFS 6 h預(yù)報(bào)場分別與FNL比較，分析ATMS資料對GFS 6 h預(yù)報(bào)場的改進(jìn)效果。

4)根據(jù)正態(tài)分布數(shù)組特點(diǎn)，相互獨(dú)立的數(shù)組A和B分別呈正態(tài)分布，A～N[μa，(σa)2]，B～N[μb，(σb)2]，那么U=(A+B)～N[μa+μb，(σa)2+(σb)2]。理論上ATMS觀測誤差呈正態(tài)分布，方案通過在ATMS觀測的基礎(chǔ)上增加均值為零，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.5，1.0，1.5，2.0 K的正態(tài)隨機(jī)擾動，進(jìn)而獲得不同精度的ATMS模擬值。

5)把步驟4)獲得的4組新的ATMS模擬值作為需要同化應(yīng)用的觀測資料，并重復(fù)執(zhí)行步驟2)和3)。

2 偏差訂正結(jié)果分析

進(jìn)行資料同化前需要對微波資料進(jìn)行偏差訂正和質(zhì)量控制。觀測資料的系統(tǒng)偏差通常與數(shù)值模式大氣溫度場典型誤差相應(yīng)的輻射變化相當(dāng)，故減小輻射傳輸模式和探測儀器等產(chǎn)生的系統(tǒng)偏差是同化模式產(chǎn)生正效應(yīng)的基礎(chǔ)[17-19]。同時(shí)，觀測資料的誤差分布是正態(tài)的，故無偏特征也是三維同化的必要條件。偏差訂正方案使用Harris和Kelley的輻射資料偏差訂正經(jīng)驗(yàn)方法，計(jì)算每個(gè)掃描位置平均值,然后利用該平均值計(jì)算掃描訂正系數(shù)。

(2)

圖3為2016年6月ATMS掃描偏差，通過對各個(gè)通道的掃描偏差分析發(fā)現(xiàn)，ATMS的22個(gè)通道偏差大部分較小，絕對值大部分在0.5 K以內(nèi)，甚至在掃描線邊緣遠(yuǎn)離星下點(diǎn)的區(qū)域，偏差仍然較小。有個(gè)別通道在原理星下點(diǎn)區(qū)域偏差較大，如通道1～5和16～17，都是峰值能量貢獻(xiàn)高度層在地面的通道。從圖3可見，1～3通道和16通道的偏差較大，且隨著掃描角的增大，變化趨勢并不一致，說明受下墊面影響，觀測算子模擬和觀測值之間的偏差難以控制。另外，由于通道13，14，15為高空吸收帶通道，峰值能量貢獻(xiàn)高度分別是10，6，3 hPa，高于模擬模式層頂氣壓(20 hPa)，故這3個(gè)通道不在分析之列。

離線統(tǒng)計(jì)2016年6月1日—15日的觀測數(shù)據(jù)偏差，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果用于2016年6月16日—30日ATMS微波資料的偏差訂正。從圖4所示的偏差訂正前后OMB均方根可見，質(zhì)量控制前，偏差訂正對觀測資料與背景場之間均方根的影響不大。從圖4(a)可見，通道1～3和通道16～20的均方根明顯偏大，超過5 K。采用表2的質(zhì)量控制后，剔除大量對同化應(yīng)用影響較大的觀測像元。同時(shí)，由于通道13～15峰值能量貢獻(xiàn)高度超過模式層頂，同化應(yīng)用中直接剔除。從圖4(b)可見，通過質(zhì)量控制和偏差訂正，均方根明顯減小，像元數(shù)目在質(zhì)量控制后也減小到原來的25%左右?？梢?，質(zhì)量控制和偏差訂正可使除下層通道1～3的大部分ATMS溫度通道OMB均方根小于1 K，5～10中層溫度通道均方根小于0.5 K；濕度通道均方根相對較大，地面濕度通道16～17均方根在1.5～2.0 K之間，中層濕度通道均方根約為1 K。

3 不同精度觀測資料同化效果分析

根據(jù)前述同化試驗(yàn)步驟4)獲得的4組新的ATMS模擬值做質(zhì)量控制和偏差訂正，通過分析每次模擬的OMB統(tǒng)計(jì)結(jié)果得知,各通道在質(zhì)量控制和偏差訂正后的變化趨勢和原始觀測資料類似。如圖5所示，標(biāo)簽0.0為原始觀測資料，在ATMS觀測的基礎(chǔ)上增加均值為零、標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.5,1.0,1.5,2.0 K的正態(tài)隨機(jī)擾動,進(jìn)而獲得不同精度的ATMS模擬值。可見，通過質(zhì)量控制和偏差訂正，隨著擾動的增加，標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯增大。增加0.5 K的正態(tài)隨機(jī)擾動后，ATMS大部分通道的標(biāo)準(zhǔn)偏差稍有增大，主要為中層溫度通道和中層濕度通道的標(biāo)準(zhǔn)偏差，但個(gè)別地面通道標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化趨勢不一致。當(dāng)增加隨機(jī)擾動的標(biāo)準(zhǔn)偏差超過1.0 K時(shí)，GFS背景場的溫度通道標(biāo)準(zhǔn)偏差超過1.0 K，濕度通道標(biāo)準(zhǔn)偏差超過1.5 K。同時(shí)從圖5中可見，在增加0.5 K的擾動后，通道1和通道16～22的標(biāo)準(zhǔn)偏差并沒有增大，個(gè)別通道反而變小，其原因是對于地面通道和濕度通道，快速輻射傳輸模式的正演精度和衛(wèi)星觀測誤差疊加起來遠(yuǎn)大于0.5 K，故無法對0.5 K的擾動產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)。

偏差訂正后，利用WRFDA把不同精度的模擬資料直接同化到GFS 6 h預(yù)報(bào)場中，比較獲得的初始場與FNL再分析場，把同化后與同化前的初始場與FNL之差的區(qū)域平均均方根作差，如果差值為負(fù)值,說明同化后的初始場與FNL再分析場比同化前更加接近。由于ATMS主要探測大氣的溫濕度廓線，在此統(tǒng)計(jì)了同模式的850 hPa溫度場T和700 hPa濕度場HRH同化效果，如表3所示，可見，隨著擾動的增加，對初始場改善的效果減小，同時(shí)通過分析發(fā)現(xiàn)僅僅同化ATMS資料對模式初始場的改變不大。

表3 不同精度模擬資料直接同化效果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語

在ATMS觀測的基礎(chǔ)上，通過增加均值為零、標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.5，1.0，1.5，2.0 K的正態(tài)隨機(jī)擾動進(jìn)而獲得不同精度的ATMS模擬值。利用三維變分同化模式WRFDA和快速輻射傳輸模式CRTM對包括原始觀測資料的5組不同精度的ATMS模擬值做質(zhì)量控制和偏差訂正。研究發(fā)現(xiàn)：觀測資料模擬值隨著擾動的增加，標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯增大；增加0.5 K的正態(tài)隨機(jī)擾動后，ATMS大部分通道的標(biāo)準(zhǔn)偏差稍有增大，主要為中層溫度通道和中層濕度通道的標(biāo)準(zhǔn)偏差增大，但個(gè)別地面通道的標(biāo)準(zhǔn)偏差變化趨勢表現(xiàn)不一致；當(dāng)增加隨機(jī)擾動的標(biāo)準(zhǔn)偏差超過1.0 K時(shí)，與GFS背景場的溫度通道標(biāo)準(zhǔn)偏差超過1.0 K。質(zhì)量控制和偏差訂正后，利用WRFDA同化不同精度的ATMS模擬資料并統(tǒng)計(jì)同化效果可得：隨著擾動的增加，對初始場改善的效果減小，且僅僅同化ATMS資料對模式初始場的改變不大。其原因有二：一是由于GFS模式背景場已經(jīng)同化了多種觀測資料，精度相對較高，一是因?yàn)镕NL再分析場與GFS來源于同一套WRF業(yè)務(wù)系統(tǒng)，模式場比較接近。

臺風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對流等災(zāi)害性天氣過程需要高時(shí)效、高精度的監(jiān)測，靜止軌道氣象衛(wèi)星對于監(jiān)測上述快速發(fā)展的強(qiáng)災(zāi)害性天氣系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。我國下一代風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星將搭載微波遙感儀器，通過利用靜止平臺的高時(shí)間分辨率特性和微波對云雨大氣的穿透特性，來提高對災(zāi)害性天氣發(fā)生、發(fā)展、消亡的監(jiān)測能力。迄今為止，國際上靜止軌道微波大氣探測仍是一項(xiàng)技術(shù)空白，然而，在軌極地軌道衛(wèi)星上的微波氣象探測儀器眾多且應(yīng)用廣泛，其中ATMS是目前業(yè)務(wù)極軌衛(wèi)星星載微波垂直探測儀器的代表。因此通過在軌微波輻射計(jì)觀測精度模擬分析可為靜止微波儀器的論證研制提供參考。

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