晨昏轨道微波温度计资料同化对降水定量预报的影响及其对三轨卫星系统的意义

邹晓蕾秦正坤翁富忠

1马里兰大学地球系统多学科合作研究中心，美国College Park 207402南京信息工程大学大气科学学院，南京2100443美国国家海洋大气管理局卫星研究和应用中心，美国College Park 20740



晨昏轨道微波温度计资料同化对降水定量预报的影响及其对三轨卫星系统的意义

邹晓蕾1秦正坤2翁富忠3

1马里兰大学地球系统多学科合作研究中心，美国College Park 20740
2南京信息工程大学大气科学学院，南京210044
3美国国家海洋大气管理局卫星研究和应用中心，美国College Park 20740

摘 要极轨卫星的高级微波温度计（Advanced Microwave Sounding Unit-A，简称AMSU-A）辐射资料对提高降水定量预报的水平有重要作用。但是极轨卫星的轨道特征导致乘载其上的微波温度计资料在区域同化系统中存在严重缺测。本研究重点分析了晨昏轨道卫星上微波温度计资料同化对墨西哥湾沿岸定量降水预报的重要影响。研究选取了早晨星NOAA-15、上午星MetOp-A和下午星NOAA-18，利用美国NCEP（National Centers for Environmental Prediction）的业务同化系GSI（Gridpoint Statistical Interpolation）资料同化系统，进行了加和不加NOAA-15 AMSU-A资料的两组资料同化和预报试验，来阐明晨昏轨道卫星上微波温度计资料同化对墨西哥湾沿岸降水预报的重要影响。试验结果分析表明如果仅同化NOAA-18和MetOp-A资料，在协调世界时00:00和12:00的同化时间，在墨西哥湾和美国西部大陆就是卫星观测资料缺测区，而早晨星NOAA-15资料正好可以填补这个资料空缺。模式预报也表明，同化NOAA-15的AMSU-A资料可以对墨西哥湾降水有持续的正影响。这一研究证明了保持有搭载着AMSU-A或者相似仪器的早晨星，对区域降水预报的重要性。由于目前NOAA-15是唯一的一颗正在运行的、已远超过其正常运行期的早晨星，通过技术手段维持NOAA-15的AMSU-A仪器更超长期运行也就特别重要。

关键词资料同化 晨昏轨道 极轨卫星 降水预报

资助项目 江苏省自然科学基金项目BK2011039，国家自然科学基金项目41475103

Found by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (Grant BK2011039), National Natural Science Foundation of China (Grant 41475103)

Impact of Dawn–Dusk Satellite AMSU-A Data on Quantitative Precipitation Forecasts and the Implications for Three-Orbit Constellation

ZOU Xiaolei1, QIN Zhengkun2, and WENG Fuzhong3

1 Earth System Science Interdisciplinary Center, University of Maryland, College Park 20740, USA
2 College of Atmospheric Science, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044
3 National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Center for Satellite Applications and Research, College Park 20740, USA

Abstract This study demonstrates the importance of an early morning orbit satellite for improved coastal quantitative precipitation forecasts (QPFs) near the Gulf of Mexico. The Advanced Microwave Sounding Unit-A (AMSU-A) radiance observations from the early morning satellite NOAA-15, the mid-morning satellite MetOp-A, and the afternoon satellite NOAA-18, are assimilated using the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) Gridpoint StatisticalInterpolation (GSI). For the Gulf coast precipitation case selected in this study, two pairs of data assimilation and forecasting experiments are carried out to compare the differences in QPFs with and without assimilating AMSU-A data from NOAA-15. It is shown that the two orbits provided by NOAA-18 and MetOp-A render both the Gulf of Mexico and the western continent of the United States as two data-void areas at 0000 UTC and 1200 UTC. The NOAA-15 orbit fills these data gaps. Adding NOAA-15 AMSU-A data into GSI data assimilation results in a consistently positive impact on the QPFs near the Gulf coast. It is thus suggested to have a continual availability of an early morning orbiting satellite with an AMSU-A or AMSU-A-like instrument onboard. A partial solution would be a sustained effort to maintain the NOAA-15 AMSU-A for longer-lived operation.

Keywords Data assimilation, Dawn–dusk orbit, Polar orbit satellite, quantitative precipitation forecast

1 引言

极轨卫星微波温度计资料同化一直是数值天气预报改进的重要方法之一。自从1978年美国的电视和红外辐射观测卫星TIROS-N（Television and InfraRed Observation Satellite）发射以来，国际上发射了一系列搭载微波温度计的极轨气象卫星。在1978～2004年的气象卫星发展早期，搭载在8个NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）系列极轨卫星（NOAA-6、NOAA-7、NOAA-8、NOAA-9、NOAA-10、NOAA-11、NOAA-12和NOAA-14）上的微波温度探测计（Microwave Sounding Unit，简称MSU）只有4个大气温度廓线探测通道。从1998年开始，AMSU-A （Advanced Microwave Sounding Unit-A）开始替代MSU，搭载在相继发射的5个NOAA系列气象卫星（NOAA-15、NOAA-16、NOAA-17、NOAA-18 和NOAA-19）和两个EUMESAT（European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites）卫星（Meteorological Operational Satellite Program of Europe-A/B，简称MetOp-A和MetOp-B）。AMSU-A比MSU多11个通道，其中AMSU-A的通道3、5、7和9与MSU的4个通道频率相似。AMSU-A另外还包括了3个窗区通道，通道1、2和15，其中心频率分别位于23.8、31.4和89 GHz。窗区通道主要用于探测云和地表参数。额外增加的8个中高层通道也使得AMSU-A能够更好的探测对流层和平流层的大气温度廓线特征。

每个极轨卫星都是沿太阳同步轨道运行，在800 km左右的高度围绕地球旋转，所以极轨卫星能够提供一天两次卫星局地越赤道时刻的全球辐射观测资料。一次全球资料一般由14个轨道资料组成，每个轨道资料耗时约为100 min。每个轨道有固定的局地越赤道时间，降轨越赤道时间为09:30（当地时间）左右的卫星称为上午星，例如NOAA-17、MetOp-A和MetOp-B等，升轨越赤道时间为下午01:30（当地时间）左右的卫星称为下午星，比如TIROS-N、NOAA-7、NOAA-9、NOAA-11、NOAA-14、NOAA-16、NOAA-18和NOAA-19，晨昏轨道极轨卫星称为早晨星，主要有NOAA-6、NOAA-8、NOAA-10、NOAA-12、NOAA-15，其降轨越赤道时间一般为当地时间05:30或者07:30。利用早晨星、上午星和下午星的共同观测，极轨气象卫星能够以4 h间隔提供一天6次全球大气温度廓线观测资料。但是目前NOAA-15极轨卫星已经是唯一的早晨轨道极轨卫星，而且超长时间运行了15年以上，远远超过了卫星的设计寿命。搭载在NOAA-15上的AMSU-A仪器，除了通道11和14之外，大部分通道仍然保持了良好的业务运行状态。除了NOAA-15之外，还有两个上午星MetOp-A和MetOp-B，和两个下午星NOAA-18和NOAA-19能够为多个国家业务资料同化系统提供AMSU-A观测资料。

AMSU-A辐射资料同化多是利用三维变分或者四维变分资料同化系统进行。变分系统中辐射资料的有效同化主要是得益于快速辐射传输模式（the fast Radiative Transfer Model，简称RTM）的开发。基于给定的大气状态模拟廓线，RTM可以准确模拟出AMSU-A仪器各个观测频率的辐射量（McMillin and Fleming, 1976; Saunders et al., 1999, 2007; Weng, 2007）。同化通过调整大气模式模拟的大气廓线，并作为RTM模式输入量进行模拟，从而使得RTM模拟的辐射量与观测更为接近。这里的“接近”指的是观测和模拟之间有最大相似度或误差协方差最小。自从同化了极轨气象卫星的微波温度计辐射资料后，全球数值天气预报水平得到了快速稳定的提高（Eyre et al., 1993; Andersson et al., 1994）。早在20世纪90年代，美国的数值天气预报中心NCEP （National Centers for Environmental Prediction）和欧洲短期天气预报中心ECMWF（European Center of Medium-Range Weather Forecasts）就实现了业务天气预报中同化TIROS（Television Infrared Observation Satellite Program）的业务垂直探测计TOVS（Operational Vertical Sounder）的辐射资料，并显著提高了全球数值天气预报的业务水平。

卫星资料同化对全球数值预报的提高效果得到了普遍认可，其中主要原因之一就是因为卫星资料的高空间覆盖率，尤其是能够对海洋和高山地区等常规观测资料缺乏的地区提供遥感观测资料。然而，单颗极轨卫星一天只能够覆盖地球两次，而业务全球资料同化系统常规需要每天至少进行四次同化（00:00、06:00、12:00和18:00，协调世界时），所以为了提高全球观测资料的时间频率， 在有上午星和下午星的基础上，增加早晨星，能够为全球资料同化系统提供以4 h间隔的一天6次的全球大气温度和水汽廓线观测资料。三轨卫星的任何一颗星缺测就会造成全球资料同化系统中观测资料的缺失。极轨卫星资料覆盖率的影响在区域模式的资料同化中更为明显。比如在6 h的同化窗口内，由于上午星和下午星在美国南部和东部海岸存在资料空白区，这就容易导致对流天气系统上游条件不能被很好的观测，进而减弱了资料同化对区域短期（24～36 h）定量降水预报的改进效果。由于国际上业务同化普遍使用的三种轨道极轨气象卫星中的早晨星仅剩下一颗超期服役的NOAA-15卫星，为了进一步明确早晨星的重要性，本研究以区域天气预报为例，评估了同时同化早晨星、上午星和下午星的AMSU-A观测资料和仅同化上午星和下午星AMSU-A资料对美国墨西哥湾沿岸降水定量预报的影响。研究利用NCEP的业务资料同化系统GSI同化系统（Wu et al., 2002; Purser et al., 2003a, 2003b）进行，定量降水预报QPFs（Quantitative Precipitation Forecasts）是基于WRF-ARW（the Advanced Research WRF）模式。

文章的结构如下：第二节描述了AMSU-A观测资料的主要特征，第三节简单介绍了WRF-ARW模式和GSI资料同化系统，并描述了试验设计方法，第四节则是介绍了同化系统中的质量控制方法、偏差订正方法，还细致比较了同化前（O-B）和同化后（O-A）的AMSU-A观测亮温和模拟亮温之间差值变化特征，第五节主要分析了同化NOAA-15的AMSU-A辐射资料对墨西哥湾沿岸降水预报的影响特征，主要是证明了NOAA-15的AMSU-A资料同化对NOAA-18、MetOp-A卫星资料和常规资料的附加效果，第六节是总结和讨论。

2 试验设计

2.1 资料同化系统和预报模式

NCEP的业务资料同化系统GSI同化系统是一个三维变分同化系统（Wu et al., 2002; Purser et al., 2003a, 2003b）。通过引入递归滤波方法，GSI系统建立了格点上的背景误差协方差，具有适应实际情况、各项异性且非均一的特征，对中尺度数据同化和预报尤其重要，因为对于中尺度系统，无论是大气状态特征，还是观测数据的密度和质量都存在显著的空间非均一性。GSI系统的用户指南提供了关于系统安装、编译和运行的详细信息。目前GSI资料同化系统已经成功的移植到南京信息工程大学资料同化研究与应用中心的Linux平台大型计算机中，所有的同化和预报试验结果都是依赖于该计算系统。

GSI同化系统整合了通用辐射传输模式CRTM （the Community Radiative Transfer Model）（Weng, 2007; Han et al., 2007）。该模式在晴空条件下能够准确模拟AMSU-A的所有通道辐射亮温。但是在有云情况下模式的模拟能力还存在一定的不足，所以GSI系统主要同化晴空条件下的AMSU-A资料。晴空条件下辐射资料的模拟需要大气温度廓线和水汽廓线，以及一些地表参数（比如地表温度和表面风速等），另外还有卫星观测资料的几何参数（比如方位角、天顶角、大气透过率等）。CRTM的Jacobian模块也被包含在GSI同化系统中，从而能够有效的计算模拟亮温的梯度变化信息，实现卫星辐射资料的快速同化。

研究所用的WRF-ARW模式为3.0版本。模式水平分辨率为10 km，垂直为50层，模式层顶设在10 hPa，模拟区域的格点数为250×200×27。模式的初始条件和边界条件都是来自于美国NCEP的1°×1°业务全球分析资料FNL（Final）。WRF模式选用了单通量三级微物理过程（Hong and Lim, 2006），Kain-Fritsch积云参数化方案（Kain and Fritsch, 1990; 1993; 2004）以及Yonsei 行星边界层算法（Hong and Dudhia, 2003）。

2.2 试验方案设计

图1给出了1998～2014年NOAA-15、NOAA-18、NOAA-19和MetOp-A卫星的升轨和降轨的LECT（Local Equatorial Crossing Time）时间。从LECT时间的比较中可以看到，NOAA-15、MetOp-A 和NOAA-18这三颗卫星就可以组成很好的早晨星、上午星和下午星的极轨卫星观测系统。在2008年，它们的越赤道时间分别为当地时间的早晨05:00、上午09:30和下午02:00，三轨极轨卫星观测的高覆盖率对于中尺度区域短期天气预报尤其重要。研究中为了避免区域天气预报受到模式侧边界条件的影响，所以同化的循环时间设为6 h间隔，而且同化次数不超过3次。

数值试验的设计主要是为了更好的评估NOAA-15卫星的AMSU-A辐射资料同化对美国墨西哥湾24 h沿岸降水预报的附加改进效果。研究设计了4个数值试验，试验方案见表1。在第一个试验即控制试验中（CTRL），常规资料和NOAA-18 和MetOp-A的AMSU-A资料分别在协调世界时2008年5月22日的12:00、18:00和23日的00:00进行同化。第二个试验（EXP1）是在控制试验的基础上增加了NOAA-15的AMSU-A资料。为了进一步明确AMSU-A资料同化影响的主要来源，我们还设计了另外两个试验分析AMSU-A窗区通道的影响。第三个试验（EXP2）与第二个试验同化同样种类的观测资料，但是AMSU-A的窗区通道1和2在陆地上资料被剔除，在EXP3试验中，AMSU-A窗区通道1和2的陆地和海洋资料同时被剔除。

表1 试验设计方案Table 1 Experiment design

3 AMSU-A资料简介

图1 1998～2014年极轨卫星升轨（实线）和降轨（虚线）局地越赤道时间（红色为NOAA-15，蓝色为NOAA-18，绿色为NOAA-19，桔黄色为MetOp-A）Fig. 1 Local equator crossing time (LECT) of polar orbit satellites NOAA-15 (red), NOAA-18 (blue), NOAA-19 (green) and, MetOp-A (orange) at the ascending node (solid) and descending node (dashed) from 1998 to 2014

图2 AMSU-A仪器1至15通道在美国标准大气条件下的权重函数垂直分布图[灰色横线为WRF-ARW（Advanced Research WRF）的模式层随高度分布情况]Fig. 2 Weighting functions for AMSU-A channels 1–15 overlapped onto the WRF-ARW (Advanced Research WRF) model levels (gray horizontal line)

AMSU-A仪器可以测量微波频段在氧气吸收带的辐射量，所以该仪器主要用于提供除了强降水天气条件之外的近乎全天气条件的大气温度廓线信息。AMSU-A是一种交轨微波探测仪，它的探测角度是在以星下点为中心的±48.7°以内。该仪器有15个探测通道，频率范围是在23.8～89.0 GHz之间。仪器的瞬时视场（Field-of-View，简称FOV）为3.3°，在星下点两侧分别有15个相邻的视场，每条扫描线共30个FOV。大气的温度廓线信息主要来自位于50～60 GHz的通道3～14的观测信息，随着通道从3～14的逐渐增加，观测高度逐渐增高，AMSU-A最高可以观测到地球以上大约42 km高度（大约2 hPa）大气温度信息。通道1、2和15主要用于获得地表信息和云的特征。AMSU-A资料星下点处的空间分辨率约为48 km，随着扫描角的增加，其分辨率以二次方的速度逐渐加粗，在沿轨道方向，最大扫描角（第1个FOV和第30个FOV）的视场覆盖范围可以比星下点视场大2倍，在交轨方向则会大到3倍以上。

图2给出了AMSU-A的15个通道权重函数垂直分布图，其上叠加的横线为WRF-ARW模式的50个sigma层次分布特征，模式层顶为10 hPa。从图2中可以看出，12个AMSU-A温度探测通道均匀的分布在整个地球大气层。WRF-ARW模式层次设置主要是为了保证温度探测通道4-9的有效同化和用于质量控制的通道1和2的合理应用，从而保证那些对于天气尺度和中尺度天气系统最重要的温度扰动能够得到有效的观测。

在GSI资料同化系统中，AMSU-A资料的质量控制主要是依赖于AMSU-A通道1和2的观测和模拟亮温进行的。其他通道的观测和模拟亮温偏差（O-B）以及通道1～3的O-B与地表发射率的比值也是质量控制的因子。关于质量控制更详细的描述请见Zou et al.（2013）。

4 数值试验

利用三维变分同化系统进行的同化试验一般是取6 h的同化时间窗，分别在协调世界时00:00、06:00、12:00和18:00时刻同化常规资料和卫星资料。对于极轨卫星而言，卫星资料出现的当地时间是几乎固定。所以对于中尺度的区域数值预报而言，是否有极轨卫星资料主要取决于卫星的LECT和模式区域的时区之间的对应关系。图3给出了AMSU-A资料的空间覆盖率随时间变化特征。图中分别给出了2008年5月22日协调世界时00:00、06:00、12:00和18:00时刻±3h内的AMSU-A资料空间覆盖情况。其中NOAA-18为下午星（当地时间14:00），MetOp-A为上午星（当地时间09:30），NOAA-15则是早晨星（当地时间07:00）。从图3可以看出，NOAA-18和MetOp-A在06:00（协调世界时，下同）和18:00对美国有很好的覆盖率，但是在00:00和12:00，这两颗卫星在美国的中部和墨西哥湾几乎没有观测。早晨星NOAA-15的观测资料则能够很好的填补上午星和下午星的这段资料空白，这就可以保证那些影响墨西哥湾和东海岸降水的上游天气系统能够得到有效的观测。

图4 试验EXP1中2008年5月22日12:00（协调世界时）时刻NOAA-15卫星AMSU-A资料1到10以及15通道同化前（O-B，左列）和同化后（O-A，右列）观测和模拟亮温偏差的空间分布特征（黑色点线表示没有通过质量控制的观测资料）Fig. 4 Differences between observations and background fields (O-B, left panels), and between observations and analysis fields (O-A, right panels) for NOAA-15 AMSU-A channels 1–10 and channel 15 data assimilated at 1200 UTC 22 May 2008 from expt EXP1. AMSU-A data points not assimilated are indicated by black dots

图4 （续）Fig. 4 (Continued)

图4 （续）Fig. 4 (Continued)

为了评估AMSU-A资料同化影响，我们首先分析观测和模拟亮温偏差在同化前（O-B）和同化后（O-A）的改变情况。图4给出了EXP1的NOAA-15卫星的AMSU-A通道1～10在2008年5 月22日12:00时刻的O-B和O-A的空间分布特征。并不是所有的资料都能够进入同化系统，图4中的黑色点是被剔除的观测资料。图4左列为O-B，可以看出多个通道的O-B可以超出±0.5K的范围，但是同化后，绝大部分的O-A（右列）都可以减小到±0.2 K的范围。

图5 试验EXP1中2008年5月22日12:00时刻NOAA-15卫星AMSU-A资料1～10以及15通道亮温O-B（虚线）和O-A（实线）平均值随视场的变化曲线Fig. 5 Means varying with FOV (Field-of-View) for the O-B (dashed) and O-A (solid) brightness temperature differences of NOAA-15 AMSU-A channels 1–10 and 15 at 1200 UTC 22 May 2008 from expt EXP1

O-B和O-A的均值和标准差分别表示在图5和图6，通道1～3和通道15的O-B均值最高可以达到±2 K的范围，但是O-A则基本可以控制的±0.5 K以内，通道4～19的O-B均值则是表现出明显的负偏差，通道9的负偏差接近－0.8 K，这些通道同化后的O-A均值均接近±0.2 K，而且没有明显的负偏差和正偏差特征，相应的标准差经过同化后也得到了显著的降低。另外均值和标准差随FOV的变化幅度也得到了明显的减弱。

图7给出了试验CTRL和EXP1在200、500 和850 hPa的大气温度分析增量的空间分布情况。CRTL和EXP1在200 hPa的温度分析增量表现出反向变化的现象，CRTL试验的温度分析增量主要为正值，只是在模式的北部有小部分区域表现为负增量，但是EXP1的温度分析增量则主要是负值，只是在中部陆地地区略有一小块弱的正值，EXP1的负增量在海洋上空尤其明显。对于500和850 hPa高度，平均而言，EXP1的分析增量在24°N以北区域要比CTRL冷，但是在其南部则是比CTRL要暖。图8则是给出了两个试验在500和850 hPa高度相对湿度增量的空间分布，可以看出在同化了NOAA-15的AMSU-A资料后，对流层低层的湿度增加，两个试验的相对湿度增量最大可以达到20%。在对流层中层，EXP1的墨西哥湾中部大气的湿度也是增加，这就有助于沿岸对流系统的水汽输送。

图9给出了EXP1试验中对流系统发生、发展的大尺度环境场，包括每3h的500 hPa高度场，风矢量场和风速特征，时间是2008年5月23日00:00～21:00。在5月23日00:00时刻，在墨西哥湾92°W附近的500 hPa高度，有一个明显的高空槽形成，在随后的15 h内，槽逐渐东移，同时有加深并向南扩展的现象，在09:00和12:00，槽发展到最鼎盛时期，同时也伴随着最大的对流性降水现象。

图10给出了观测和模拟的2008年5月23日06:00～09:00时段内的墨西哥湾沿岸3 h累积降水空间分布结构。图10a为NCEP多普勒雷达资料反演得到的降水分布，图10b和c则分别给出了CTRL 和EXP1的模拟降水空间特征。可以看出CTRL的降水落区出现了明显的偏差，EXP1则能够成功的模拟观测降水的大值区。从降水的时间演变图（图略）还可以看出EXP1可以很好的模拟降水区逐渐东移的现象，但是EXP1的3 h降水量比观测偏大。图11展示了3 h累积降水传统TS（Threat Score）评分随时间变化情况。传统TS评分的定义（Anthes et al., 1989 ）为：TS＝H/(F＋O－H)，这里的F为预报的观测站降水超过临界值的站数，O是表示观测降水超过临界值的站数，H是预报降水和观测降水同时超过临界值的站数。TS评分主要表现了模式对给定降水临界值的预报准确程度。为了进一步明确模式无雨区对降水评分的影响，我们分别给出了整个模式区域和沿岸降水区[见图10a中的框区，（28°～32°N，83°～92°W）]的TS评分结果。从TS评分的直方图中可以清楚看到EXP1的评分明显高于CTRL。同化NOAA-15卫星AMSU-A资料的最大正影响出现在06:00～18:00时间，这个时段的对流系统最为活跃。控制试验CTRL对于临界值大于5 mm的降水预报技巧明显低于1 mm以下的降水，但是EXP1的小雨和大雨的预报技巧则是相当的。

图6 同图5，但为标准差随视场的变化曲线Fig. 6 As in Fig. 5, but for the standard deviation

图7 试验CTRL（左列）和EXP1（右列）在2008年5月22日12:00 时刻（a、b）200 hPa、（c、d）500 hPa和（e、f）850 hPa高度的温度分析增量（单位：°C）空间分布Fig. 7 Analysis increments of temperature (color scale; units: °C) at (a, b) 200 hPa, (c, d) 500 hPa and (e, f) 850 hPa at 1200 UTC 22 May 2008 from expts CTRL1 (left column) and EXP1 (right column)

图8 2008年5月22日12:00 时刻试验EXP1和CTRL的相对湿度分析增量差值（EXP1减去CTRL）的空间分布图：（a）500 hPa；（b）850 hPaFig. 8 Analysis difference of the atmospheric relative humidity between EXP1 and CTRL1 (EXP1 minus CTRL1) at (a) 500 hPa and (b) 850 hPa at 1200 UTC 22 May 2008

图10 2008年5月23日06:00～09:00的3 h累积降水（单位：mm）空间分布：（a）NCEP观测；（b）试验CTRL模拟；（c）试验EXP1模拟Fig. 10 Accumulative rainfall (units: mm) during 0600–0900 UTC 23 May 2008 from (a) NCEP observations, model forecasts (b) without and (c) with NOAA-15 data

图11 试验CTRL和EXP1在2008年5月23日模拟的3h累积降水的TS（Threat Score）评分随时间变化直方图。TS评分计算中设定的临界值分别为1、5、10和15 mm。图中CRTLs和EXP1s代表TS评分的检验区域为沿岸区域，即图10a中的长方形框区Fig. 11 Threat scores of 3-h accumulative rainfall during 0000 UTC–2400 UTC 23 May 2008 from CTRL1 and EXP1 in the model domain (gray and cyan bars) and the small coastal area indicated in Fig. 10a (red and blue bars) at thresholds 1, 5, 10 and 15 mm

图12 试验EXP3（左列）和EXP1（右列）在2008年5月22日12:00时刻925 hPa高度的温度分析场和对应的分析增量：（a、b）温度分析场；（c、d）温度分析增量。单位：KFig. 12 (a, b) Temperature analysis fields (units: K) and (c, d) analysis increments (units: K) at 925 hPa at 1200 UTC 22 May 2008 in EXP3 (left panels) and EXP1 (right panels)

敏感性试验研究表明AMSU-A的两个窗区通道资料的同化对沿岸定量降水预报改进有重要的作用。图12展示了EXP1和EXP3在925 hPa的大气温度分析场和分析增量，比较结果表明当两个AMSU-A窗区通道在海洋和陆地上的资料被剔除后，墨西哥湾东部的温度增量明显减小，同化窗区通道资料可以使得对流发展地区的温度和水汽增加，从而更有助于对流活动的发生和发展。EXP3 的3 h累积降水的TS评分也明显低于EXP1（图13）。相比而言，EXP2的TS评分结果则是和EXP1的结果比较相似，只是在15 mm以上的大雨区，EXP2的TS评分结果比EXP1要低从TS评分结果上来看，大部分窗区通道的正影响是来自于海洋地区的资料，陆地地区的窗区资料主要对15 mm以上的降水预报有一定的正影响。

5 结论与讨论

本文简单地评估了早晨星轨道的极轨卫星AMSU-A资料同化对墨西哥湾沿岸降水预报的影响。研究表明在GSI资料同化系统中同化了早晨星NOAA-15的AMSU-A辐射资料，可以明显改善WRF-ARW模式对墨西哥湾24 h沿岸降水预报技巧，也进一步证明了极轨卫星的三轨卫星观测系统对于区域降水预报改进的重要作用。现有的极轨卫星AMSU-A：资料包括NOAA-15、NOAA-18、 NOAA-19、MetOp-A和MetOp-B，都已经成为多个国家业务预报中心常规同化的卫星资料，这些卫星的资料也随时可以从美国的JPSS（Joint Polar Satellite System）资料中心下载，所以极轨卫星AMSU-A资料同化对今后数值预报业务和研究的影响也会与日俱增，这也使得如何配置极轨卫星系统显得尤为重要。本研究初步证明了极轨卫星三轨观测系统维持的重要性，而早晨星的超期服役问题正是维持三轨观测系统所面临的主要问题，不间断的发射这一类搭载了AMSU-A的早晨星对于维持全球极轨卫星三轨观测系统是值得考虑的方法。由于目前NOAA-15是唯一的一颗正在运行的、已远超过其正常运行期的早晨星，通过技术手段维持NOAA-15的AMSU-A超长期运行也是解决方法之一。

图13 同图11，但 为试验EXP1、EXP2和EXP3的TS评分直方图Fig. 13 Same as Fig. 11, but for EXP1, EXP2 and EXP3

本文的研究结果是对早期基于ECMWF的数值天气预报系统研究结果（Kelly, 2002；13th ITSC）的很好补充，早期研究结果表明NOAA-15、NOAA-16和NOAA-17这三个卫星可以提供全球的三轨卫星AMSU-A观测资料，从500 hPa高度场异常相关系数检验结果表明同化三轨AMSU-A资料可以获得更好的中期数值预报水平。但是对于区域数值天气预报而言，极轨卫星AMSU-A资料同化对区域降水预报的影响有明显的区域依赖性（主要是经度依赖性）。在今后的研究中，我们还将进一步选取更多个例和进行更长时间尺度的同化试验分析，另外一个较好的试验时段是从2002年6月24日NOAA-17发射到2003年10月30日NOAA-16的停止服役，在这一年左右的时间，NOAA-15、NOAA-16和NOAA-17同时运行，这三个卫星也可以提供更高质量的三轨AMSU-A观测资料，今后研究中我们将利用新的观测资料进行更多的评估和试验。

参考文献（References）

Anthes R A, Kuo Y, Hsie E, et al. 1989. Estimation of skill and uncertainty in regional numerical models [J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 115, 763–806, doi: 10.1002/qj.49711548803.

Eyre J R, Kelly G, McNally A P, et al. 1993. Assimilation of TOVS radiance information through one-dimensional variational analysis [J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc, 119: 1427–1463, doi:10.1002/qj.49711951411.

Han Y, Weng F Z, Liu Q H, et al. 2007. A fast radiative transfer model for SSMIS upper atmosphere sounding channels [J]. J. Geophys. Res., 112: D11121, doi:10.1029/2006JD008208.

Hong S Y, Dudhia J. 2003. Testing of a new non-local boundary layer vertical diffusion scheme in numerical weather prediction applications [C]. 20th Conference on Weather Analysis and Forecasting/16th Conference on Numerical Weather Prediction, Seattle, WA.

Hong S Y, Lim J -O J. 2006. The WRF single-moment 6-class microphysics scheme (WSM6) [J]. J. Korean Meteor. Soc., 42, 129–151.

Kain J S. 2004. The Kain-Fritsch convective parameterization: An update [J]. J. Appl. Meteor., 43, 170–181, doi: 10.1175/1520-0450(2004)043<0170: TKCPAU>2.0.CO;2

Kain J S, Fritsch J M. 1990. A one-dimensional entraining/detraining plume model and its application in convective parameterization [J]. J. Atmos. Sci., 47, 2784–2802, doi: 10.1175/1520-0469(1990)047<2784: AODEPM>2.0.CO;2

Kain, J. S., and J. M. Fritsch, 1993: Convective parameterization for mesoscale models: The Kain-Fritsch scheme. The Representation of Cumulus Convection in Numerical Models, Meteor. Monogr., 24, Amer. Meteor. Soc., 165–170.

Kelly G, Anderson E, Bauer P, et al. 2003. Use of satellite radiances in the ECMWF system [C]// Proceedings of the 13thInternational TOVS Conference. Quebec, Canada.

McMillin L, Fleming H. 1976. Atmospheric transmittance of an absorbing gas: A computationally fast and accurate transmittance model for absorbing gases with constant mixing ratios in inhomogeneous atmospheres [J]. Appl. Optics, 15: 358–363, doi:10.1364/AO.15.000358.

Purser R J, Wu Wanshu, Parrish D F, et al. 2003a. Numerical aspects of the application of recursive filters to variational statistical analysis. Part I: Spatially homogeneous and isotropic Gaussian covariances [J]. Mon. Wea. Rev., 131: 1524–1535, doi:10.1175//1520-0493(2003)131<1524: NAOTAO>2.0.CO;2.

Purser R J, Wu Wanshu, Parrish D F, et al. 2003b. Numerical aspects of the application of recursive filters to variational statistical analysis. Part II: Spatially inhomogeneous and anisotropic general covariances [J]. Mon. Wea. Rev., 131: 1536–1548, doi:10.1175//2543.1.

Saunders R, Matricardi M, Brunel P. 1999. An improved fast radiative transfer model for assimilation of satellite radiance observations [J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 125: 1407–1425, doi:10.1002/qj.1999. 49712555615.

Saunders R, Rayer P, Brunel P, et al. 2007. A comparison of radiative transfer models for simulating Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) radiance [J]. J. Geophys. Res., 112: D01S90, doi:10.1029/ 2006JD007088.

Weng F Z. 2007. Advances in radiative transfer modeling in support of satellite data assimilation [J]. J. Atmos. Sci., 64: 3799–3807, doi:10.1175/2007JAS2112.1.

Wu Wanshu, Purser R J, Parrish D F. 2002. Three-dimensional variational analysis with spatially inhomogeneous covariances [J]. Mon. Wea. Rev., 130: 2905–2916, doi:10.1175/1520-0493(2002)130<2905:TDVAWS> 2.0.CO;2.

Zou X, Weng F, Zhang B, et al. 2013. Impacts of assimilation of ATMS data in HWRF on track and intensity forecasts of 2012 four landfall hurricanes [J]. J. Geophys. Res. Atmos., 118: 11558–11576, doi:10.1002/2013JD020405.

邹晓蕾，秦正坤，翁富忠. 2016. 晨昏轨道微波温度计资料同化对降水定量预报的影响及其对三轨卫星系统的意义 [J]. 大气科学, 40 (1): 46−62. Zou Xiaolei, Qin Zhengkun, Weng Fuzhong. 2016. Impact of dawn–dusk satellite AMSU-A data on quantitative precipitation forecasts and the implications for three-orbit constellation [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (1): 46−62, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15137.

作者简介邹晓蕾，女，1960年出生，博士，教授，主要从事资料同化研究。E-mail: xiaoleizou@nuist.edu.cn

收稿日期2015-03-01；网络预出版日期 2015-08-24

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15137

文章编号1006-9895(2016)01-0046-17

中图分类号P456.7

文献标识码A