云海-2掩星探測資料在全球數(shù)值天氣預報模式中的同化效果評估

王業(yè)桂 張斌 李娟 蔡其發(fā) 蘭偉仁 郭賢鵬 王廣杰

解放軍 61741 部隊，北京 100094

1 引言

近幾十年來，數(shù)值天氣預報在業(yè)務化預報中的基礎(chǔ)作用越來越凸顯，隨著數(shù)值天氣預報模式的不斷發(fā)展和完善，數(shù)值天氣預報的初始場精度已成為制約預報準確率的關(guān)鍵因素。為了提高數(shù)值天氣預報初始場的精度，有效同化不同種類的衛(wèi)星遙感探測資料已成為當前主要手段。

無線電掩星大氣探測，利用裝載在低軌衛(wèi)星上的掩星接收機，接收受大氣折射影響的導航衛(wèi)星信號，通過對該信號分析處理，反演得到大氣折射率、溫度、濕度、氣壓以及電離層電子密度等垂直分布信息。無線電掩星大氣探測不需要在軌定標，可全天候工作，探測資料全球分布，具有較高的精度和垂直分辨率，在對流層垂直分辨率可達200～500 m，在平流層接近1.0 km，其在改善數(shù)值天氣預報模式的初始場中能夠發(fā)揮重要作用，貢獻值僅次于微波溫度和紅外高光譜，超過了高空報和飛機報（朱孟斌等,2013）。

相對于微波溫度和紅外高光譜資料，掩星資料具有不受云雨影響的優(yōu)勢；掩星探測儀器長期穩(wěn)定，不需要進行誤差偏離調(diào)整；掩星探測資料分布比較均勻，能夠有效豐富極地和海洋等觀測稀少地區(qū)的觀測資料（余江林等，2014）。由于掩星探測的優(yōu)勢，美國、阿根廷、德國等國家先后實施了掩星探測任務。我國臺灣和美國于2006年4月14日合作的掩星探測項目COSMIC（Constellation Observing System for Meterology，Ionosphere，and Climate，COSMIC），其6顆低軌衛(wèi)星獲取的掩星資料在ECMWF同化后，預報準確度提升了6%（朱孟斌等,2013）。

鑒于掩星探測資料在數(shù)值預報中發(fā)揮的重要作用，國內(nèi)外十分重視對掩星資料在數(shù)值預報模式中的同化應用，并開展了許多研究工作。ECMWF于2006年在其業(yè)務系統(tǒng)中對彎曲角資料進行同化，Healy and Thépaut（2006）揭示了同化彎曲角資料有助于改善溫度的預報。Zou et al.（1999,2000）在掩星探測資料的觀測算子方面開展了大量研究，提升了彎角觀測資料的同化應用效果。馬再忠等（2011）對掩星探測資料的局地和非局地觀測算子進行對比研究，結(jié)果表明在水平梯度大值區(qū)，非局地觀測算子能夠取得更好的改善效果。朱孟斌等（2013）設(shè)計了一維彎曲角算子在四維變分資料同化系統(tǒng)的實現(xiàn)方法和質(zhì)量策略，試驗結(jié)果表明掩星探測資料的同化在全球范圍能夠有效改善預報效果。成巍等（2012）基于局地和非局地觀測算子的GPS（Global Positioning System）掩星探測資料后向映射四維變分同化研究結(jié)果表明，同化GPS掩星探測資料，可以改進24 h的降水預報；鄒逸航等（2017）在GRAPES模式中對掩星資料進行同化，發(fā)現(xiàn)同化后可以減小模式預報臺風路徑誤差。

我國自主研發(fā)的云海-2掩星大氣星座于2018年12月底發(fā)射，云海-2掩星大氣探測星座系統(tǒng)能夠?qū)θ蛑械途暥却髿鈱訙囟?、濕度、氣壓等參?shù)的垂直廓線進行探測，為數(shù)值天氣預報提供高垂直分辨率、高精度的觀測（蔡其發(fā)等，2021）。開展云海-2掩星資料在數(shù)值天氣預報模式中的同化應用技術(shù)研究，對改善數(shù)值預報初始場精度進而提高預報準確率具有重要作用，同時對建立和積累自主衛(wèi)星資料同化技術(shù)也具有重要的意義。本文針對我國自主的云海-2掩星探測資料，在全球數(shù)值天氣預報模式T799L91中建立其同化流程，考察云海-2掩星探測資料同化應用效果。

2 云海-2 掩星探測資料前處理

云海-2掩星探測資料包括彎曲角和折射率兩種資料，相比于折射率資料，彎曲角資料具有更為原始、引入假設(shè)更少、觀測誤差特性相對簡單等優(yōu)勢，因此本文對云海-2掩星探測資料的彎曲角進行直接同化。相對于數(shù)值天氣預報模式層，云海-2掩星探測資料在垂直方向上具有很高的分辨率，為了合理有效地同化云海-2掩星探測資料，減少資料冗余帶來的計算量，本文對云海-2掩星探測資料在垂直方向上進行稀疏化，為每個模式層匹配一個距離最近的觀測。

3 彎曲角觀測算子

參照朱孟斌等（2013）掩星觀測算子設(shè)計，假設(shè)忽略無線電經(jīng)過路徑上大氣環(huán)境的水平變化，在球?qū)ΨQ假設(shè)下，一維彎曲角觀測算子α 計算方法如下：

其中，HN(T,p,q)表示折射率算子，是用模式格點上的溫度（T）、壓強（p）和濕度（q）計算折射率，F(xiàn)I將模式面上折射率插值到射線近地面切點位置上，HA表示根據(jù)近地面切點位置計算彎曲角的算子。

4 云海-2 掩星探測資料在T7 9 9 L9 1模式中的同化效果評估

4.1 試驗方案

為了考察云海-2掩星探測資料在全球數(shù)值天氣模式中的同化應用效果，同時考慮到下一步的直接業(yè)務化應用，本文基于T799L91譜模式及其四維變分同化系統(tǒng)，構(gòu)建了云海-2掩星探測資料同化應用流程。為了考察云海-2掩星探測資料的同化預報效果，本文選取了災害性天氣發(fā)生頻率較高的7月（2019年）開展同化預報試驗，同化時間窗為12 h，設(shè)置了表1所示的4套試驗。

表1 T799L91譜模式同化預報試驗設(shè)置Table 1 The design of assimilation and forecasting experiment with spectral model T799L91

試驗1（T799L91）為日常的業(yè)務化運行，同化的掩星探測資料為國外GPS掩星探測資料，試驗2（T799L91-GPS）相對于試驗1不同化國外GPS掩星探測資料，因此試驗1、2的結(jié)果對比就可以反映同化國外GPS掩星探測資料對全球數(shù)值天氣預報的影響。試驗3相對于試驗2，加入云海-2掩星探測資料的同化，因此試驗1、3的結(jié)果就可以對比國外GPS掩星探測資料和云海-2掩星探測資料在全球數(shù)值預報中的同化效果；試驗2、3則可以反映云海-2掩星探測資料在全球數(shù)值天氣預報中的同化效果。試驗4相對于試驗1，加入云海-2掩星探測資料同化，主要目的是考察在業(yè)務化流程中加入云海-2掩星探測資料，能否進一步提升預報效果。

4.2 試驗結(jié)果

本節(jié)基于ECMWF再分析資料對表1中各試驗的預報結(jié)果進行評估，具體評估時劃分為東亞區(qū)域、北半球和南半球，對24 h、72 h、120 h、168 h的預報結(jié)果進行統(tǒng)計分析，計算的統(tǒng)計量主要包括500 hPa的位勢高度距平相關(guān)系數(shù)、850 hPa的風場和溫度場的均方根誤差。

4.2.1 500 hPa距平相關(guān)系數(shù)

圖1為各試驗在東亞區(qū)域的500 hPa位勢高度場距平相關(guān)系數(shù)，圖1a1–a4為24 h、72 h、120 h和168 h的逐日統(tǒng)計結(jié)果，為了更為清晰地展示整體的變化趨勢，圖1b1–b4給出了24 h、72 h、120 h和168 h相應的每隔10 d的平均統(tǒng)計結(jié)果，其中前10 d代表前期，中間10 d代表中期、最后11 d代表后期。對比圖1a1–a4、1b1–b4，可以看出相對于試驗1（紅色線條，下同），試驗2（綠色線條，下同）在前期的各個時效的預報距平相關(guān)系數(shù)沒有明顯增大或者降低趨勢，在中后期距平相關(guān)系數(shù)整體上則呈降低的趨勢（尤其是從圖1b1、b2中24 h和72 h時效的預報可以清晰地看出），這表明隨著預報日數(shù)的增加，同化GPS掩星探測資料對東亞區(qū)域的預報效果逐漸有一定的改進作用。加入云海-2掩星探測資料同化后，相對于試驗2，試驗3（藍色線條，下同）在24 h、72 h、120 h的預報中距平相關(guān)系數(shù)整體上有所提高（圖1a1–a3），這從圖1b1–b3的平均統(tǒng)計結(jié)果可以更清楚地看出，尤其是在中后期表現(xiàn)更為明顯，而168 h的預報，除了個別日數(shù)有明顯提高（圖1a4），整體上試驗2、3的預報效果相當（圖1b4），這表明同化云海-2掩星探測資料能夠進一步有效地改善預報結(jié)果。相對于試驗1，試驗3在中前期距平相關(guān)系數(shù)沒有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，但在中后期整體上高于試驗1，這表明東亞區(qū)域同化云海-2掩星資探測料優(yōu)于GPS掩星探測資料。相對于試驗1，試驗4加入了云海-2掩星探測資料同化，試驗4（橙色線條，下同）在所有試驗中距平相關(guān)系數(shù)震蕩最小，預報效果最好，這表明業(yè)務系統(tǒng)中加入云海-2掩星探測資料同化，能夠進一步有效地改善東亞區(qū)域的預報效果，也說明了聯(lián)合同化云海-2掩星探測資料和GPS掩星探測資料的有效性。

圖1 2019年7月表1中各試驗在東亞區(qū)域的500 hPa位勢高度場距平相關(guān)系數(shù)。0.6為可用預報參考值，圖a1–a4為24 h、72 h、120 h和168 h預報的逐日統(tǒng)計結(jié)果，圖b1–b4為24 h、72 h、120 h和168 h預報的每隔10 d的平均統(tǒng)計結(jié)果Fig.1 The anomaly correlation coefficients of 500-hPa geopotential height in East Asia for each experiment in Table 1 in July 2019.0.6 is the reference value of available forecast;Figs.a1–a4 represent the statistical results of 24-h,72-h,120-h,and 168-h forecasts,respectively;Figs. b1–b4 represent the average statistical results every 10 days for 24-h,72-h,120-h,and 168-h forecasts, respectively.T799L91,T799L91-GPS,T799L91-GPS+YH2,T799L91+YH2 represent the experiment under normal operational circumstance,the experiment without assimilating GPS(Global Positioning System)occultation data comparing with experiment T799L91,theexperiment with assimilating Yunhai-2 occultation data comparing with experiment T799L91-GPS, the experiment with assimilating Yunhai-2 occultation data comparing with experiment T799L91, respectively

圖2為各試驗在北半球的500 hPa位勢高度場距平相關(guān)系數(shù)。相對于試驗1，試驗2的距平相關(guān)系數(shù)整體上有所降低，特別是在中后期表現(xiàn)最為明顯，這與持續(xù)不同化GPS掩星探測資料直接相關(guān)，表明了同化GPS掩星探測資料在北半球預報中起到的正效應。相對于試驗2，試驗3在4個預報時效距平相關(guān)系數(shù)均增大，尤其在中后期提高更為明顯，這表明同化云海-2掩星資料能夠有效地改善北半球的預報，且改善效果隨著日數(shù)的增加不斷增強。對比試驗1和試驗3，在中前期，24 h和72 h預報中試驗3均偏低，120 h和168 h預報中兩者則相當；在中后期中，試驗3則要優(yōu)于試驗1，這表明隨著日數(shù)的增加，同化云海-2掩星探測資料的正效果逐步增大，后期超過了GPS掩星探測資料，這從圖2b2–b4的平均統(tǒng)計結(jié)果可以更為清晰地反映出來。類似圖1，試驗4在所有試驗中距平相關(guān)系數(shù)震蕩最小，24 h和72 h預報在中前期雖不如試驗1，但在中后期整體上要優(yōu)于試驗1和試驗3，這可能源于GPS和云海-2掩星探測資料的聯(lián)合同化，相互融合需要一定的適應時間，才能體現(xiàn)聯(lián)合同化的效果。在120 h和168 h的預報中，前期試驗4相對于試驗3效果略優(yōu)，而中后期試驗3則優(yōu)于試驗4，這進一步表明云海-2掩星探測資料在更長時效的預報中發(fā)揮的作用更大。

圖2 同圖1 ，但為各試驗在北半球500 hPa位勢高度場的距平相關(guān)系數(shù)Fig.2 As in Fig.1,but for the anomaly correlation coefficientsof 500-hPa geopotential height in Northern Hemisphere for each experiment in Table 1

圖3為表1中各試驗在南半球的500 hPa位勢高度場距平相關(guān)系數(shù)。從試驗1和試驗2結(jié)果對比可以看出，同化GPS掩星探測資料在南半球整體發(fā)揮了較為明顯的正作用。試驗1、2和試驗3的對比結(jié)果表明，云海-2掩星探測資料在中前期同化應用效果不佳，隨著日數(shù)增加，同化正效果逐步增強，后期優(yōu)于GPS掩星探測資料；試驗1、試驗3和試驗4的結(jié)果對比表明，GPS和云海-2掩星探測資料在南半球的聯(lián)合同化效果在較長時效的120 h、168 h的中后期較為明顯。

圖3 同圖1 ，但為各試驗在南半球500 hPa位勢高度場的距平相關(guān)系數(shù)Fig.3 As in Fig.1,but for the anomaly correlation coefficientsof 500-hPa geopotential height in Southern Hemisphere for each experiment in Table 1

4.2.2 850 hPa風場均方根誤差

圖4為表1中各試驗在東亞區(qū)域的850 hPa風場的均方根誤差。對比試驗1和試驗2的結(jié)果可以看出，同化GPS掩星探測資料能夠有效降低850 hPa風場預報的均方根誤差。試驗2和試驗3的結(jié)果對比表明，同化云海-2掩星探測資料能夠有效降低850 hPa風場預報均方根誤差，提高風場的預報精度。對比試驗1和試驗3，同化云海-2掩星探測資料在24 h預報中對850 hPa風場的改善幅度小于GPS掩星探測資料，72 h預報中同化GPS掩星探測資料和云海-2掩星資料對850 hPa風場的改善幅度相當，120 h和168 h預報中，同化云海-2掩星探測資料略優(yōu)于GPS掩星探測資料。對試驗1、3和4的結(jié)果進行分析，可以看出對于GPS掩星探測資料和云海-2掩星資料的聯(lián)合同化，除了24 h預報中聯(lián)合同化效果不太理想，72 h、120 h和168 h預報中聯(lián)合同化的風場均方根誤差整體最小，同化效果最好，尤其是在后期體現(xiàn)最為明顯。

圖5為表1中各試驗在北半球的850 hPa風場的均方根誤差。類似圖4，可以看出同化GPS掩星探測資料對850 hPa風場預報的調(diào)整基本為正效應，同化云海-2掩星探測資料能夠有效降低風場的均方根誤差，提高風場的預報精度。24 h、72 h預報中，同化GPS掩星探測資料優(yōu)于云海-2掩星探測資料，在更長預報時效的120 h和168 h中，同化云海-2掩星探測資料和GPS掩星探測資料對風場調(diào)整的整體效果相當，但在后期，同化云海-2掩星探測資料相對于GPS掩星探測資料呈現(xiàn)一定的優(yōu)勢（圖5b3、b4）。聯(lián)合同化GPS掩星探測資料和云海-2掩星探測資料在24 h預報中表現(xiàn)不理想，但在更長預報時效的72 h、120 h和168 h中的后期聯(lián)合同化表現(xiàn)出較好的效果。

圖4 同圖1 ，但為各試驗在東亞區(qū)域的850 hPa水平風速的均方根誤差Fig.4 Asin Fig.1, but for the RMSE (root mean square errors) of 850-hPa horizontal wind in East Asia for each experiment in Table 1

圖5 同圖1 ，但為各試驗在北半球的850 hPa水平風速的均方根誤差Fig.5 Asin Fig.1, but for the RMSE of 850-hPa horizontal wind in Northern Hemispherefor each experiment in Table1

圖6為表1中各試驗在南半球的850 hPa風場的均方根誤差，試驗結(jié)果類似北半球，這里不再贅述。

圖6 同圖1 ，但為各試驗在南半球的850 hPa水平風速的均方根誤差Fig.6 Asin Fig.1, but for the RMSE of 850-hPa horizontal wind in Southern Hemispherefor each experiment in Table1

4.2.3 850 hPa溫度場均方根誤差

圖7為表1中各試驗在東亞區(qū)域的850 hPa溫度均方根誤差。相對于試驗1，除72 h預報外，試驗2在其他時效的預報中均方根誤差整體呈增大趨勢，即同化GPS掩星探測資料對溫度場整體的調(diào)整基本為正效應。相對于試驗2，除了168 h外，試驗3的溫度場均方根誤差在24 h、72 h和120 h預報中均有所降低，整體而言同化云海-2掩星探測資料對于溫度場預報具有明顯的改善效應。對比試驗1和試驗3的結(jié)果，中前期同化GPS掩星探測資料在各時效的預報中整體要好于云海-2掩星探測資料，但隨著日數(shù)的增加，后期云海-2掩星探測資料的改善效果不斷增大，逐漸優(yōu)于GPS掩星探測資料。與試驗1和試驗3對比，從試驗4的結(jié)果可以看出，聯(lián)合同化云海-2掩星探測資料和GPS掩星探測資料在整體均方根誤差震蕩最小，隨著日數(shù)的增加，聯(lián)合同化優(yōu)勢逐漸增強（尤其在中后期）。

圖8為表1中各試驗在北半球的850 hPa溫度場的均方根誤差。對比試驗1和試驗2，可以看到同化GPS掩星探測資料對溫度場整體的改善作用，對比試驗2和試驗3，同樣可以看到同化云海-2掩星資料，溫度場整體也得到改善。進一步對比試驗1和試驗3，可以看到同化GPS掩星探測資料在24 h預報中改善效果要優(yōu)于云海-2掩星探測資料，而在72 h、120 h和168 h預報中，隨著預報時效的延長和日數(shù)的增加，同化云海-2掩星探測資料相對于GPS掩星探測資料的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，類似于圖7，這種優(yōu)勢主要體現(xiàn)在更長的預報時效中。對比試驗1、試驗3和試驗4，可以看到聯(lián)合同化兩種掩星探測資料的優(yōu)勢也主要體現(xiàn)在更長預報時效的后期。

圖7 同圖1 ，但為各試驗在東亞區(qū)域的850 hPa溫度的均方根誤差Fig.7 As in Fig.1,but for the RMSE of 850-hPa temperaturefield in East Asia for each experiment in Table 1

圖8 同圖1 ，但為各試驗在北半球的850 hPa溫度的均方根誤差Fig.8 Asin Fig.1, but for the RMSE of 850-hPa temperaturefield in Northern Hemispherefor each experiment in Table1

圖9為表1中各試驗在南半球的850 hPa溫度的均方根誤差，類似北半球，同化云海-2掩星探測資料對南半球溫度場的調(diào)整基本為正效應。24 h預報中，同化GPS掩星探測資料優(yōu)于同化云海-2掩星探測資料，而72 h、120 h和168 h預報中，中前期同化GPS掩星探測資料相對于云海-2掩星探測資料仍然占據(jù)優(yōu)勢，但隨著日數(shù)的增加，同化云海-2掩星探測資料逐漸優(yōu)于GPS掩星探測資料（尤其是在后期）；聯(lián)合同化GPS和云海-2掩星探測資料的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在中后期的72 h、120 h和168 h的預報中。

圖9 同圖1 ，但為各試驗在南半球的850 hPa溫度的均方根誤差Fig.9 Asin Fig.1, but for the RMSE of 850-hPa temperaturefield in Southern Hemispherefor each experiment in Table1

5 總結(jié)

本文基于全球數(shù)值天氣預報模式T799L91及其四維變分同化系統(tǒng)，構(gòu)建了針對中國自主的云海-2掩星探測資料的同化流程，并以2019年7月整月開展了云海-2掩星探測資料的同化預報試驗，考察云海-2掩星探測資料的同化效果，試驗結(jié)果表明：

（1）對于500 hPa位勢高度場而言，同化云海-2掩星探測資料在東亞區(qū)域能夠改善預報場精度，聯(lián)合同化云海-2和GPS掩星探測資料能夠進一步提升預報精度；北半球的預報中，同化云海-2掩星探測資料相對于GPS掩星探測資料的優(yōu)勢、聯(lián)合同化云海-2掩星探測資料和GPS掩星探測資料的效果均主要體現(xiàn)在較長的預報時效和中后期；南半球的預報中同化云海-2掩星探測資料的正效果主要體現(xiàn)在較長的預報時效和中后期，但是聯(lián)合同化效果不理想。

（2）對于850 hPa風場而言，東亞區(qū)域、北半球和南半球的預報中，同化云海-2掩星探測資料均能夠有效改善預報精度。24 h預報中，同化云海-2掩星探測資料的改善幅度小于GPS掩星探測資料，72 h、120 h和168 h的預報中，云海-2掩星探測資料和GPS掩星探測資料對預報的改善效果相當，但在中后期云海-2掩星探測資料呈現(xiàn)一定的優(yōu)勢。聯(lián)合同化云海-2掩星探測資料和GPS掩星探測資料的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在更長時效的72 h、120 h和168 h預報中，同樣的預報時效中，聯(lián)合同化優(yōu)勢在中后期更為明顯。

（3）對于850 hPa溫度場而言，同化云海-2掩星探測資料能有效改善預報精度；在較短時效的24 h預報中，同化GPS掩星探測資料優(yōu)于同化云海-2掩星探測資料，而在較長時效的72 h、120 h和168 h預報中，隨著日數(shù)的增加，同化云海-2掩星探測資料逐漸優(yōu)于GPS掩星探測資料，尤其是在中后期；聯(lián)合同化兩種掩星探測資料的優(yōu)勢也主要體現(xiàn)在更長預報時效的中后期。

本文初步構(gòu)建了云海-2掩星探測資料在全球數(shù)值天氣預報模式中的同化流程，試驗結(jié)果表明了云海-2掩星探測資料在改善預報準確度方面的有效性，然而同化云海-2掩星探測資料在一些區(qū)域和預報時刻內(nèi)的改善效果還并不理想，這可能均源于云海-2掩星探測資料作為一種新觀測資料，對模式預報場的改善需要一定的調(diào)整適應時間，其次目前對云海-2掩星探測資料的同化參數(shù)尚未優(yōu)化調(diào)整，同時本文僅是基于2019年7月開展云海-2掩星探測資料的同化應用研究，試驗結(jié)果存在一定的局限性，下一步將進行更長時間序列的試驗。