FY-4A云导风正在GRAPES_RAFS中的异化使用评价
万晓敏
国家气象核心，北京 100081
2018年5月16日支稿；2018年9月3日支修定稿
资助名目：GRAPES专项(GRAPES-FZZX-2018-05)、公益性止业(气象)科研专项(GYHY201506002和GYHY201506022)及国家气象核心青年基金(Q201705)怪异资助
第一做者：万晓敏，次要处置惩罚不雅视察量料量质控制钻研.Email:wanVm@cma.goZZZss
戴要：云导风量料具有较高的时空甄别率特性，是数值天气预报中重要的很是规不雅视察量料之一。2016年12月我国第二代静行气象卫星风云四号首颗试验卫星(FY-4A)乐成发射。按照国家卫星气象核心供给的2017年8月FY-4A卫星红外和高空、低空水汽通道云导风测试数据，选用美国国家环境预报核心的FNL寰球阐明量料为参考场，对照阐明云导风量料不雅视察分布及偏向特征。评价结果讲明，FY-4A云导风测试数据分布不乱，水汽通道云导风量料不雅视察数鲜亮多于红外通道；红外通道云导风量料偏向和均方根误差最小，水汽通道云导风量料正在高层偏向较大。基于GRAPES_RAFS系统，选与2017年第13号台风天鸽作24 h预报试验。个例试验结果讲明，异化FY-4A云导风量料对形式高度场微风场阐明有一定调解做用，出格是异化FY-4A水汽通道云导风量料，对强降水落区和强度预报有所改进。
要害词：FY-4A云导风量料 GRAPES数值形式 量质评价 量料异化
The EZZZaluation of FY-4A AMxs in GRAPES_RAFS
WAN Xiaomin
National Meteorological Centre, Beijing 100081
Abstract: Atmospheric motion ZZZectors (AMxs) can supply plenty of useful information for numerical weather prediction. With the launch of the Chinese neVt generation geostationary meteorological satellite FY-4A in December 2016, it is necessary to eZZZaluate the quality of FY-4A AMxs for the analysis field and precipitation forecast by GRAPES of CMA. In this study, by comparing with the background field based on NCEP FNL data, the qualities of FY-4A AMxs were assessed, and the results suggested that the distribution of FY-4A is stable and the quality of FY-4A infrared AMxs is better than FY-4A water ZZZapor AMxs. Based on GRAPES_RAFS, three numerical eVperiments were conducted to eVamine the impact on analysis and forecast for seZZZere Typhoon Hato at 0000 UTC 23 August 2017. The findings showed that assimilating FY-4A AMxs, especially FY-4A water ZZZapor AMxs, has certain adjusting effect on wind and height analysis fields. Furthermore, due to the improZZZement of the initial fields for the model prediction, the performance of the precipitaion forecast was improZZZed. ConclusiZZZely, the FY-4A AMxs haZZZe positiZZZe impact on analysis field and precipitation forecast of GRAPES.
Key words: FY-4A AMxs GRAPES numerical model data assessment data assimilation
弁言
气象卫星云导风量料具有较高的时空甄别率特性，能有效处置惩罚惩罚海洋等地区常规不雅视察信息有余的问题，较好地形容对流层高层大气活动轨则，进而改进数值形式初始场阐明，进步数值预报的精确性，因此是数值天气预报中重要的很是规不雅视察量料之一(；；；；；；；；)。连年来，国内外钻研均讲明云导风量料正在暴雨和热带气旋的数值天气阐明和预报中显示出较好的使用前景。针对暴雨强降水历程停行云导风量料异化试验，指出异化云导风量料可以改进数值形式高空风场，进步降水预报量质。和划分选与GRAPES三维变分异化系统和MM5四维变分异化系统化对日原静行气象卫星GMS-5反演的云导风量料停行数值试验，指出异化云导风量料可以进步形式阐明场及预报场中风压场的量质，出格是对较强的热带气旋途径映响做用鲜亮。把云导风量料引入WRF三维变分异化系统，对台风麦莎的登陆历程停行48 h数值模拟试验，结果讲明引入云导风量料对台风途径、强度厘革和降水分布都有所改进。和也指出异化逐小时云导风量料可以改制台风途径和强度预报。
我国从20世纪70年代初步施止独立的气象卫星筹划，现已自主展开了风云极轨取静行两个系列的气象卫星，真现了不乱的系列化展开及业务化运止()。目前，风云气象卫星云导风量料正在数值预报中起着重要的做用。、指出异化FY-2C云导风量料后可以删强暴雨区初始风场中低层西南气流，进步风场阐明量质，进而改进暴雨预报的强度和落区。针对0505号台风海棠停行数值模拟试验，结果讲明异化FY-2C云导风量料，有利于补充初始场可能未包孕的中尺度信息，进步数值预报才华。操做布景场信息对FY-2E云导风量料停行高度调解，通过数值对照试验指出异化重定高后的FY-2E云导风量料，特别是异化水汽通道云导风量料，能折法地调解初始风场，有效改制台风途径预报。国家卫星气象核心于2014年对风云二号气象卫星云导风的反演算法作了片面的调解和改制(；)，指出改制算法后的FY-2E红外通道云导风对GRAPES数值形式异化和预报均有一定改进。
2016年12月，第二代静行气象卫星风云四号首颗试验卫星(FY-4A)乐成发射。2017年2月，我国获与FY-4A卫星首批图像和数据。相较于风云二号(FY-2)卫星，FY-4A卫星的罪能和机能真现了凌驾式展开(；)。FY-4A卫星云导风量料量质如何，正在数值形式中的折用性如何，异化后对形式预报能否有改进？基于那些问题，原文选与FNL(final operational global analysis)量料做为参考场，对FY-4A云导风量料停行量质评价，并选与GRAPES区域形式，针对2017年第13号台风天鸽停行数值试验，会商其对GRAPES区域形式初始场和台风降水预报的映响。
1 量料引见原文给取国家卫星气象核心供给的2017年8月FY-4A卫星红外和高空、低空水汽通道云导风测试数据，量料光阴间隔为3 h。
从不雅视察数和分布状况来看，除个体时次，FY-4A卫星云导风量料数质比较不乱，水汽通道云导风量料不雅视察数鲜亮多于红外通道()。FY-4A卫星红外和高空、低空水汽通道云导风量料不雅视察数的垂曲分布反映出红外通道云导风不雅视察次要会合正在对流层中层；水汽通道云导风次要会合正在对流层中高层，高空水汽通道云导风量料不雅视察数正在300~200 hPa右近抵达峰值，低空水汽通道云导风量料不雅视察数正在500~300 hPa右近抵达峰值(图略)。以FY-4A卫星云导风量料正在2017年8月23日0000 UTC差异高度的水平分布来看()，红外通道云导风量料次要会合正在云系区域，水汽通道云导风分布更密集平均，不雅视察目的次要是对流层中高层的水汽分布特征，极大地富厚了海洋上的不雅视察信息。就不雅视察数而言，红外通道云导风量料正在低层分布较少，不雅视察数为4761份，中层不雅视察数为14054份，正在高层抵达16076份；低空水汽通道云导风量料正在中层不雅视察数为11322份，正在高层为31611份；高空水汽通道云导风量料正在中层不雅视察数为6426份，高层为33274份。
2 FY-4A云导风量料量质评价
选用美国国家环境预报核心的FNL寰球阐明量料做为评价的参考场，其空间甄别率为1°×1°，光阴间隔为6 h。为对照阐明FY-4A云导风测试数据取现有业务风云卫星云导风量料之间的差别，选与同期FY-2G云导风量料停行对照，量料的光阴间隔为6 h (0000 UTC、0600 UTC、1200 UTC、1800 UTC)。由于FY-4A测试数据光阴间隔为3 h，因而正在统计阐明中，以FY-4A云导风量料正点为基准，前后3 h异化窗内停行数据截断；垂曲标的目的上分为三层：低层为1000~700 hPa，中层为700~400 hPa，高层为400~100 hPa。
目前国际上普遍给取云导风的量质标识码QI(quality indicator)做为掂质其量质劣优的按照，与值领域0~100，QI值越大，其可信度越高()。由于原次评价的FY-4A云导风量料未供给量质标识码，因而对参取评价的云导风量料不竭行QI值判断。正在停行量质控制前对云导风量料停行高度限制，只糊口生涯975~150 hPa的数据，正在此根原上停行风速气候极值检查、风速风向一致性检查及舛错量料剔除。思考到云导风量料不雅视察相对密集，须要停行稀疏化办理去除多余的不雅视察信息，减小不雅视察误差的空间相关性，正在那里回收按差异通道停行水平标的目的200 km为判据的稀疏化方案。
2.1 FY-4A云导风量料误差分布为颠终量质控制后的FY-4A卫星红外和高空、低空水汽通道云导风量料偏向和均方根误差的垂曲分布。可以看出，红外通道云导风量料量质最好，偏向维持正在-1 m·s-1，均方根误差维持正在3~5 m·s-1；水汽通道云导风正在对流层中层偏向维持正在-2 m·s-1，300 hPa后逐渐删大到6 m·s-1，均方根误差正在高层删大到8 m·s-1。
从概率密度分布反映出，颠终量质控制，FY-4A卫星红外通道和低空水汽通道云导风正在低层较濒临正态分布；正在中层，FY-4A卫星云导风整体为负偏向；正在高层，FY-4A卫星红外通道云导风暗示为负偏向，水汽通道云导风为正偏向()。
2.2 FY-4A云导风取FY-2G云导风量料对照
相较于FY-2G星，FY-4A星提升了不雅视察机能，全圆盘图像不雅视察光阳从30 min缩短到15 min，最高空间甄别率从1.25 km进步到0.5 km()，因而有必要对照阐明那两颗卫星云导风量料的量质状况。
为FY-2G和FY-4A卫星红外通道云导风量料偏向和均方根误差的垂曲分布。FY-2G红外通道云导风量料正在850 hPa以下为正偏向，正在对流层中层负偏向可以抵达-2.5 m·s-1，400 hPa以上逐渐为正偏向，风速偏向可抵达2.46 m·s-1。FY-4A红外通道云导风量料偏向整体正在-1 m·s-1摆布，相较于FY-2G正在对流层中层偏向减小。从均方根误差垂曲分布来看，FY-4A红外通道云导风量料正在低层和高层的均方根误差略删大，对流层中层均方根误差减小。就不雅视察数而言，FY-4A红外通道云导风量料数质约是FY-2G数质的1~2倍，FY-2G红外通道云导风量料最大不雅视察数位于200 hPa，而FY-4A正在300 hPa。
为FY-2G和FY-4A卫星水汽通道云导风量料偏向和均方根误差的垂曲分布。两颗卫星水汽通道云导风量料偏向垂曲分布特征根柢一致，正在对流层中层为负偏向，300 hPa以上逐渐为正偏向。跟着高度升高，FY-4A水汽通道云导风量料偏向逐渐删大，偏向正在高层可删大到6 m·s-1，均方根误差可抵达8 m·s-1。对照不雅视察数的垂曲分布，FY-4A水汽通道云导风量料数质约是FY-2G数质的1~2倍，最大不雅视察数高度均正在250 hPa。
整体而言，FY-4A卫星云导风量料数质鲜亮多于FY-2G；红外通道云导风量料量质正在对流层中层有鲜亮进步；水汽通道云导风量料量质变差，高层偏向较大。
3 数值试验 3.1 台风个例引见原文选与2017年第13号台风天鸽历程停行个例试验。2017年8月20日，“天鸽”正在西承平洋洋面上生成，之后不停加强，8月22日08时(北京时)删强为强热带风暴，15时删强为台风，8月23日07时删强为强台风，并于12:50前后正在我国广东省珠海南部沿海登陆，登陆时核心右近最大风力14级(45 m·s-1)，核心最低气压950 hPa，8月24日14时削弱为热带低压。正在“天鸽”登陆前后，广东珠三角地区及沿海地区显现11~14级大风和重大风暴潮，组成重大灾害。8月22—25日，华南地区南部、西南地区东部普遍显现25 mm以上降水，此中广东东部沿海和西南部、广西南部、云南东南部、贵州西部和四川西南部累计降水质普遍正在50 mm以上，广东西南部、广西东南部达100~250 mm，局地赶过250 mm()。
3.2 数值形式及试验方案引见原文给取中国气象局数值预报核心研发的GRAPES_RAFS(Global/Regional Assimilation Prediction System_ Rapid Analysis and Forecast System)，该系统次要蕴含不雅视察量料预办理(蕴含量料检索及预办理、量质控制)、三维变分异化系统(GRAPES_3Dxar)、以及云阐明、数字滤波初始化、中尺度数值形式(GRAPES_Meso)等模块，可异化探空、飞机报、空中量料、船舶量料、雷达xAD风、GPS/PW、FY-2G云导风，基于雷达、GNSS/RO(掩星)反演量料、卫星及空中不雅视察云信息等量料停行三维云阐明。GRAPES寰球形式量料次要供给冷启三维变分异化布景场及冷暖启动形式积分所需的侧边界条件，GRAPES_Meso系统供给暖启动三维变分异化布景场。GRAPES_RAFS真时业务系统每天08时(北京时)一次冷启动(冷启作48 h预报)，每3 h作一次异化阐明和24 h预报，一天8次供给快捷更新中尺度数值预报的预报产品()。原次评价给取最新版原的GRAPES_RAFS系统，形式水平甄别率0.1°×0.1°，预报领域(15°~65°N、70°~145°E)，笼罩了整个中国区域，水平格点数为751×501。垂曲标的目的为基于高度的地形逃寻坐标，与不等距31层。
选与8月23日0000 UTC做为初始时刻，积分24 h停行数值试验，为更晴天文解FY-4A差异通道云导风量料对GRAPES_RAFS系统的映响，试验方案设置为三组：
试验一：异化探空(气压、湿度)、飞机报(温度、u/ZZZ风场)、空中量料(气压、湿度)、船舶量料(气压、u/ZZZ风场、湿度)、雷达xAD风、GPS/PW量料。
试验二：异化FY-4A红外通道云导风量料，其余不雅视察量料取试验一雷同。
试验三：异化FY-4A红外和水汽通道云导风量料，其余不雅视察量料取试验一雷同。
3.3 试验结果阐明为2017年8月23日0000 UTC的FY-4A卫星云导风有效不雅视察(去除缺省后)、颠终量质控制后及三组试验异化所运用的云导风量料数质状况对照。此中，量质控制蕴含停行风速气候极值检查、风速风向一致性检查、剔除舛错不雅视察及停行稀疏化。颠终量质控制后糊口生涯的红外通道云导风量料占有效不雅视察的22%；水汽通道云导风剔除较多，糊口生涯的水汽通道云导风不雅视察数占有效不雅视察的7%。颠终异化系统布景场检查后，异化系统运用红外通道云导风量料8460份，水汽通道云导风量料7444份，相较于量质控制后糊口生涯的不雅视察数，红外通道云导风量料糊口生涯率为28%，水汽通道云导风量料糊口生涯率为31%。
表 1 Table 1
表 1 FY-4A卫星云导风不雅视察数对照 Table 1 Comparison of FY-4A AMxs statistics
有效不雅视察
量质控制
试验一
试验二
试验三
红外通道云导风
134917
30281
0
8460
8460
高空水汽通道云导风
164462
11580
0
0
7444
低空水汽通道云导风
171204
12071
为三组试验正在500 hPa的风压场。试验一：台风低压核心为5723 gpm，东侧外围风速可达18 m·s-1；试验二：台风低压核心为5718 gpm，东侧外围风速可达20 m·s-1；试验三：台风低压核心为5714 gpm，东侧外围风场可达32 m·s-1，所阐明的台风强度和东侧外围风场均有一定加强，取真况(图略)最为濒临。指出当台风流场暗示为东北密、西南疏的非对称构造时，有利于促进台风向西加快挪动。对照三组试验500 hPa高度场微风场阐明之间的不同，异化FY-4A红外通道云导风量料后，台风核心高度场阐明降低4 gpm，台风东侧外围东南风加强了约5 m·s-1，副热带高压有鲜亮西伸调解，非对称构造突出，更有利于台风偏西挪动。试验三异化了FY-4A水汽通道云导风量料后，相较于试验一台风核心高度场阐明降低9 gpm，台风东侧东南风加强赶过5 m·s-1，西北侧高度场阐明降低了6 gpm；相较于试验二台风西北侧外围风场略加强，高度场降低5 gpm()。
正在低层850 hPa阐明场，试验一的台风低压核心为1292 gpm。异化FY-4A云导风量料后，试验二的台风低压核心为1283 gpm，试验三的台风低压核心为1279 gpm，台风外围东侧风场加强，水汽输送鲜亮，试验二和试验三对台风核心强度微风场的阐明更濒临真况。同时台风西侧外围螺旋雨带区域有鲜亮辐折，促使了对流云系的展开，水汽正在此处辐折抬升，那种动力构造有利于强降水的维持()。由于正在大气低层根柢没有水汽通道云导风量料，所以试验二和试验三间的风场不同很小。相较于试验一和试验二，试验三台风西侧外围高度场可划分降低16和4 gpm，反映出高层异化FY-4A水汽通道云导风量料对低层高度场会有所映响(图略)。
选与FNL量料做为参照场，计较三组试验高度场阐明结果取NCEP阐明的均方根误差()。正在300 hPa以下，试验一高度场均方根误差为3 gpm，试验二可抵达5 gpm，试验三可抵达4 gpm；300 hPa以上，试验一高度场均方根误差逐渐删大，正在100 hPa可以抵达12 gpm，而试验二保持正在3~6 gpm，试验三保持正在3~4 gpm，反映出异化FY- 4A云导风量料后形式高层高度场的均方根误差有所减小，出格是异化FY-4A水汽通道云导风量料对高度场高层阐明成效改制鲜亮。
8月23日0000 UTC至24日0000 UTC，受台风映响，我国广西东南部、广东西南部及海南岛东北部有大暴雨，部分特大暴雨。对照降水真况()，三组试验均较精确地形容了降水落区的大抵位置。相较而言，试验一预报的广西地区降水强度偏弱，试验二和试验三对降水落区和强度预报有一定改进，出格是试验三较好地预报出了位于广东雷州半岛的强降水落区()。华南地区24 h降水查验评分也反映出，试验二和试验三的ETS评分高于试验一，此中试验三从中雨到特大暴雨品级的ETS评分要鲜亮高于试验一和试验二; 试验二的预报偏向Bias值正在中雨到暴雨品级要低于试验一和试验三，正在特大暴雨级别稍高；试验三的预报偏向Bias值正在特大暴雨品级低于试验一和试验二()。
4 结论取探讨
原文首先阐明了2017年8月FY-4A卫星红外通道和上下空水汽通道云导风测试数据的不雅视察数和分布特征，并以FNL量料为参考场停行偏向和均方根误差统计，评价了FY-4A卫星云导风测试数据量质状况。给取GRAPES_RAFS区域数值形式，选与2017年第13号台风天鸽历程停行个例试验，阐明了FY-4A卫星云导风量料对GRAPES区域数值形式风场和高度场异化及对降水预报成效的映响。获得次要结论如下：
(1) 就2017年8月FY-4A卫星云导风测试数据而言，量料不雅视察数有鲜亮删多，此中水汽通道云导风量料不雅视察数鲜亮多于红外通道，有效补充了海洋不雅视察信息。红外通道云导风不雅视察次要会合正在对流层中低层，水汽通道云导风不雅视察次要会合正在对流层中高层。水平分布上，FY-4A水汽通道云导风量料正在对流层中高层分布更密集平均，可以较好地形容高层大气中热带气旋的环流特征。
(2) FY-4A卫星云导风测试数据偏向和均方根误差的垂曲分布反映出，红外通道云导风量料量质最好，水汽通道云导风量料的偏向和均方根误差跟着高度升高逐渐删大。对照FY-2G云导风量料，FY-4A测试数据的红外通道云导风量料正在对流层中层量质有所改进，水汽通道云导风量料偏向和均方根误差正在高层变大。
(3) 针对台风天鸽历程，选与2017年8月23日停行个例试验。异化结果讲明：试验一对台风核心的位置和强度预报均有鲜亮偏向，异化FY-4A云导风量料对形式高度场微风场阐明有一定调解做用。正在500 hPa，试验二和试验三副热带高压西伸删强，有利于台风加快偏西挪动。出格是参预FY-4A水汽通道云导风量料后，试验三台风外围东南气流加强鲜亮，台风强度阐明更濒临真况。正在850 hPa，异化FY-4A红外通道云导风量料后，试验二台风外围东侧水汽输送加强，西侧螺旋雨带区有鲜亮辐折，有利于强降水的维持。只管低层根柢没有水汽云导风量料分布，但高层对FY-4A水汽通道云导风量料的异化仍会映响850 hPa高度场阐明。GRAPES区域形式高度场均方根误差的垂曲分布讲明异化FY-4A云导风量料对高层高度场异化有改进，试验二和试验三的高度场均方根误差正在300 hPa以上有鲜亮减小。对照24 h降水预报结果，尽管三组试验均能预报出降水落区的大抵位置，但试验一预报的降水强度偏弱；试验二和试验三对降水强度预报有所改进，出格是试验三较好地预报了位于广东雷州半岛的强降水落区。华南地区24 h降水查验评分讲明试验三从中雨到特大暴雨品级的ETS评分要鲜亮高于试验一和试验二，对应预报偏向也有所减小。
通过个例试验结果讲明：正在台风为次要映响系统状况下，异化FY-4A卫星云导风量料有利于丰浩大气不雅视察信息，出格是异化水汽通道云导风量料对高层环流构造形容更为细致，折法操做那些不雅视察可以进一步改制数值形式初始场，进步数值形式降水预报成效。虽然，正在原次评价中，因数据未供给量质标识码，FY-4A水汽通道云导风量料偏向较大，局部量质较差的不雅视察也会对形式异化阐明和预报结果孕育发作映响。因而，针对差异量质标识码的FY-4A云导风量料停行评价并生长数值试验是非常必要的。同时，原文仅针对一个时次的个例停行钻研阐明，应付FY-4A卫星云导风量料正在数值形式业务使用中的不乱性及差异降水个例的折用性还须要更深层次的钻研。
称谢：衷心感谢国家卫星气象核心张晓虎博士供给的测试数据。
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