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行业专项成果综述-风云四号大气温湿度与对流产品反演技术和应用方法研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2018/6/14 16:39:28   标签:   浏览次数:979

项目编号GYHY201406011

研究周期2014 1—2016 12

国拨经费223万元

项目负责人】李俊

项目骨干成员闵敏、吴春强、郑婧、李博、刘娟娟、王金成、姚志刚、张杰

项目承担单位】国家卫星气象中心

项目协作单位】国家气象中心、中国科学院大气物理研究所、南京信息工程大学、北京应用气象研究所

主要研究成果

(1) 开发基于局地训练的全天候风云四号快速辐射模式

鉴于天气系统的局地性显著以及FY-4A GIIRS以探测中国及其周边区域探测为主,项目组开发了基于局地训练的全天候FY-4A GIIRS快速辐射模式。基于经欧拉距离优选的局地大气廓线训练库获取快速辐射系数,经检验其平均偏差在0.05K以内,均方根误差在0.15K以内,符合卫星定量应用对快速辐射模式精度的要求。将基于局地训练库的快速辐射模式与基于全球的模式相比较,结果显示前者的精度优于后者。另外,Jacobian矩阵结果显示某些通道对训练库的选择特别敏感,这些通道的选取将不利于卫星数据的同化应用,这也从一个维度为通道选择提供了依据。此模式已经用于国家气象中心业务同化风四GIIRS资料。

(2) 研制完成风云静止卫星科学算法开发、集成、测试和应用平台

本项目组研发了风云静止卫星科学算法平台(FYGAT),集成了开发的快速辐射传输模式用于实时背景亮温模拟技术。集成多种气候态数据集用于提供后期科学算法先验信息,例如地表发射率、地表分类、地表高程等。该平台集成了多种关键天气产品、例如云检测、云相态、对流初生、对流初生等级等。该平台奠定了我国风云四号静止气象卫星科学算法原型,极大的支撑了风云四号静止气象卫星地面系统建设和科学数据应用推广。
    (3)
开发了基于高分辨率地球静止气象卫星观测和短期数值天气预报模式相结合的中国强对流风暴系统短临预报统计模式

针对突发性对流风暴系统,结合高分辨率地球静止气象卫星观测数据和短期数值天气预报产品(业务化NWP数据),利用机器学习训练方法,实现对中/强对流风暴系统的快速识别和特征统计模式训练。由于对流风暴系统的云顶亮温变化先于对流系统0-1小时,所以在结合高时效静止卫星观测和短临数值天气预报模式后能够提前0-1小时发现即将爆发的对流风暴系统,从而达到灾害预警应用效果。
    (4)
突破了高分辨率水汽信息和云区数据同化的难点,使同化效果大为提高

云区资料同化已成为当今卫星资料同化的前沿题目,但由于有云时大气辐射模式和数值天气预报模式的不确定性较大,进展不大。本项目组基于联合高光谱红外探测仪资料和高分辨率成像仪资料,在李俊(2005)等提出的“变分晴空订正”法基础上,开发了完整的可用于同化的高光谱红外探测仪数据晴空订正和质量控制算法和科学软件,利用高光谱探测仪视场内高分辨率成像仪晴空观测数据,消除云的影响,得到等效高光谱探测仪效晴空辐射量,从而作晴空数据同化。该方法在全球和区域NWP模式同化中获得成功试验和示范,能够极大的提高热带风暴的预报效果。本项目还进行了同化反演廓线的研究,通过对高光谱红外大气探测数据代用资料的诊断分析和质量控制研究发现,随着云量增多,反演资料误差增大,且低层的温湿度受云量影响大于高层。故而对低层受云影响的反演资料进一步进行质量控制和偏差订正,并在针对东亚台风的区域数值同化与滚动预报模拟试验中,得到结论如下:晴空区反演资料同化对路径预报有一定作用,对强度预报的作用不明显;云区资料同化能对强度预报有一定贡献,但必须首先进行偏差订正。同时,通过多源卫星的红外高光谱资料(AIRSIASI反演大气温湿度廓线)增加观测资料的时间频次可以改进台风预报水平。可以期待风云四号逐小时的高光谱资料会得到更多的预报提升空间

新一代地球静止气象卫星能够提供高时间(每10-15分钟)和空间(2 - 4公里)分辨率的红外辐射量测值,昼夜连续不断的监测各种天气变化。本项目团队开发了快速提取分层水汽定量信息科学算法和同化分层水汽的算子,多个中国区域典型暴雨个例试验(包括北京20167.19-20暴雨)表明:同化新一代地球静止气象卫星高分辨率分层水汽能够有效提高暴雨预报,尤其是强降水预报。和直接同化水汽吸收波段的辐射量相比,同化分层水汽能够提供更好的预报效果,尤其在陆地上。该成果正在推广应用于气象和电力等系统的实时业务。

成果应用情况

本项目组开发的全天候FY-4A GIIRS和成像仪快速辐射传输模式已经被成功的应用到国家卫星气象中心风云四号A星地面业务系统,保证了风云四号科学产品的质量和高效反演处理的实现。基于全天候辐射模式的云图模拟技术已经用于国家气象中心业务,模拟云图成为GRAPES业务新产品。基于局地训练的风四高光谱探测仪GIIRS辐射模式已经用于国家气象中心风四业务同化中。

本项目组开发FY-4垂直探测器和成像仪高精度快速红外辐射传输模式的基础上,搭建了从数据输入、定标系数使用、Planck热辐射亮温计算、数值预报场读取和精确时空插值、快速辐射传输耦合计算的风云静止卫星算法集成测试平台FYGAT。基于该平台的处理能力,实现了新一代静止气象卫星近实时的云检测、云相态、云顶性质、对流初生、大气温湿度廓线、不稳定指数等关键天气产品的实时反演。该平台奠定了我国风云四号静止气象卫星科学算法原型,极大的支撑了风云四号静止气象卫星地面系统建设和科学数据应用推广。研究组利用该算法平台实现这些新一代静止气象卫星产品的近实时发布服务和推广,目前已经在中国气象局大院实现科学产品的近实时发布。同时,该算法平台还被推广到多个省市气象局业务部门(见应用证明6份)。此外,在此平台发展的基础上,本课题组开发的基于高分辨率地球静止气象卫星观测和短期数值天气预报模式相结合的中国强对流短临预报统计模式,能够有提前0-1小时有效预测强对流发生,目前正在向中国气象局国家气象中心预报部门推广应用。

本项目组基于联合高光谱红外探测仪资料和高分辨率成像仪资料,在李俊(2005)等提出的“变分晴空订正”法基础上,开发了完整的可用于同化的高光谱红外探测仪数据晴空订正和质量控制算法和科学软件,利用高光谱探测仪视场内高分辨率成像仪晴空观测数据,消除云的影响,得到等效高光谱探测仪效晴空辐射量,从而作晴空数据同化。该方法在全球和区域NWP模式同化中获得成功试验和示范,能够极大的提高热带风暴的预报效果,相关成果发表在2016JMR20162017年的JGR-Atmospheres,并被JGR主编作为重要进展(Editor’s Highlights)提交AGU相关媒体。

    在新一代高时空数据同化应用方面,本项目组利用新一代地球静止气象卫星(日本葵花8号及中国风云四号系列 FY-4)能够提供高时间(每10-15分钟)和空间(2 - 4公里)分辨率的红外辐射量测值,开发了快速提取分层水汽定量信息科学算法和同化分层水汽的算子,多个中国区域典型暴雨个例试验(包括北京20167.19-20暴雨)。同化试验结果表明了同化新一代地球静止气象卫星高分辨率分层水汽能够有效提高暴雨预报,尤其是强降水预报。和直接同化水汽吸收波段的辐射量相比,同化分层水汽能够提供更好的预报效果,尤其在陆地上。该成果正在推广应用于气象和电力等系统的实时业务。相关成果已经提交JGR-Atmospheres

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