（气象学专业论文）wrfensrf卫星资料同化系统构建及应用研究.pdf

矿 、 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在 论文中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名：蕴茜签字日期：立里丛亟：主 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科 学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通 过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生部办理。 口公开口保密( 年月) ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名：拉走签字日期：2 壁 ! ：三 指导教师签名： f 签字日期：二虬l l f ；一j 一一r1 ：j ， 、3 t l 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 资料同化的概念和方法。l 1 1 1 资料同化的概念。l 1 1 2 资料同化的方法。2 1 2 卫星资料同化研究目的及意义3 1 3 卫星资料同化和应用研究进展一3 1 3 1 同化研究进展。3 1 3 2 业务应用研究进展。5 1 4 本文研究内容及结构6 第二章w r f 模式及集合卡尔曼滤波理论简介8 2 1w r f 模式简介8 2 1 1w r f 模式的运行流程8 2 1 2w r f 模式的动力框架。9 2 1 3w r f 模式物理过程和参数化9 2 2 卡尔曼滤波l l 2 2 1 线性卡尔曼滤波1 l 2 2 2 扩展卡尔曼滤波l2 2 3 集合卡尔曼滤波1 3 2 3 1 集合卡尔曼滤波计算流程1 3 2 3 2 集合卡尔曼滤波的其他同化方案1 4 2 4 集合卡尔曼滤波应用中的主要问题1 6 2 4 1 分析集合的构造17 2 4 2 采样及采样误差17 2 a 3 模式误差18 2 5 本章小结18 第三章卫星资料e n s r f 同化方式设计1 9 3 1 同化方式l9 3 2 观测资料2 0 3 3 观测算子。2l 3 3 1 正演模式的基本原理。2 2 3 2 2 透过率计算2 3 3 2 3r t t o v - 7 的应用2 4 3 3 同化方法及资料处理方法2 5 3 3 1 三维变分同化卫星资料介绍2 5 3 3 2 偏差订正2 6 3 3 3 质量控制。2 8 3 3 4 通道选择和稀疏化2 8 3 4 本章小结2 9 第四章w r f e n s r f 同化系统的构建及卫星资料同化3 0 4 1w r f - e n s r f 同化系统设计3 0 4 1 1w r f e n s r f 同化系统流程设计3 0 4 1 2 局地化方法3 2 4 1 3 协方差膨胀。3 2 4 2e n s r f 同化系统中卫星资料同化3 3 4 2 1 模块设计流程3 3 4 2 2 模块的输入输出3 4 4 2 3 模块的数据接口3 4 4 2 4 模块的资料处理方法3 5 4 - 3 本章小结3 7 第五章实际卫星资料数值试验3 8 5 1 天气过程分析3 8 5 1 1 降水过程分析3 8 5 1 2 环流形势分析。3 9 5 2 3 水汽条件分析4 0 5 2 试验资料及方案设计4 l 5 2 1 试验资料。4 l 5 2 2 试验方案设计4 1 5 3 试验结果分析4 2 5 3 1 增量场分析4 2 5 3 2 降水场分析4 3 5 3 3t s 评分4 3 5 4 本章小结4 4 第六章全文总结与展望4 6 6 1 全文回顾与总结4 6 6 2 本文的创新点4 6 6 3 存在的问题和下一步的工作4 7 参考文献4 8 致谢5 2 论文附图5 3 摘要 准确的初始条件被认为是整个数值预报成功与否的关键。卫星探测资料具 有资料较为一致，覆盖面较广，时空分辨率较高的特点。它的引进，对改善初 始场提供了更加有利的条件。如何利用资料同化来提取卫星探测资料中的有效 观测信息，弥补常规观测网时空分辨率的不足，提高中尺度的数值预报的准确 率，是一个有意义的研究课题。 伴随着资料同化的发展，集合卡尔曼滤波得到了越来越广泛的应用。它运 用蒙特卡洛的短期预报集合方法来估计预报误差协方差。它不依赖于模式的线 性假设，避免了切线性和伴随模式，并且能够很好的并行计算。国外已经成功 实现了运用集合卡尔曼滤波对卫星辐射率资料的同化试验，而我国在这一方面 尚属空白。 因此，本文的主要目的就是在王世璋设计的新一代w r f - e n s r f 同化系统中， 自主添加卫星资料同化的模块，从而建立具有实际运行能力的集合平方根滤波 卫星资料同化系统。 下面是本文的主要研究成果及结论总结： ( 1 ) 本文在国内首次将r t t o v 辐射传输模式与e n s r f 同化方法成功对接， 构建了 w , f - e n s r f 卫星资料同化系统。 ( 2 ) 运用新建立的同化系统，对2 0 1 0 年6 月1 9- 2 0 日华南的暴雨个例 进行了同时同化a m s u - a ，a m s u b 辐射率资料的试验研究，旨在检验新建立的同 化系统的同化效果，同时进行实际同化卫星辐射率资料预报试验，提高对暴雨 的预报能力。试验结果表明同化辐射率资料对各要素场都有着明显的调整作用； 就本次试验而言，对降水场的预报效果主要体现在对降水量预报结果的改善方 面；在暴雨级别以上，同化试验的t s 评分要优于控制试验。 ( 3 ) 本次试验证明了本文所构建的卫星同化系统对卫星辐射率资料具有一 定同化作用。 关键词：资料同化，集合卡尔曼滤波，辐射传输模式 a b s t r a c t m g o o di n i t i a lc o n d i t i o nh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nn u m e r c i a l w e a t h e rp r e d i c t i o n i t sa c c u r a c yi n f l u e n c et h en w po u t c o m e sd i r e c t l y s a t e l l i t ed a t a h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fb e i n gm o r ec o n s i s t e n t , c o v e r i n gaw i d e ra r e aa n dh a v i n g l l i g hs p a t i a la n dt e m p o r a lr e s o l u t i o n h o wt om a k eu s eo fd a t aa s s i m i l a t i o nt oe x t r a c t t h ee f f e c t i v eo b s e r v a t i o ni n f o r m a t i o no fs a t e l l i t es o u n d i n gd a t aa n dt om a k eu pf o r c o n v e n t i o n a lo b s e r v a t i o nn e t w o r k s sl a c k n e s so fs p a t i a l la n dt e m p o r a lr e s o l u t i o n , t o i m p r o v e t h ea c c u r a c yo fn u m e r i c a lp r e d i c t i o n , t h a ti sa m e a n i n g f u lt o p i c w i 也t h ed e v e l o p m e n to fd a t aa s s i m i l a t i o n , e n s e m b l ek a l l n a nf i t t e rg e t sm o r e a n dm o r ea t t i t i o mi tu s g sam o n t e - c a r l oe n s e m b l eo fs h o r t - r a n g ef o r e c a s t st o e s t i m a t et h ec o v a r i c a n c e so ft h ef o r e c a s te r r o r i td o e sn o td e p e n ds t r o n g l yo nt h e v a l i d i t yo fh y p o t h e s e sa b o u tt h el i n e a r i t yo ft h em o d e ld y n a m i c sa n dr e q u i r e sn e i t h e r at a n g e n tl i n e a rm o d e ln o ri t sa d j o i n t i na d d i t i o n , i tp a r a l l e l i z e sw e l l u s i n g e n s e m b l ek a l l l l a nf i t t e rt oa s s i m i l a t es a t e l l i t er a d i a n c ed a t ah a sb e e nr e a l i z e di n c a n a d aa n du s a b u tt h e r ei ss t i l lb l a n ki no u rc o n t r y s o ，t h em a i na i mo ft h ep a p e ri st oc o n s t r u c tt h es a t e l l i t ed a t aa s s i m i l a t i o n m o d u l ei nw r f - e n s r fa s s i m i l a t i o ns y s t e mw h i c he s t a b l i s h e db yw a n gs h i z h a n g t h ef o l l o w i n ga r et h em a i nc o n c l u s i o n sa n dr e s u l t s ： ( 1 ) i nt h i sp a p e r , ap r a c t i c a lw r f - e n s r fs a t e l l i t ed a t aa s s i m i l a t i o ns y s t e mi s f i r s t l ye s t a b l i s h e di nc h i n a ( 2 ) b yt h i sn e wa s s i m i l a t i o ns y s t e m ，t h ee x p e r i m e n to fa s s i m i l a t i n ga m s u - a a n da m s u - bi sc o n d u c t e d 、) l ，i mah e a v yr a i n f a l lp r o c e s sa c c u r r e da ts o u t ho fc h i n a r e g i o nd u r i n g 19 - 2 0 j u n e2 0 10 t h er e s u l ts h o w st h a tt h ea s s i m i l a t i o na m s u m i c r o w a v er a d i a n c ed a t ah a v eac e r t a i ni m p a c to nt e m p e r a t u r e ，w i n da n dh u m i d i t y f i e l d s ；f o rt h ep r e c i p i t a f i o nf o r c a s t , a s s i m i l a t ee x p e r i m e n ti ss u p e r i o rt oc o n t r o l e x p e r i m e n ti nt h em i n f a u ；f o r t ss c o r e ，a s s i m i l a t i o ne x p e r i m e n ti sb e t t e rt h a nc o n t r o l e x p e r i m e n ta tt o r r e n t i a lr a i nl e v e l ( 3 ) t h i se x p e r i m e n ts h o w st h a tw r y - e n s r fs a t e l l i t ed a t aa s s i m i l a t i o ns y s t e m c a nb eu s e dt oa s s i m i l a t es a t e l l i t ed a t a k e yw o r d ：d a t aa s s i m i l a t i o n , e n s e m b l ek d n mf i t t e r , r a d i a t i v ew a n s f e rm o d e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 资料同化的概念和方法 1 1 1 资料同化的概念 数值天气预报( n w p ) 业务中，为了得到精确的预报值，准确的初值、合理的边界值 和完善的模式都是十分重要的。近年来，随着模式的不断发展完善，对初始条件的精确性 要求也日趋提高，物理学家b j e r k n e s t q 曾把天气预报归结为“初值问题”，并指出要得到一 个准确的天气预报必须要满足两个条件：( 1 ) 知道准确的初值；( 2 ) 知道准确的大气运动 物理规律。所以好的初始条件越来越被认为是整个数值预报领域的一个重要方面，初始条 件的精确性直接影响着数值天气预报的成败。 在为数值天气预报模式提供准确、合理的初值问题上，资料同化是一种行之有效的方 法。它是由早期气象学中的分析技术发展起来的【2 】。其基本含义是根据一定的优化标准和 方法，将不同空间、不同时间、不同观测手段获得的观测数据与数学模型有机结合，纳入 统一的分析与预报系统，简化模型与数据相互协调的优化关系，使分析结果的误差达到最 小。 早在1 9 2 2 年，r i c h a d s o n a 就首次将同化的思想用于数值天气预报的主观分析中。他把 观测资料手工插值到格点上，作为数值预报的初始场。由于他预报中所采用的原始方程没 有做任何滤波处理，导致最后预报以失败而告终。1 9 5 0 年，c h a r n e y 【4 】等采用主观分析方法 确定初值，使用的预报方程是正压涡度方程，并且在第一台电子数字计算机上进行计算， 成功地完成了第一次的数值天气预报。 随着计算机的发展，人们逐渐发展了气象领域中的客观分析方法。尽管客观分析是资 料同化的一个主要内容，也是资料同化的起源。但是资料同化并不完全等同于客观分析。 随着发展，发现单纯的插值不能解决模式的初值问题，又把背景场引进来。多年来，气象 领域的大部分人都围绕着如何更好的把观侧“插值到”格点上，如何产生更好的初值问题 来思考相关问题。 在六十年代初期，随着卫星资料等非常规资料的出现，开始考虑在客观分析中引入非 常规资料尤其是卫星资料的问题。有一些学者把这个引入过程叫做“同化( a s s i m i l a t i o n ) ” 【5 】【6 】。六十年代后期，d a n a r d 掣7 】指出，“气象和海洋客观分析所面临的问题是如何同化不 同来源的信息”，同化开始作为科学问题提出。t h o m p s o n i s 】在他1 9 6 9 年发表的一篇文章中， 分析当时客观分析中所谓的“动力”处理方法时指出，该方法同样有“单一时刻的资料同 化”所存在的缺陷，所以，必须要在“整个时间序列的分析过程中保持变量的动力协调”。 至此“初始化”的概念引入同化范畴，四维资料同化的基本思想已经成型。从目前资料同 化的应用来看，同化的功能也不单单是为数值预报构造初值，在观测系统的评估，资料分 析，在目标性观测研究等方面也有广泛应用 依据d a l 矿1 对资料同化的发展以及资料同化的各种方法所作的详尽历史性同顾与描 南京信息工程大学硕士学位论文 写，发展趋势主要有两大特点：一是，由三维( 仅空间分布分析) 迈向四维( 空间分布加时间分 布分析) ；二是，由单纯对观测资料本身进行静态客观分析迈向观侧资料结合动力约束的动 态分析。资料同化的含义也随之发生改变：糅合观测资料与模式解为大气四维状态提供最 优的估计。d a l e y 还曾经指出，伴随变分和卡尔曼滤波是大气资料同化未来的发展方向，如 今他的预见已经被越来越多的相关文献和工作所验证。 1 1 2 资料同化的方法 在资料同化方法的发展过程当中，客观分析的主流方法先后经历了多项式拟合、逐步 订正法、最优插值3 个阶段。 ( 1 ) 多项式拟合。这是早期的客观分析方法，该方法于1 9 4 9 年由p a n o f s k y 提出。主 要使用多项式展开去拟合包含数个分析格点的一小块分析区域的所有观测点，展开系数用 最小二乘法确定。由于其分析是在小区域内进行的，所以往往导致分析在拟合的各区域之 间不连续i 川。 ( 2 ) 逐步订正法。这种方法的原理是从每一个观测中减去背景场得到观测增量，通过 分析观测增最得到分析增量，然后将分析增景加到背景场上得到最终的分析场。每个分析 格点上的分析增量通过其周罔影响区域内观测增量的线性组合而加权，观测权重与观测位 置和格点之间距离成反比【4 】。1 9 5 9 年，c r e s s m a n 【1 0 】在该方法的基础上采用迭代求解方法， 形成了实际可操作的逐步订正法，引入背景场概念，解决了多项式拟合中的不连续问题。 但逐步订正法的权重函数仅仅依赖于测站到格点的距离，而与测站的分布无关，从而采用 这种方法得到的分析结果在统计意义上往往不是最优的。 ( 3 ) 最优插值法。1 9 6 3 年g a n d i n 提出了最优插值法，资料同化从此有了基于统计估 计理论的基础。从统计意义上来说，它是一种均方差最小的线性插值方法。相比较逐步订 正法而言，这里最大的改进就是权重考虑了背景场和观测误差的统计特征，故又称之为“统 计插值法”。 客观分析并不完全等同于资料同化。e b r e n d o r f e i n 和e v e n s e n 【l2 】指出各种资料同化方法 中，存在两类基本资料同化途径：一类是全局拟合( g l o b a lf i t t i n g ) ，以伴随变分为代表方法； 另一类是顺序同化( s e q u e n t i a la s s i m i l a t i o n ) ，以卡尔曼滤波为代表方法。 ( 1 ) 变分法。变分分析方法最早由s a s a k i n 3 1 引入到客观分析中来。这种方法是在给定 的( d a 一个或者多个大气运动方程构成的动力约束) 条件下，使分析场与观测值差别最小 而得到初始场。即将同化问题化为一个以动力模式为约束的极小化问题。变分法的优点是 进一步摆脱了观测量和分析量之间存在的线性关系的限制，使得直接同化非常规资料成为 可能，同时也可以把模式作为一个强约束下进行求解，从而得到物理和动力上与模式协调 的初始场。它包括三维变分和四维变分。 ( 2 ) 卡尔曼滤波。根据m a y b e c k 1 的定义，卡尔曼滤波是一种最优递归资料处理算法。 它综合利用一切可能的观测信息以及模式和观测信息的误差统计特征对特定变量进行估 计，使估计的统计误差达到最小。任何一种滤波器都是为了从包含噪音的资料里得到对所 关心变量的最佳估计，卡尔曼滤波是力图得到一个模式和观测噪音在时间上线性无关( 白噪 声) ，空间上呈正态分布的线性系统的条件概率密度函数的演变。 2 第一章绪论 集合卡尔曼滤波就是。顺序”同化的一个代表。集合卡尔曼滤波是通过九十年代中后 期发展起来的一种新方法，它利用集合预报进行统计得到背景场误差协方差后进行最优分 析，从而实现了对误差协方差的更新。近十年来，这种方法显示了其强大的活力。在第二 章我们将对其给出详细的介绍。 1 2 卫星资料同化研究目的及意义 随着各种模式的动力框架和物理过程日益完善，使得更为精确的天气预报成为可能， 同时也对模式初始场提出了更高的要求。在早期的数值天气预报中，主要使用的是定时常 规观测资料，如探空，测风资料等，随着数值天气预报技术的发展，已经不能满足当前的 需要了。如我国常规气象观测网点的距离一般超过3 0 0 k m ，得到的高空温、压、湿、风等 资料过于稀疏，海上的观测点更是少之又少，大大低于数值预报模式的空间分辨率。由于 探测点的稀疏，无法对中小尺度天气系统进行有效的监测，而往往就是这些中小尺度的天 气系统引发了具有突发性、破坏性的天气。因此，使用各种非常规资料来改进模式的初始 场，对于提高天气预报水平是非常迫切的。 随着卫星遥感技术和其他非常规观测技术的发展和成熟，我们得到了大量的非实时、 准连续的观测资料。与常规资料和其他非常规资料相比，卫星观测资料具有明显的优点： l 、包括遥远陆地和海洋区域的全球覆盖 2 、在大范围内实现高时空分辨率观测 3 、可以测量参数的较宽量程范围 4 、对于高容量数据有最好的费用一收益比 5 、许多参数同时测蜃 6 、在恶劣天气下仍能持续观测 7 、在某些情况下能穿过整个大气深度测量 如何充分利用这些资料，从中尽可能多的提取有意义的信息，改善数值模式的初始场， 从而提高模式预报的准确率，是当前数值天气预报研究中的一大难点。 随着变分方法的发展，它已经成为了同化卫星资料的主要手段，并且日趋成熟，但是 运用集合卡尔曼滤波同化卫星资料目前在国内还属于空白，美国及加拿大已经实现了集合 卡尔曼滤波对卫星资料的同化研究，可见它存在着非常大的发展空间。 1 3 卫星资料同化和应用研究进展 1 3 1 同化研究进展 对于卫星资料的处理，数值预报模式中的卫星资料同化一般有两种方法【1 6 】：反演同化 和直接同化。 最早的卫星资料同化采用的是反演同化【1 7 】也称“卫星到模式”的反演途径。这种方法 用卫星辐射率资料反演出温度、湿度垂直廓线和其他物理参数，然后以反演结果为同化量 进行同化分析，其反演过程与数据同化过程是相互独立、分别进行的。该方法由于需要反 演过程，因此存在欠定问题。反演过程需要的外加信息会产生情况不十分清楚的反演背景 误差的干扰。同时，数据加工和反演过程中也会遗留复杂的误差。 3 南京信息工程大学硕士学位论文 相对于同化卫星遥感反演的纬度、湿度廓线资料，直接同化1 1 7 】卫星资料也称“模式到 卫星”的方法就避免了这个问题。它实际上就是在观测算子中包含大气辐射传输正演模式， 并用有效的数据同化方案同化“原始”形式或近“原始”形式的卫星辐射率探测资料的过 程。事实上，卫星资料的同化和反演是一个问题的正反两方面【1 6 】。卫星辐射率的直接同化 的优点就在于不再割裂反演和同化的联系，其输入为卫星辐射率，输出是相关模式变量的 初值分析场，直接同化卫星资料的过程就是反演温湿廓线的过程 目前，直接同化卫星资料对于提高数值天气预报的水平日益重要。近年来，预报技术 能提高的很大裨益来自于直接同化卫星资料而不是反演的廓线【l8 】。当前，国内外卫星资料 直接同化的同化方法主要是变分同化。 e y e r t l 9 】( 1 9 9 3 ) 用一维变分法反演t o v s 资料，然后用o l 方法进行同化，证明用此 种方法可以用来同化卫星资料，并且能够改进北半球地区的预报质量，这种方法的优点是 使用了更加准确的背景场信息( 6 小时预报) ，但是由于在反演过程中和同化过程使用了 同样的背景场，因此引入了观测误差和背景场误差间的相关；a n d e r s s o n i 2 0 1 ( 1 9 9 4 ) 在e y e r 方法上，将反演和同化合并，用3 d 4 d v a r 方法实现了辐射率资料的直接同化，并将同化 结果与1 d v a r 的反演结果做对比，发现用变分方法直接同化辐射率要优于反演同化的结 果；j o h nc d e b e r t 2 u ( 1 9 9 8 ) 利用n c e p 的s s i ( s p e c t r a ls t a t i s t i c a li n t e r p o l a t i o n ) 同化系统对 t o v s 晴空资料进行直接同化，也取得了不错的结果；a p m c n a l l y t 2 2 】( 2 0 0 0 ) 用s s i 方法 直接同化t o v sl e v e l 1 b ( 未经预处理的) 辐射率资料，并对同化系统中的偏差订正方案 进行了改进，结果表明用s s i 方法将偏差订正方案包含在同化过程中同化没有预处理的辐 射率资料比独立的对辐射率资料进行偏差订正后再进行同化的效果好；x uj 田1 ( 2 0 0 6 ) 将 j c s d a s 的c r t m 辐射传输模式，n c e p 的g s i 3 d v a r 同化系统，n c a r 的w r f 模式三 者相结合，对a t o v s 资料进行直接同化，并利用它对0 5 年中国南海的暴雨预报进行研 究，作了一系列的试验，结果表明：对a t o v s 辐射资料的直接同化能够改进暴雨 的2 4 小时预报；z h i q u a nl i u l 2 4 ( 2 0 0 7 ) 介绍了中尺度模式w i 强的变分模块w r f v a r 对辐射率资料的直接同化能力，并直接同化a m s u - a 资料对卡特里娜飓风的预报进行了一 些初步试验研究；e gp a v e l i n 2 s 等( 2 0 0 8 ) 利用四维变分变分同化方法，运用包括一个对 于云效果能够足够精确描述的观测算子和一个可以精确预报和诊断单个视场中云状况的 n w p 模式，在c h e v a l l i c rf 【2 6 l ( 2 0 0 4 ) 等的研究成果上通过通道选择来对辐射传输计算进 行约束，实现了同化受云影响的卫星红外辐射率资料；p o l k i r l g h o m e 2 7 1 等( 2 0 1 0 ) 运用g o e s 资料以及地基遥感资料，通过试验证明同化受云影响辐射率资料中背景场误差构造，及辐 射空间质量控制对试验结果具有较敏感的影响作用；p o l k i n g h o m e t 2 s l 等( 2 0 l o ) 在之前的研究 成果上，运用4 d - v a t 方法同化受云影响的辐射率资料，使用了云标记来限制同化格点，使 得模式中的云类型更靠近观测云，试验表明在c l o u d - r c s o l v h g 模式中，同化受云影响的辐 射率是可行的，并且可以提高模式云的质量。 国内对也有许多学者致力于辐射率资料的同化研究。9 0 年代早期，我国国家气象中心 ( n m c ) 将t o v s 反演资料用于业务，但其质量和分辨率还远不满足要求。在此之后，n m c 和国家卫星气象中心为了改善卫星探测反演质量及其在业务数值预报中的应用，联合开展 4 第一章绪论 建立我国数据同化卫星反演n w p 相互作用循环系统的开发工作。王子厚【冽等( 1 9 9 5 ) 米i 极 轨卫星n o a a 上携带的h i r s 2 亮温资料经过预处理与其他观测资料一起用o l 方法进行分 析，结果表明，直接同化亮温资料比使用反演资料效果好；沈桐立，闵锦忠p o 】等( 1 9 9 6 ) 应用变分方法同化卫星云图反演的湿度、温度场资料，显著提高了模式降水的预报效果； 张菊芳，沈树鲥”】等( 1 9 9 9 年) 采用了变分技术对t o v s 卫星反演资料进行同化研究，结 果表明，t o v s 卫星反演存在很大的误差，使用变分技术可消除t o v s 卫星反演资料存在 的较大误差，并能保留起其分辨率高的优点；朱民、郁凡【3 2 j 等( 2 0 0 0 ) 箕j j i l l ：究表明同化卫星 反演的湿度场能够对降水预报产生积极作用；孟智勇、徐样德1 3 3 1 等( 2 0 0 2 ) 应用牛顿张弛方 法将t o v s 的亮温资料四维同化加入到m m 5 中，改善了暴雨的模拟；潘宁阴】等( 2 0 0 3 ) 年 采用增量3 d v a r 方法对a m s u - a 亮温资料在m m 5 中尺度数值预报模式中的直接同化和预 报进行研究，结果表明，同化a m s u - a 资料对中高层的温度分析场的影响很明显，但对降 水预报的改善作用不大；张华m 1 等( 2 0 0 4 ) 采用g r a p e s3 d - v a t 与w r f 模式相结合，同化 a t o v s 资料对西北太平洋的台风的结构和路径预报进行了研究，结果表明同化a t o v s 微波 资料能有效的提高数值预报模式对台风模拟和路径的预报水平；齐琳琳，孙建华啪1 等( 2 0 0 5 ) 采用3 d v a r 和m m 5 v 3 对a t o v s 辐射率资料进行直接同化，发现对强暴雨落区、雨强的模拟 效果均有明显改善；黄兵等( 2 0 0 6 ) 采用g r a p e s3 d - v a r 同化系统直接同化a t o v s 资料 并加入到与m m 5 模式中进行暴雨的分析和模拟研究，发现直接同化a t o v s 资料后极大丰富 了模式初始场上大气温度和湿度的信息，且对流层中下层风场也有一定改进，使得模式中中 尺度系统初始发展所依赖的环境场得以完善：张爱忠啪1 等( 2 0 0 6 ) 采用g r a p e s3 d - v a r 同 化系统三维变分直接同化a m s u _ a 辐射亮温资料，同化a t o v s 辐射率资料对降水模拟方面 的改善效果较为明显；闵爱荣m 等( 2 0 0 9 ) 利用a t o v s 辐射率资料和t 2 1 3 资料，使用g r a p e s 3 d - v a t 同化系统和中尺度暴雨数值模式a r e m ，直接同化a t o v s 辐射率资料，结果表明直接 同化试验获得的分析场可有效改进温度场和湿度场的分布，尤其是对海上、高原地的改进 明显；袁炳h 等( 2 0 1 0 ) 在m m 5 模式中，运用4 d - v a x 同化方法，加海面风场和气压场b o g u s 资料及多颗卫星资料的a t o v s 资料对登录的韦帕进行数值模拟，结果表明加入a t o v s 资料 能对湿度场及台风周闹环境场做出调整，重构了大量中尺度结构信息，取得更为精细的初 始台风环流和温压湿场结构。 1 3 2 业务应用研究进展 通过2 0 多年的卫星资料在数值天气预报中的应用实践，特别是最近几年来，人们对如 何在数值天气预报中正确使用卫星资料，已经有了很大的进步。国际上，美国、欧洲、英 国，日本等发达国家在数值天气预报中应用卫星资料方面取得了明显进步。美国在8 0 年代 末由n 0 从和n a s a 联合进行了n m c n e s d i s n a s a 联合研究计划，并建立了可用于业务运行 的先进的资料同化卫星资料反演数值预报相互作用系统。根据最近n c e p 的研究进展，将 卫星晴空辐射率直接同化到数值模式中，使5 天数值天气预报的距平相关百分比有明显提 高，北半球从6 9 增加到7 3 ，南半球从6 4 增加到7 2 ，从而为数值预报中应用卫星资料 打开了一条新的通路h ”。 欧洲中期天气预报中心( e c m w f ) 从1 9 9 7 年1 1 月开始业务使用四维变分同化系统表 5 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 是2 0 0 5 年2 月2 8 日0 0 ：0 0 u t c l 2 h 同化窗同化系统分析使用卫星资料的列表h 2 1 。 表1 1 欧洲中心2 0 0 5 年2 月2 8 日0 0 ：0 0 u t c l 2 h 同化 窗同化系统分析使用卫星资料m 1 可以看到，使用的卫星资料几乎囊括了美国n o a a 、m o d i s 、d m s p 极轨系列、g o e s 静止系列和欧洲m e t e o s a t 系列卫星所提供的卫星观测。需要指出的是，表1 1 是2 0 0 5 年 初的统计数据，随着新卫星观测系统的建立完善，更多的卫星资料正在不断地进入同化分析 系统。 美国n o a a 下属的国家环境预报中心n c e p 目前使用的同化分析系统仍是三维变分。 和e c m w f 一样，n c e p 在数值天气预报中使用了大量的卫星资料，包括了美国和欧洲卫 星观测系统所有的观测资料，同时还使用了日本静止卫星的资料。美国数值预报的技术趋 势【4 3 1 ：卫星资料已经大量应用到数值预报上，据估计，目前预报所使用的资料中，卫星资料 数量已经达到8 5 ；除了卫星资料的使用外，卫星资料的同化还需要考虑今后卫星资料的 特点；下一代卫星红外探测器的观测通道将达到2 4 0 0 个( 美国，n p o e s s ) 和8 0 0 0 个 ( e u m e s a t ) ，因而卫星观测资料几乎是连续谱，各通道之间具有很高的相关性，这样如何 选择相对独立的观测通道将成为卫星资料同化研究的新课题。 其他国家的数值预报中心1 如英国、法国、加拿大等也都在数值预报中广泛应用了卫 星资料，这里就不再一一列述；值得特别介绍的是日本，日本气象厅的数值天气预报，特别 是亚洲区域降水预报在实际应用中给人留下了较为准确的深刻影响；近年来，其全球数值 预报的准确率也得到了很快的提高，己跻身世界上全球数值预报准确率佼佼者的行列，并 且是准确率提高最快的国家之一；卫星资料在日本数值预报中亦得到广泛应用并对数值预 报水平的提高发挥了积极的作用。 1 4 本文研究内容及结构 卫星资料使数值预报模式有可能得到更为准确的初始场，因而得到越来越多的重视， 各国都在积极推进卫星资料的理论研究和业务应用。国外研究卫星资料起步较早，在应用 方面也走在前列，在2 0 0 4 年底，美国和e c m w f 认定的业务数值预报模式系统输入的观 测资料中已有8 5 是来自卫星的辐射测值和加工处理出来的各种要素及其参数。我国也实 现了g r a p e s3 d v a r 对辐射率资料的同化应用。但是同时，在美国的n c a r 和加拿大气 象中心等国外的研究应用中心，已经实现了运用集合卡尔曼滤波直接同化卫星辐射率资料 的研究，并且试验效果显著，对初始场起到了很大的改善作用，但是在国内，这一方面还 属空白，本文的研究主要内容就在于尝试运用e n s r f 这新的同化方法，来同化卫星辐射 率资料，为以后这一方面工作做一定的探索。因此本文将基于e n s r f 方法，围绕卫星辐射 率资料的质量问题和同化应用问题开展研究，主要章节内容如下： 第一章，绪论。主要介绍本文研究工作的目的和意义，回顾资料同化的基本概念和方 法，卫星资料同化的研究进展，最后介绍本文的主要研究内容。 6 第一章绪论 第二章，w r f 模式及集合卡尔曼滤波理论简介。简单介绍w r f 模式的主要特点，动力框 架和物理过程，以及集合卡尔曼滤波的基本理论和发展过程。 第三章，卫星资料e n s r f 同化方式设计。主要介绍卫星资料同化所用到的同化方式， 观测资料，直接同化的观测算子以及对资料处理的相关方法。 第四章，w r f - e n s r f 同化系统构建及卫星资料同化。主要对w i f - e n s r f 同化系统和本 人设计的卫星资料同化模块的基本流程，以及同化过程中处理观测及观测残差所用到的方 法进行分析。 第五章，实际卫星资料同化数值试验。运用初步建立的卫星资料同化模块进行了一次 实际个例试验，并对这次个例试验的结果进行分析。 第六章，全文总结与展望。总结全文，提出本文的创新点，存在的问题以及下一步工 作思路。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章w r f 模式及集合卡尔曼滤波理论简介 w r f ( t h e 蚴e rr e s e r c ha n df o r e c a s t ) 模式是由美国由美国国家大气研究中心 ( n c a r ) 、国家大气海洋局( n o a a ) 的预报系统实验室( f s l ) ，国家大气环境研究中心 ( n c e p ) 和o k l a h o m a 大学的风暴分析和预报中心( c a p s ) 等多单位联合研制和发展的新一 代中尺度预报和资料同化模式，被誉为是次时代的中尺度天气预报模式。它分为a r w ( t h e a d v a n c e dr e s e a r c hw r f ) 和n m m ( t h en o n h y d r o s t a t i cm e s o s e c a l em o d e l ) 两种，即研究用和业 务用两种形式，我们主要用的是研究形式a r w 。w r f 模式是完全可压缩以及非静力模式， 采用f 9 0 语言编写，应用于l i n u x 平台。水平方向采用a r a k a w ac 网络点，垂直方向则 采用地形跟随质量形式坐标。模式在时间积分方案次用的是三阶精度的方案，并采用时间 分裂法，即对模式的预报