云海-2掩星探测资料在全球数值天气预报模式中的同化效果评估

王业桂 张斌 李娟 蔡其发 兰伟仁 郭贤鹏 王广杰

解放军 61741 部队，北京 100094

1 引言

近几十年来，数值天气预报在业务化预报中的基础作用越来越凸显，随着数值天气预报模式的不断发展和完善，数值天气预报的初始场精度已成为制约预报准确率的关键因素。为了提高数值天气预报初始场的精度，有效同化不同种类的卫星遥感探测资料已成为当前主要手段。

无线电掩星大气探测，利用装载在低轨卫星上的掩星接收机，接收受大气折射影响的导航卫星信号，通过对该信号分析处理，反演得到大气折射率、温度、湿度、气压以及电离层电子密度等垂直分布信息。无线电掩星大气探测不需要在轨定标，可全天候工作，探测资料全球分布，具有较高的精度和垂直分辨率，在对流层垂直分辨率可达200～500 m，在平流层接近1.0 km，其在改善数值天气预报模式的初始场中能够发挥重要作用，贡献值仅次于微波温度和红外高光谱，超过了高空报和飞机报（朱孟斌等,2013）。

相对于微波温度和红外高光谱资料，掩星资料具有不受云雨影响的优势；掩星探测仪器长期稳定，不需要进行误差偏离调整；掩星探测资料分布比较均匀，能够有效丰富极地和海洋等观测稀少地区的观测资料（余江林等，2014）。由于掩星探测的优势，美国、阿根廷、德国等国家先后实施了掩星探测任务。我国台湾和美国于2006年4月14日合作的掩星探测项目COSMIC（Constellation Observing System for Meterology，Ionosphere，and Climate，COSMIC），其6颗低轨卫星获取的掩星资料在ECMWF同化后，预报准确度提升了6%（朱孟斌等,2013）。

鉴于掩星探测资料在数值预报中发挥的重要作用，国内外十分重视对掩星资料在数值预报模式中的同化应用，并开展了许多研究工作。ECMWF于2006年在其业务系统中对弯曲角资料进行同化，Healy and Thépaut（2006）揭示了同化弯曲角资料有助于改善温度的预报。Zou et al.（1999,2000）在掩星探测资料的观测算子方面开展了大量研究，提升了弯角观测资料的同化应用效果。马再忠等（2011）对掩星探测资料的局地和非局地观测算子进行对比研究，结果表明在水平梯度大值区，非局地观测算子能够取得更好的改善效果。朱孟斌等（2013）设计了一维弯曲角算子在四维变分资料同化系统的实现方法和质量策略，试验结果表明掩星探测资料的同化在全球范围能够有效改善预报效果。成巍等（2012）基于局地和非局地观测算子的GPS（Global Positioning System）掩星探测资料后向映射四维变分同化研究结果表明，同化GPS掩星探测资料，可以改进24 h的降水预报；邹逸航等（2017）在GRAPES模式中对掩星资料进行同化，发现同化后可以减小模式预报台风路径误差。

我国自主研发的云海-2掩星大气星座于2018年12月底发射，云海-2掩星大气探测星座系统能够对全球中低纬度大气层温度、湿度、气压等参数的垂直廓线进行探测，为数值天气预报提供高垂直分辨率、高精度的观测（蔡其发等，2021）。开展云海-2掩星资料在数值天气预报模式中的同化应用技术研究，对改善数值预报初始场精度进而提高预报准确率具有重要作用，同时对建立和积累自主卫星资料同化技术也具有重要的意义。本文针对我国自主的云海-2掩星探测资料，在全球数值天气预报模式T799L91中建立其同化流程，考察云海-2掩星探测资料同化应用效果。

2 云海-2 掩星探测资料前处理

云海-2掩星探测资料包括弯曲角和折射率两种资料，相比于折射率资料，弯曲角资料具有更为原始、引入假设更少、观测误差特性相对简单等优势，因此本文对云海-2掩星探测资料的弯曲角进行直接同化。相对于数值天气预报模式层，云海-2掩星探测资料在垂直方向上具有很高的分辨率，为了合理有效地同化云海-2掩星探测资料，减少资料冗余带来的计算量，本文对云海-2掩星探测资料在垂直方向上进行稀疏化，为每个模式层匹配一个距离最近的观测。

3 弯曲角观测算子

参照朱孟斌等（2013）掩星观测算子设计，假设忽略无线电经过路径上大气环境的水平变化，在球对称假设下，一维弯曲角观测算子α 计算方法如下：

其中，HN(T,p,q)表示折射率算子，是用模式格点上的温度（T）、压强（p）和湿度（q）计算折射率，FI将模式面上折射率插值到射线近地面切点位置上，HA表示根据近地面切点位置计算弯曲角的算子。

4 云海-2 掩星探测资料在T7 9 9 L9 1模式中的同化效果评估

4.1 试验方案

为了考察云海-2掩星探测资料在全球数值天气模式中的同化应用效果，同时考虑到下一步的直接业务化应用，本文基于T799L91谱模式及其四维变分同化系统，构建了云海-2掩星探测资料同化应用流程。为了考察云海-2掩星探测资料的同化预报效果，本文选取了灾害性天气发生频率较高的7月（2019年）开展同化预报试验，同化时间窗为12 h，设置了表1所示的4套试验。

表1 T799L91谱模式同化预报试验设置Table 1 The design of assimilation and forecasting experiment with spectral model T799L91

试验1（T799L91）为日常的业务化运行，同化的掩星探测资料为国外GPS掩星探测资料，试验2（T799L91-GPS）相对于试验1不同化国外GPS掩星探测资料，因此试验1、2的结果对比就可以反映同化国外GPS掩星探测资料对全球数值天气预报的影响。试验3相对于试验2，加入云海-2掩星探测资料的同化，因此试验1、3的结果就可以对比国外GPS掩星探测资料和云海-2掩星探测资料在全球数值预报中的同化效果；试验2、3则可以反映云海-2掩星探测资料在全球数值天气预报中的同化效果。试验4相对于试验1，加入云海-2掩星探测资料同化，主要目的是考察在业务化流程中加入云海-2掩星探测资料，能否进一步提升预报效果。

4.2 试验结果

本节基于ECMWF再分析资料对表1中各试验的预报结果进行评估，具体评估时划分为东亚区域、北半球和南半球，对24 h、72 h、120 h、168 h的预报结果进行统计分析，计算的统计量主要包括500 hPa的位势高度距平相关系数、850 hPa的风场和温度场的均方根误差。

4.2.1 500 hPa距平相关系数

图1为各试验在东亚区域的500 hPa位势高度场距平相关系数，图1a1–a4为24 h、72 h、120 h和168 h的逐日统计结果，为了更为清晰地展示整体的变化趋势，图1b1–b4给出了24 h、72 h、120 h和168 h相应的每隔10 d的平均统计结果，其中前10 d代表前期，中间10 d代表中期、最后11 d代表后期。对比图1a1–a4、1b1–b4，可以看出相对于试验1（红色线条，下同），试验2（绿色线条，下同）在前期的各个时效的预报距平相关系数没有明显增大或者降低趋势，在中后期距平相关系数整体上则呈降低的趋势（尤其是从图1b1、b2中24 h和72 h时效的预报可以清晰地看出），这表明随着预报日数的增加，同化GPS掩星探测资料对东亚区域的预报效果逐渐有一定的改进作用。加入云海-2掩星探测资料同化后，相对于试验2，试验3（蓝色线条，下同）在24 h、72 h、120 h的预报中距平相关系数整体上有所提高（图1a1–a3），这从图1b1–b3的平均统计结果可以更清楚地看出，尤其是在中后期表现更为明显，而168 h的预报，除了个别日数有明显提高（图1a4），整体上试验2、3的预报效果相当（图1b4），这表明同化云海-2掩星探测资料能够进一步有效地改善预报结果。相对于试验1，试验3在中前期距平相关系数没有表现出明显的优势，但在中后期整体上高于试验1，这表明东亚区域同化云海-2掩星资探测料优于GPS掩星探测资料。相对于试验1，试验4加入了云海-2掩星探测资料同化，试验4（橙色线条，下同）在所有试验中距平相关系数震荡最小，预报效果最好，这表明业务系统中加入云海-2掩星探测资料同化，能够进一步有效地改善东亚区域的预报效果，也说明了联合同化云海-2掩星探测资料和GPS掩星探测资料的有效性。

图1 2019年7月表1中各试验在东亚区域的500 hPa位势高度场距平相关系数。0.6为可用预报参考值，图a1–a4为24 h、72 h、120 h和168 h预报的逐日统计结果，图b1–b4为24 h、72 h、120 h和168 h预报的每隔10 d的平均统计结果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

图2为各试验在北半球的500 hPa位势高度场距平相关系数。相对于试验1，试验2的距平相关系数整体上有所降低，特别是在中后期表现最为明显，这与持续不同化GPS掩星探测资料直接相关，表明了同化GPS掩星探测资料在北半球预报中起到的正效应。相对于试验2，试验3在4个预报时效距平相关系数均增大，尤其在中后期提高更为明显，这表明同化云海-2掩星资料能够有效地改善北半球的预报，且改善效果随着日数的增加不断增强。对比试验1和试验3，在中前期，24 h和72 h预报中试验3均偏低，120 h和168 h预报中两者则相当；在中后期中，试验3则要优于试验1，这表明随着日数的增加，同化云海-2掩星探测资料的正效果逐步增大，后期超过了GPS掩星探测资料，这从图2b2–b4的平均统计结果可以更为清晰地反映出来。类似图1，试验4在所有试验中距平相关系数震荡最小，24 h和72 h预报在中前期虽不如试验1，但在中后期整体上要优于试验1和试验3，这可能源于GPS和云海-2掩星探测资料的联合同化，相互融合需要一定的适应时间，才能体现联合同化的效果。在120 h和168 h的预报中，前期试验4相对于试验3效果略优，而中后期试验3则优于试验4，这进一步表明云海-2掩星探测资料在更长时效的预报中发挥的作用更大。

图2 同图1 ，但为各试验在北半球500 hPa位势高度场的距平相关系数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

图3为表1中各试验在南半球的500 hPa位势高度场距平相关系数。从试验1和试验2结果对比可以看出，同化GPS掩星探测资料在南半球整体发挥了较为明显的正作用。试验1、2和试验3的对比结果表明，云海-2掩星探测资料在中前期同化应用效果不佳，随着日数增加，同化正效果逐步增强，后期优于GPS掩星探测资料；试验1、试验3和试验4的结果对比表明，GPS和云海-2掩星探测资料在南半球的联合同化效果在较长时效的120 h、168 h的中后期较为明显。

图3 同图1 ，但为各试验在南半球500 hPa位势高度场的距平相关系数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风场均方根误差

图4为表1中各试验在东亚区域的850 hPa风场的均方根误差。对比试验1和试验2的结果可以看出，同化GPS掩星探测资料能够有效降低850 hPa风场预报的均方根误差。试验2和试验3的结果对比表明，同化云海-2掩星探测资料能够有效降低850 hPa风场预报均方根误差，提高风场的预报精度。对比试验1和试验3，同化云海-2掩星探测资料在24 h预报中对850 hPa风场的改善幅度小于GPS掩星探测资料，72 h预报中同化GPS掩星探测资料和云海-2掩星资料对850 hPa风场的改善幅度相当，120 h和168 h预报中，同化云海-2掩星探测资料略优于GPS掩星探测资料。对试验1、3和4的结果进行分析，可以看出对于GPS掩星探测资料和云海-2掩星资料的联合同化，除了24 h预报中联合同化效果不太理想，72 h、120 h和168 h预报中联合同化的风场均方根误差整体最小，同化效果最好，尤其是在后期体现最为明显。

图5为表1中各试验在北半球的850 hPa风场的均方根误差。类似图4，可以看出同化GPS掩星探测资料对850 hPa风场预报的调整基本为正效应，同化云海-2掩星探测资料能够有效降低风场的均方根误差，提高风场的预报精度。24 h、72 h预报中，同化GPS掩星探测资料优于云海-2掩星探测资料，在更长预报时效的120 h和168 h中，同化云海-2掩星探测资料和GPS掩星探测资料对风场调整的整体效果相当，但在后期，同化云海-2掩星探测资料相对于GPS掩星探测资料呈现一定的优势（图5b3、b4）。联合同化GPS掩星探测资料和云海-2掩星探测资料在24 h预报中表现不理想，但在更长预报时效的72 h、120 h和168 h中的后期联合同化表现出较好的效果。

图4 同图1 ，但为各试验在东亚区域的850 hPa水平风速的均方根误差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

图5 同图1 ，但为各试验在北半球的850 hPa水平风速的均方根误差Fig.5 Asin Fig.1, but for the RMSE of 850-hPa horizontal wind in Northern Hemispherefor each experiment in Table1

图6为表1中各试验在南半球的850 hPa风场的均方根误差，试验结果类似北半球，这里不再赘述。

图6 同图1 ，但为各试验在南半球的850 hPa水平风速的均方根误差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温度场均方根误差

图7为表1中各试验在东亚区域的850 hPa温度均方根误差。相对于试验1，除72 h预报外，试验2在其他时效的预报中均方根误差整体呈增大趋势，即同化GPS掩星探测资料对温度场整体的调整基本为正效应。相对于试验2，除了168 h外，试验3的温度场均方根误差在24 h、72 h和120 h预报中均有所降低，整体而言同化云海-2掩星探测资料对于温度场预报具有明显的改善效应。对比试验1和试验3的结果，中前期同化GPS掩星探测资料在各时效的预报中整体要好于云海-2掩星探测资料，但随着日数的增加，后期云海-2掩星探测资料的改善效果不断增大，逐渐优于GPS掩星探测资料。与试验1和试验3对比，从试验4的结果可以看出，联合同化云海-2掩星探测资料和GPS掩星探测资料在整体均方根误差震荡最小，随着日数的增加，联合同化优势逐渐增强（尤其在中后期）。

图8为表1中各试验在北半球的850 hPa温度场的均方根误差。对比试验1和试验2，可以看到同化GPS掩星探测资料对温度场整体的改善作用，对比试验2和试验3，同样可以看到同化云海-2掩星资料，温度场整体也得到改善。进一步对比试验1和试验3，可以看到同化GPS掩星探测资料在24 h预报中改善效果要优于云海-2掩星探测资料，而在72 h、120 h和168 h预报中，随着预报时效的延长和日数的增加，同化云海-2掩星探测资料相对于GPS掩星探测资料的优势逐渐显现，类似于图7，这种优势主要体现在更长的预报时效中。对比试验1、试验3和试验4，可以看到联合同化两种掩星探测资料的优势也主要体现在更长预报时效的后期。

图7 同图1 ，但为各试验在东亚区域的850 hPa温度的均方根误差Fig.7 As in Fig.1,but for the RMSE of 850-hPa temperaturefield in East Asia for each experiment in Table 1

图8 同图1 ，但为各试验在北半球的850 hPa温度的均方根误差Fig.8 Asin Fig.1, but for the RMSE of 850-hPa temperaturefield in Northern Hemispherefor each experiment in Table1

图9为表1中各试验在南半球的850 hPa温度的均方根误差，类似北半球，同化云海-2掩星探测资料对南半球温度场的调整基本为正效应。24 h预报中，同化GPS掩星探测资料优于同化云海-2掩星探测资料，而72 h、120 h和168 h预报中，中前期同化GPS掩星探测资料相对于云海-2掩星探测资料仍然占据优势，但随着日数的增加，同化云海-2掩星探测资料逐渐优于GPS掩星探测资料（尤其是在后期）；联合同化GPS和云海-2掩星探测资料的优势主要体现在中后期的72 h、120 h和168 h的预报中。

图9 同图1 ，但为各试验在南半球的850 hPa温度的均方根误差Fig.9 Asin Fig.1, but for the RMSE of 850-hPa temperaturefield in Southern Hemispherefor each experiment in Table1

5 总结

本文基于全球数值天气预报模式T799L91及其四维变分同化系统，构建了针对中国自主的云海-2掩星探测资料的同化流程，并以2019年7月整月开展了云海-2掩星探测资料的同化预报试验，考察云海-2掩星探测资料的同化效果，试验结果表明：

（1）对于500 hPa位势高度场而言，同化云海-2掩星探测资料在东亚区域能够改善预报场精度，联合同化云海-2和GPS掩星探测资料能够进一步提升预报精度；北半球的预报中，同化云海-2掩星探测资料相对于GPS掩星探测资料的优势、联合同化云海-2掩星探测资料和GPS掩星探测资料的效果均主要体现在较长的预报时效和中后期；南半球的预报中同化云海-2掩星探测资料的正效果主要体现在较长的预报时效和中后期，但是联合同化效果不理想。

（2）对于850 hPa风场而言，东亚区域、北半球和南半球的预报中，同化云海-2掩星探测资料均能够有效改善预报精度。24 h预报中，同化云海-2掩星探测资料的改善幅度小于GPS掩星探测资料，72 h、120 h和168 h的预报中，云海-2掩星探测资料和GPS掩星探测资料对预报的改善效果相当，但在中后期云海-2掩星探测资料呈现一定的优势。联合同化云海-2掩星探测资料和GPS掩星探测资料的优势主要体现在更长时效的72 h、120 h和168 h预报中，同样的预报时效中，联合同化优势在中后期更为明显。

（3）对于850 hPa温度场而言，同化云海-2掩星探测资料能有效改善预报精度；在较短时效的24 h预报中，同化GPS掩星探测资料优于同化云海-2掩星探测资料，而在较长时效的72 h、120 h和168 h预报中，随着日数的增加，同化云海-2掩星探测资料逐渐优于GPS掩星探测资料，尤其是在中后期；联合同化两种掩星探测资料的优势也主要体现在更长预报时效的中后期。

本文初步构建了云海-2掩星探测资料在全球数值天气预报模式中的同化流程，试验结果表明了云海-2掩星探测资料在改善预报准确度方面的有效性，然而同化云海-2掩星探测资料在一些区域和预报时刻内的改善效果还并不理想，这可能均源于云海-2掩星探测资料作为一种新观测资料，对模式预报场的改善需要一定的调整适应时间，其次目前对云海-2掩星探测资料的同化参数尚未优化调整，同时本文仅是基于2019年7月开展云海-2掩星探测资料的同化应用研究，试验结果存在一定的局限性，下一步将进行更长时间序列的试验。