数值预报中气象卫星资料同化前处理技术进展.pdf

马刚,黄静,巩欣亚,等.数值预报中气象卫星资料同化前处理技术进展.应用气象学报,2 0 2 4,3 5(2):1 4 2-1 5 5.D O I:1 0.1 1 8 9 8/1 0 0 1-7 3 1 3.2 0 2 4 0 2 0 2数值预报中气象卫星资料同化前处理技术进展马 刚1)2)3)*黄 静1)2)3)巩欣亚4)希 爽1)2)3)薛 蕾5)李 娟1)2)3)张 鹏4)龚建东1)2)3)1)(中国气象局地球系统数值预报中心,北京 1 0 0 0 8 1)2)(中国气象局地球系统数值预报重点开放实验室,北京 1 0 0 0 8 1)3)(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 1 0 0 0 8 1)4)(国家卫星气象中心,北京 1 0 0 0 8 1)5)(国家气象信息中心,北京 1 0 0 0 8 1)摘 要在数值天气预报变分同化中,利用同化前处理将卫星资料完成有效信息优选、资料拼接和稀疏化、初级通道选择、下边界参数耦合等处理,实现卫星资料同化对数值天气预报业务的正贡献,是决定海量卫星资料同化效率、质量和效果的重要环节。针对多种格式的卫星资料,中国气象局研发标准格式的高时效卫星资料拼接等技术,有效减小整轨卫星资料时间滞后对数值天气预报业务的负面影响。对于风云气象卫星资料,将云和降水检测、资料质量分析等处理置于同化前处理中,实现多光谱资料融合的同化预质量控制,保证了风云卫星微波温度探测资料和红外高光谱资料的同化正贡献。利用统一资料格式对预处理卫星资料进行再处理,拓展针对卫星成像和主动探测资料的处理,将卫星资料同化的部分质量控制功能置于卫星资料同化前处理中,是风云卫星资料同化前处理技术发展的重要趋势。关键词:数值天气预报;气象卫星资料;同化前处理引 言气象卫星资料是数值天气预报的重要观测资料源,是提高数值天气预报水平的关键因素之一。2 0世纪9 0年代气象卫星垂直探测资料通过变分同化进入数值天气预报模式,有效提升了业务数值天气预报水平。相对于仅同化常规观测资料,TOV S(T I R O S o p e r a t i o n a l v e r t i c a l s o u n d e r)/ATOV S(a d v a n c e d T I R O S o p e r a t i o n a l v e r t i c a l s o u n d e r)资料同化使北半球有效预报时效延长超过4 8 h1。当今国际主要数值天气预报中心的业务系统中,卫星资料占全球数值天气预报使用资料的9 0%9 5%2,其中星载红外和微波资料超过7 0%2。气象卫星以主动和被动遥感探测方式对地观测,所获资料用于天气预报、气候预测和环境监测等方面以满足防灾减灾和保护生态的迫切需求。气象卫星观测大气层顶的多光谱上行辐射,通过在气体吸收线不同位置设置采样通道,实现大气温度和湿度等变量的垂直分布信息探测3。大气层顶的上行辐射能量聚焦于气象卫星不同光路的探测器,通过入射辐射热效应引起探测器电位差改变。卫星资料预处理是通过定标等手段将地面接收的卫星探测器的全部原始电位差(0级数据,记为L 0)还原为大气层顶的上行辐射,并完成卫星探测资料的地理定位和质量评估,得到预处理资料(1级数据,记为L 1)。美国国家海洋和大气管理局(N a t i o n a l O c e a n i c a n d A t m o s p h e r i c A d m i n i s t r a t i o n,NOAA)将TOV S预处理资料划分为L 1 A、L 1 B、L 1 C和L 1 D 4个等级,其中L 1 A资料是解码卫星下传遥测与探测资料,2 0 2 3-0 9-1 5收到,2 0 2 4-0 1-0 3收到再改稿。资助项目:国家重点研发计划(2 0 2 2 Y F C 3 0 0 4 0 0 2)*邮箱:m a g a n g c m a.g o v.c n 第3 5卷 第2期 2 0 2 4年3月 应 用 气 象 学 报J OUR NA L O F A P P L I E D ME T E O R O L OG I C A L S C I E N C E V o l.3 5,N o.2 M a r c h 2 0 2 4L 1 A资料经过定位、定标和质量控制生成L 1 B资料,L 1 B资料的通道计数值经过亮温转化和订正等处理生成L 1 C资料,将不同仪器的观测融合至单一探测器像元,并完成地形匹配、云和降水检测等处理,即生成L 1 D资料(也称为晴空辐射资料)4。预处理资料再经过反演生成大气温湿廓线等资料(2级数据,记为L 2)5,形成几乎适用于所有卫星资料用户的产品。随着客观的数值天气预报逐渐成为天气分析与预报中不可或缺的部分,如何在数值天气预报模式中更多更好地同化气象卫星资料成为自1 9 6 0年第1颗气象卫星发射升空后几十年内的重要研究方向2,6-7。卫星资料同化前处理是连接卫星资料预处理和数值天气预报模式同化的重要桥梁,是利用统一的文件格式,根据资料同化系统需求,完成卫星预处理资料的集成、卫星资料的轨道拼接和稀疏化、卫星像元下边界参数的融合以及卫星资料同化预质量控制等环节的总称。引入卫星观测资料同化可提高数值天气预报精度。早期卫星资料同化使用反演的大气温湿廓线资料,但由于卫星观测特有的误差结构和23 K的反演误差8,反演廓线的同化仅在南半球有明显正贡献9。L o r e n c1 0和T a l a g r a n d等1 1发展了变分资料同化理论和系统,为卫星观测亮温的直接同化奠定了基础。E y r e1 2和M c M i l l i n等1 3发展了拟线性化的快速辐射传输算子,实现了从大气温湿变量到辐射亮温间的线性函数映射及逆映射,解决了模式空间和卫星观测空间双向线性映射构建的瓶颈问题,使卫星观测亮温的直接同化成为可能1 4。A n-d e r s s o n等6和D e r b e r等1 5首 先 在S S I(s p e c t r a l s t a t i s t i c a l i n t e r p o l a t i o n)同 化 系 统 实 现 了TOV S L 1 D晴空辐射资料的业务同化,证明了卫星探测辐射资料的同化有助于数值天气预报水平的提高。后续研究发现,1 2 0 k m网格的L 1 D资料在匹配中引入了新误差,减弱了同化对预报的正贡献。因此,卫星资料变分同化研究转为将卫星 L 1 B资料替代L 1 D资料1 6,以提高对数值天气预报精度的贡献。L 1 C资料删除了L 1 B资料中与定位和定标相关的探测器工作状态监测信息,仅保留了观测时间、观测几何、观测地理定位和资料质量等信息以及有关亮温形态的通道资料,使其资料量远小于L 1 B,因此L 1 C资料更适合通过有限带宽的网络及时向数值天气预报用户发布。当前美国国家环境预报中心(N a t i o n a l C e n t e r s f o r E n v i r o n m e n t a l P r e d i c t i o n,N C E P)和欧洲中期天气预报中心(E u r o p e a n C e n t r e f o r M e d i u m-R a n g e W e a t h e r F o r e c a s t s,E CMWF)的同化系统均使用ATOV S L 1 C资料2。风云三号(F Y-3)气象卫星是我国第1代具备全球三维大气遥感能力的极轨气象卫星,与N O A A和M E T O P卫星一起被世界气象组织纳入全球对地观测业务卫星序列,其搭载探测器的首要目的是为数值天气预报提供必要的观测资料。基于A T O V S资料同化经验,国家卫星气象中心在F Y-3卫星发射之前就研发了用于风云气象卫星大气垂直探测仪器包(VA S S,a t m o s p h e r i c v e r t i c a l s o u n d e r s y n e r g y,包含I R A S(i n f r a r e d a t m o s p h e r i c s o u n d e r)、MWT S(m i c r o-w a v e t e m p e r a t u r e s o u n d e r)和MWH S(m i-c r o-w a v e h u m i d i t y s o u n d e r)3个大气垂直探测器)资料同化前处理技术。区别于保留全部观测和仪器工作状态资料的1级“强处理”资料(相当于L 1 B资料),经过同化前处理后只保留与同化相关的资料,与L 1 C资料内容基本相当。业务化的F Y-3卫星MWT S和MWH S资料的前处理资料同化到中国气象局全球数值天气预报业务系统G R A P E S(G l o b a l M i d d l e-r a n g e N u m e r i c a l W e a t h e r P r e d i c t i o n S y s-t e m,现更名为CMA-G F S)中,有效提高了预报水平1 7-1 8。此外,卫星资料在进入数值天气预报资料同化系统前,还必须进行同化时间窗的卫星观测时间截断、卫星资料稀疏化、卫星资料去重复和临边剔除等复杂前处理。本文综合分析国内外卫星资料同化前处理技术的发展和存在的问题,指出进一步发展卫星资料同化前处理技术,是提高数值天气预报水平的重要途径。1 国外卫星A TOV S资料同化前处理技术进展 自第1代搭载TOV S的极轨卫星投入应用,E CMWF和N C E P就开展了在数值天气预报模式中同化TOV S资料的研究。2 0世纪8 0年代主要使用最优插值方法同化各种观测资料1 9。在最优插值框架下仅有与数值天气预报模式变量相同物理单位的观测资料才能被同化,因此最优插值方法仅同化TOV S L 2的大气温湿廓线。研究结果显示相对于地面探空温度廓线,TOV S反演的大气温度廓线的整层误差约为3 K2 0,在最优插值中给同化变量341 第2期 马 刚等:数值预报中气象卫星资料同化前处理技术进展 引入新误差9,导致同化失败。变分同化方法的发展使原有最优插值框架下同化变量与观测变量间的强线性相关约束退化为弱非线性相关约束。随着拟线性的快速辐射传输模式取代强非线性的逐线积分辐射传输模式,实现模式变量 到 卫 星 观 测 辐 射 亮 温 的 线 性 映 射,使 更 多ATOV S资料被同化应用于数值天气预报模式,被同化的卫星资料也从L 2数据中的温湿廓线转化为L 1数据的辐射亮温。这不仅要求L 1数据包含卫星观测几何和像元地理信息以支持从模式变量到辐射亮温的正演计算2 1,还需要其他参数集成在同化前处理的卫星资料中。这些参数支持基于同化时间窗的卫星资料选择、针对卫星轨道的临边截断、对卫星观测像元的水平稀疏化2 2以及高纬度地区对不同轨道卫星观测像元的去重复等处理。数值天气预报模式利用水汽含量和环境动力等参数诊断云分布2 3,与卫星在辐射空间观测的云分布差异较大,因此通常卫星探测像元的云和降水检测等基于卫星实时观测资料完成。将TOV S L 1 D资料统一到H I R S(h i g h-r e s o l u t i o n i n f r a r e d r a d i a-t i o n s o u n d e r)像元,经过云和降水检测2 4及水平稀疏化形成分辨率为1 2 0 k m的晴空亮温资料集。该TOV S观测资料包含大气三维热力结构信息,且具有无偏高斯分布的随机误差,完全满足变分同化对观测资料误差无偏正态分布的要求。同化经验显示,尽管云和降水清除了TOV S资料中的强非线性误差,但由于TOV S资料从低分辨率的M S U(m i-c r o w a v e s o u n d i n g u n i t)像 元 匹 配 到 高 分 辨 率 的H I R S像元时引入了系统误差和随机误差,此时卫星资料同化还不能十分有效地提高全球数值天气预报水平2 5。后续进入同化系统的是L 1 B资料。该资料未经过像元匹配等处理,包含的观测亮温仅经过定位和定标处理,是卫星工作状态和预处理质量等参数的通用存档资料,也是卫星观测资料的强预处理输出。L 1 B资料还保存了对卫星研发和卫星资料处理至关重要的卫星定标、定位精度等信息。这些信息虽然便于对卫星工作环境的监控、卫星预处理参数的更新等操作,但对同化用户而言,需要借助更多有关卫星探测器硬件的知识,才能从大量冗余数据中优选并处理所需的观测亮温和相关辅助数据。L 1 B资料的卫星观测保存为通道计数值,同化中需利用L 1 B资料附带的定标系数转化为辐射亮温。当同化TOV S L 1 B资料时,云和降水检测需要在同化框架中完成2 6。TOV S L 1 C资料通常作为L 1 B资料和L 1 D资料的中间产品,在卫星资料处理过程中不存档2 7。L 1 C资料也是卫星观测裸数据,其他处理还包括将L 1 B资料的通道计数值转化为辐射亮温,对观测资料进行质量判识,在1个4字节的整数中按位存储TOV S资料质量信息。L 1 C资料删除了L 1 B资料中与卫星状态和预处理流程监控相关的参数,大幅减少资料占用的存储空间2 8,是一种面向应用的弱预处理数据。1 9 9 8年N O A A-1 5卫星搭载的A T O V S探测仪器包中用AM S U-A(a d v a n c e d m i c r o w a v e s o u n d i n g u n i t-A)和AM S U-B的组合替代TOV S的M S U和S S U(s t r a t o s p h e r i c t e m p e r a t u r e s o u n d i n g),极大扩展了对大气温湿度的全天空探测能力2 9,是迄今为止对数值天气预报贡献最大的卫星大气探测器。2 0 0 2年AQUA卫星搭载A I R S(a t m o s p h e r i c i n f r a-r e d s o u n d e r)升空,这是首台真正意义上的天基红外高光谱大气探测器3 0,也是TOV S/ATOV S中H I R S探测器的进一步发展。2 0 0 6年ME TO P-A(m e t e o r o l o g i c a l o p e r a t i o n a l s a t e l l i t e-A)卫星搭载的I A S I(i n f r a r e d a t m o s p h e r i c s o u n d i n g i n t e r f e r o m e-t e r)是第1个业务运行的天基红外高光谱探测器。以上探测器观测资料的预处理流程也与TOV S一致。海量观测资料的优选是卫星高光谱探测资料同化首先要解决的问题。高光谱L 1 B资料保留了全部通道的观测信息,而L 1 C资料则通过使用初级通道选择技术3 1,将数千通道的探测资料减少为几百个通道。这里的初级通道选择,就是根据通道噪声、相关性和信息熵等大幅度减少通道数量,同时保留能为大气反演和资料同化提供完整大气探测信息的通道3 2。经过初级通道选择的A I R S和I A S I通道数量约为1 02量级3 3,大幅减少了资料存储空间,既能基本满足数值天气预报资料同化的业务需求,又能保证高光谱资料通过有限带宽的G T S(G l o b a l T e l e c o mm u n i c a t i o n S y s t e m)及时传输3 4。2 0 1 1年美国发射的S N P P(S u o m i-N a t i o n a l P o-l a r-O r b i t i n g O p e r a t i o n a l E n v i r o n m e n t a l S a t e l l i t e S y s t e m P r e p a r a t o r y P r o j e c t)卫 星 搭 载 的ATM S(a d v a n c e d t e c h n o l o g y m i c r o w a v e s o u n d e r)是第3441 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 代星载微波大气探测器,与 同平台的C r I S(c r o s s-t r a c k i n f r a r e d s o u n d e r)组成全新的多光谱大气三维探测仪器包。预处理的A TM S/C r I S数据集称为S D R(s e n s o r b r i g h t n e s s t e m p e r a t u r e d a t a r e c o r d)3 5,其中C r I S资料也经过初级通道选择,保留的通道数量远小于C r I S通道总数。G T S广播的卫星红外高光谱探测资料中,I A S I保留5 0 0个通道3 6、A I R S保留3 2 4个通道3 3,C r I S则保留2 3 2个通道3 7。变分同化框架下,一般使用快速辐射传输模式实现从同化变量到卫星观测亮温的正演3 8。卫星在大气层顶接收的晴空上行辐射可以分解为大气上行辐射、地表发射和地表反射的大气下行辐射。当卫星通道探测高度较低时,地表辐射项的贡献较大。但地表温度和地表发射率不是数值天气预报模式的变量,需要在同化前处理中完成计算。根据下垫面类型,地表温度分为洋面温度和陆面温度。对于洋面温度,M e t O f f i c e(M e t e o r o l o g i c a l O f f i c e o f F r a n c e)研发的O S T I A(o p e r a t i o n a l s e a s u r f a c e t e m p e r a t u r e a n d i c e a n a l y s i s)资料集利用卫星、船舶和浮标等探测资料融合生成逐小时洋面温度;NOAA发展的O I S S T(o p t i m u m i n t e r p o l a t i o n s e a s u r f a c e t e m p e r a t u r e)资料集使用与O S T I A相同的资料源进行融合分析,生成0.2 5 网格的逐日全球洋面温度。这两种资料集分别在E CMWF和N C E P的业务同化系统中用于计算下垫面的发射辐射。由于受到像元内多种地表类型、强日变化以及数值天气预报模式在特定地表的巨大误差等因素影响,陆面温度的处理要复杂得多。E C MW F等利用一维变分反演3 9等方法获取与卫星观测匹配的全球陆面温度。近年利用卫星多光谱探测资料反演陆面温度的精度极大提高,综合多种地表类型的陆面温度反演精度为1.55.0 K4 0,使快速辐射传输正演中直接使用卫星反演的陆面温度资料成为可能。地表发射率与地表温度、地表类型密切相关。E CMWF等研发拟线性的I S EM(i n f r a r e d s u r f a c e e m i s s i v i t y m o d e l)用于红外光谱洋面发射率的快速计算,研发的F A S T EM(F A S T m i c r o w a v e e m i s s i v-i t y m o d e l)和T E L S EM 2(t o o l t o e s t i m a t e l a n d s u r-f a c e e m i s s i v i t y f r o m m i c r o w a v e t o s u b m i l l i m e t e r w a v e s)4 1用于计算微波光谱的洋面发射率。陆面的情况同样复杂得多,针对次像元地表覆盖类型,NA S A(N a t i o n a l A e r o n a u t i c s a n d S p a c e A d m i n i s-t r a t i o n)的J P L(j e t p r o p u l s i o n l a b o r a t o r y)等先后完成了月平均C AME L(ME a S UR E s c o m b i n e d A S-T E R a n d MO D I S e m i s s i v i t y o v e r l a n d)查找表,覆盖0 7 5 卫星天顶角,02 0 ms-1地表风速和5 5 0 3 3 0 0 c m-1光谱范围,全球水平分辨率为5 k m。法国国家气象研究中心研发的C N RM是微波光谱的全球地表发射率资料集4 2,水平分辨率为0.2 5,覆盖当前星载微波探测器的全部光谱。此外,次像元地表类型的多样性使得针对单一地表类型的发射率模型难以精确计算像元面积上全部地表类型的加权发射率。针对该类问题,M e t O f f i c e开发了一维变分方法将地表温度与地表发射率同步反演。总体而言,陆面发射率查找表和嵌入同化系统内的地表发射率模型支持了红外和微波光谱低层大气探测通道资料在陆面上的同化4 3,与高精度地表温度共同减小了陆面上空卫星近地面探测通道的正演误差,促进了通道资料的同化应用,使卫星近地面探测通道资料在陆面上空的同化成为当前卫星资料同化技术研究的主要发展方向之一。数值天气预报资料同化的时间窗一般设置为同化时刻前后各3 h。业务中的做法是在最大允许卫星资料滞后时间处(同化时间窗后端与业务同化启动时刻的间隔)设置截断,只同化已接收到的卫星观测资料。2 0 0 5年E UME T S AT处理整轨ATOV S资料的时间滞后为7 h4 4。图1为2 0 2 3年1 2月1 4日1 2:0 0(世界时,下同)中国气象局地球系统数值预报中心的C MA-G F S在6 h同化时间窗内应同化的N O A A-1 9卫星AM S U A的资料覆盖和实际同化的卫星资料覆盖。由图1可以看到,实际同化的卫星资料量比卫星观测量少1条轨道,因此A T O V S资料的时间滞后是影响该资料同化效果的重要因素。2 0 1 4年前D B N e t(D i r e c t B r o a d c a s t N e t w o r k)被称为R A R S(R e g i o n a l A T O V S R e t r a n s m i s s i o n S e r v-i c e),是世界气象组织建立的极轨卫星资料近实时直接广播网络,按区域可分为亚洲转发网络(R A R S)、欧洲卫星观测资料直播系统(E UME T c a s t)等,接收包括NOAA和ME TO P等卫星的观测资料。其广播发布卫星地面站接收的区域ATOV S L 1 C资料,其低于1 h的滞后时效能够满足全球和区域数值天气预报业务对观测资料时效的严格需求4 5。D B N e t541 第2期 马 刚等:数值预报中气象卫星资料同化前处理技术进展 (E UM E T c a s t联 合R A R S)广 播 的A T O V S H R P T(h i g h r e s o l u t i o n p i c t u r e t r a n s m i s s i o n)资料在全天内的拼接几乎覆盖全球表面,是轨道观测资料的重要补充。国际上多个数值预报中心先后在全球和区域数值天气预报的业务和研究中实现D B N e t资料的同化4 6,使ATOV S轨道资料的时效不再是影响数值天气预报水平的瓶颈。综上所述,ATOV S资料同化前处理技术的发展首先将不同等级的ATOV S预处理资料统一处理成L 1 C资料,对于红外高光谱资料还需进行初级通道选择。随着L 1 C资料的同化,曾经集成在L 1 D资料的生产过程中,对ATOV S资料的大部分预质量控制被转移到同化框架进行。在变分同化框架下实现地表温度和地表发射率查找表的实时计算是影响陆面上空卫星近地面通道资料同化的关键因素。业务计算资源的限制使卫星实际观测资料量和同化资料量间存在较大差异,利用D B N e t等渠道获取高时效卫星资料,可以很好地补充由于观测时刻截断造成的资料缺失,以便进一步提高ATOV S资料同化的正贡献。图1 2 0 2 3年1 2月1 4日1 2:0 0 CMA-G F S在6 h时间窗内应该同化的NOAA-1 9 AM S UA通道1的资料覆盖(a)和实际同化的卫星资料覆盖(b)F i g.1 M e a s u r e m e n t s t o C h a n n e l 1 o f NOAA-1 9 AM S UA s u p p o s e d t o b e a s s i m i l a t e d(a)a n d m u l t i-s a t e l l i t e s m e a s u r e m e n t s a c t u a l l y a s s i m i l a t e d(b)w i t h i n 6-h o u r a s s i m i l a t i o n t i m e w i n d o w a t 1 2 0 0 UT C 1 4 D e c 2 0 2 32 国内A T OV S资料同化前处理技术进展国家卫星气象中心在佳木斯、广州和乌鲁木齐地面站使用单一天线接收ATOV S HR P T资料,利用AA P P(ATOV S a n d AVHR R p r e-p r o c e s s i n g p a c k a g e)软件包处理ATOV S L 1数据,并对L 1 B资料和L 1 D资料存档。图2为2 0 2 3年1 2月1 7日641 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 0 6:0 0对应6 h同化时间窗内佳木斯、广州和乌鲁木齐3个HR P T站拼接的S N P P ATM S的观测亮温覆盖。中国气象局在建立全球A T O V S接收处理业务系统以前,将3个地面站接收的L 1 D资料进行拼接,2 0 0 4年国家气象中心在全球三维变分同化系统中开始A T O V S亮温资料的同化试验。图3为2 0 2 3年1 2月1 7日0 6:0 0对应的6 h同化时间窗内N O A A-1 8、N O A A-1 9、M E T O P-A和M E T O P-C A S-MU A 以及N O A A-2 0 A TM S拼接的全球无缝覆盖的观测亮温。与图3相比,图2由3个站拼接的两颗卫星ATOV S资料覆盖远低于同时间段内整轨观测资料分布,试验结果也表明同化少数HR P T站拼接的ATOV S资料难以对全球数值天气预报产生足够的正贡献。图2 2 0 2 3年1 2月1 7日0 6:0 0对应6 h同化时间窗内佳木斯、广州和乌鲁木齐3个HR P T站接力拼接的S N P P A TM S通道1的观测亮温覆盖F i g.2 R e l a y s t i t c h e d m o s a i c b r i g h t n e s s t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s t o C h a n n e l 1 o f S N P P A TM S f r o m HR P T s t a t i o n s o f J i a m u s i,G u a n g z h o u a n d U r u m q i w i t h i n 6-h o u r a s s i m i l a t i o n t i m e w i n d o w a t 0 6 0 0 UT C 1 7 D e c 2 0 2 3图3 2 0 2 3年1 2月1 7日0 6:0 0对应6 h同化时间窗内NOAA-1 8、NOAA-1 9、ME T O P-A、ME T O P-C AM S UA和NOAA-2 0 A TM S通道1的观测亮温覆盖F i g.3 R e l a y s t i t c h e d m o s a i c b r i g h t n e s s t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s t o C h a n n e l 1 o f AM S UA o f NOAA-1 8,NOAA-1 9,ME TO P-A,ME TO P-C a n d A TM S o f NOAA-2 0 g l o b a l m u l t i-s a t e l l i t e o r b i t a l m e a s u r e m e n t s w i t h i n 6-h o u r a s s i m i l a t i o n t i m e w i n d o w a t 0 6 0 0 UT C 1 7 D e c 2 0 2 3741 第2期 马 刚等:数值预报中气象卫星资料同化前处理技术进展 目前中国气象局一直保留多条业务化的A T O-V S资料收集渠道,包括二进制、B u f r等文件格式的L 1 B和L 1 C资料。表1为中国气象局多渠道获取的ATOV S资料,包括来自NOAA、NA S A和E U-ME T S AT的全部业务极轨气象卫星。因此,中国气象局在发展卫星资料同化前处理时,首先要将多渠道获取的多种文件格式的卫星资料处理为统一格式的ATOV S资料同化前处理资料集。自2 0 0 5年 国 家 卫 星 气 象 中 心 发 展 的 自 主ATOV S资料同化前处理系统以来,不论是基于L 1 B资料还是L 1 C资料,均匹配了高分辨率海陆掩码和地表高程(空间分辨率为1/2 0)等信息,不仅有助于同化中基于像元地表类型的资料筛选4 3,对卫星通道亮温正演中2 1,3 8,4 7利用地表高程对积分的通道透过率的截断以及精确区分像元的海陆边界也 有贡献。截止2 0 2 2年,国家卫星气象中心发展的表1 2 0 1 9年中国气象局获取的A T O V S轨道和H R P T观测资料T a b l e 1 A T O V S o r b i t a l a n d H R P T m e a s u r e m e n t s o b t a i n e d i n CMA i n 2 0 0 9来源覆盖范围滞后时效/h卫星搭载仪器资料类型起始获取年份N E S D I S(G T S)全球39NOAA 1 5-1 9、AQUAAM S U、MH S、A I R SL 1 B2 0 0 4E UME T S A T(G T S)全球37NOAA 1 5-1 7AM S U、MH S、H I R SL 1 B2 0 0 7E UME T S A T(G T S)全球37NOAA 1 5-2 1、S N P P、ME TO P 2-A-CAM S U、MH S、H I R S、C r I S、A TM S、I A S IL 1 C2 0 0 9E UME T C A S T(卫星转发)全球37NOAA 1 5-2 1、S N P P、ME T O P A-C、AQUAAM S U、MH S、I A S I、C r I S、A TM S、A I R SL 1 C2 0 0 9E UME T C A S T(卫星转发)北半球12NOAA 1 5-2 1、S N P P、ME T O P A/B/C、AQUAAM S U、MH S、I A S I、C r I S、A TM S、A I R SL 1 C2 0 0 7R A R S(G T S的HR P T站)全球大部分地区1.5NOAA 1 5-2 1、S N P P、ME T O P A-C、AQUAAM S U、MH S、I A S I、C r I S、A TM S、A I R SL 1 C2 0 0 5D B n e t(G T S的5 0多个HR P T站)全球12NOAA 1 5-2 1、S N P P、ME T O P A-C、AQUAAM S U、MH S、I A S I、C r I S、A TM S、A I R SL 1 C2 0 1 6N S MC东亚0.5NOAA 1 5-1 9、S N P P、AQUAAM S U、MH S、A TM S源包1 9 9 9ATOV S资料同化前处理系统已覆盖中国气象局接收的1 1颗NOAA和ME TO P卫星的ATOV S资料处理,以及6颗AQUA、NOAA和ME TO P等卫星的红外高光谱资料处理。整轨卫星资料从轨道起始时刻到地面处理成L 1资料的滞后时效约为2.5 h。B u f r格式的A T O V S资料是将几条扫描线资料打包为1个或多个小数据文件(高光谱资料是将每个像元的若干个通道资料打包),使用时再合成整轨观测资料。由此可知,B u f r格式更适合网络传输且使用灵活,但要求用户具备较充足的卫星探测相关知识。一般而言,每颗卫星每日的AM S U-A B u f r格式资料量约为1万份,C r I S的B u f r格式资料量约为1 0 0万份。在B u f r格式A T O V S资料的同化前处理中,国家气象信息中心每1 0 m i n在指定路径搜索ATOV S资料是否更新,并将1条轨道收集到的所有B u f r格式资料合成,对高纬度资料的去重复和稀疏化,最终合成6 h的卫星同化前处理数据集。通过在第2代T 6 3 9耦合G S I(g r i d p o i n t s t a t i s t i c a l i n t e r p o l a t i o n)、第3代G R A P E S 3 D VA R和第4代CMA-G F S 4 D V a r全球数值天气预报业务系统中建立卫星观测资料接口,可有效保证ATOV S资料在中国气象局全球数值天气预报业务系统中的应用1 8,4 8。早期中国气象局全球数值天气预报业务系统仅同化洋面上空的ATOV S资料,采用F A S T EM模式计算洋面发射率,洋面温度使用O I S S T资料。随着陆面上空低层大气探测通道同化技术的发展,中国气象局再分析4 9陆面温度和地表发射率也逐渐应用于CMA-G F S的陆面上空ATOV S近地面探测资料同化4 3。当前中国气象局接收ATOV S轨道资料的最短滞后时效与E UME T S AT相同,但最长滞后时效为9 h,而且CMA-G F S的业务也存在B u f r格式的ATOV S资料收集不完整的情况,即实时卫星资料分布无法完全满足数值天气预报同化业务的需求。因此,有效利用D B N e t的ATOV S资料是中国气象局全球数值天气预报业务进一步提高ATOV S资料正贡献的重要途径之一。同化HR P T拼接资料以解决轨道观测资料时效性不足的经验表明:少量HR P T资料拼接覆盖十分有限,无法对全球数值天气预报的水平提升产生841 应 用 气 象 学 报 第3 5卷 正贡献。由于缺少足够多的自主气象卫星资料,2 0 0 8年以前中国气象局只能通过多种渠道收集各种ATOV S资料,面对至少7种渠道获取1 0颗极轨卫星、2 2台探测器和1 2种格式的资料,将ATOV S资料处理成同化前处理数据集是业务同化上述卫星资料的最佳途径。针对国内缺少高质量地表温度和地表发射率等参数的问题,除了使用国外成熟资料集外,中国气象局地球系统数值预报中心还自主研发了像元地表发射率的实时计算方法以支撑卫星近地面通道资料在陆面上空的同化4 3。此外,A T O V S资料的时间滞后与数值天气预报业务中观测资料时间截断的矛盾也存在于中国气象局全球数值天气预报业务5 0。目前国家气象信息中心已实现D B N e t的ATOV S资料的业务获取,有效利用同化前处理实现ATOV S资料与HR P T资料的拼接、误差统计等,这是进一步提高ATOV S资料业务同化影响的重要途径。3 风云卫星资料同化前处理技术发展现状风云三号(F Y-3)是我国自主研发的第1代具备全球三维大气探测能力的业务极轨气