基于WRF和GSI框架，采用观测算子替代方案测 试了GSI同化系统在晴空条件下对FY-4A AGRI红外通道辐射资料的直接 同化性能。

WRF文献| FY-4A卫星AGRI辐射资料直接同化对华南一次极端降水预报的影响

摘要

风云四号A星（FengYun-4A，简称FY-4A）是我国新一代静止气象卫星的首发星。围绕其成像仪辐射资料 的直接同化，聚焦其如何提高极端降水预报准确性及多通道组合同化是否优于单通道同化2个科学问题开展研究。 基于WRF（weather research and forecasting）和GSI（gridpoint statistical interpolation）框架，采用观测算子替代方案测 试了GSI同化系统在晴空条件下对FY-4A AGRI（advanced geostationary radiation imager）红外通道辐射资料的直接 同化性能。设计多组同化预报试验，对比了其对1次季风低压极端强降水天气过程的循环同化和预报影响。结果 表明，采用GOES-15（geostationary operational environmental satellite-15）IMAGER观测算子替代方案直接同化3.75、 6.25、10.8和13.5 μm 4个FY-4A AGRI红外通道的试验，及上述方案附加采用Himawari-8 AHI（advanced himawari imager）观测算子替代方案直接同化7.1、8.55和12.0 μm 3个FY-4A AGRI红外通道的试验，可在洋面上空关键位置 产生中心强度更大、水平分布范围更广、垂直涵盖层次更深厚的正水汽混合比分析增量，并在区域高分辨率数值预 报中改善了低层暖湿条件，明显提高了特大暴雨落区范围和雨带形态走向的预报准确性。

研究方法

使用的模式与同化系统

  • WRF模式（Weather Research and Forecasting） 用于数值模拟和预报，版本为 WRF-4.1.1，配合 WPS-4.1 进行前处理。
  • GSI同化系统（Gridpoint Statistical Interpolation） 使用 comGSIv3.5 版本，采用混合同化方法（Cycle-3DEnVar），结合静态与动态背景误差协方差。

数据处理流程

  • 资料预处理与云检测
    • 使用 FY-4A AGRI 的红外通道辐射资料。
    • 利用云检测产品筛选晴空区域数据。
    • 将数据转换为 GSI 所需的 BUFR 格式。
  • 数据稀疏化
    • 将高分辨率卫星数据稀疏化至 60 km 网格。
    • 剔除不符合条件的数据（如卫星天顶角过大、时间窗口外等）。
  • 偏差订正
    • 采用增强辐射偏差订正方案，结合气团偏差与扫描角度偏差。
    • 动态更新预测因子系数以修正观测偏差。
  • 质量控制
    • 在 GSI 系统内部进行，剔除低质量或异常观测数据。
    • 针对不同平台（GOES-15、Himawari-8）采用定制化控制模块。

同化试验设计

  • 试验类型
    • 控制试验：仅同化常规观测资料。
    • 单通道试验：分别同化不同红外通道。
    • 多通道组合同化试验：联合同化多个红外通道。
  • 观测算子替代方案
    • 使用 GOES-15 和 Himawari-8 的观测算子替代 FY-4A AGRI 的通道。
    • 评估不同方案对分析增量和预报效果的影响。
  • 循环同化流程
    • 每 6 小时进行一次同化，连续执行 3 次循环。
    • 最终生成分析场并进行 24 小时预报。

评估方法

  • 分析增量评估
    • 比较水汽混合比分析增量的空间分布和垂直剖面。
  • 预报效果评估
    • 使用探空资料计算风、温度、湿度的均方根误差（RMSE）。
    • 利用地面降水观测数据评估定量降水预报评分（TS、ETS等）。
  • 强天气诊断
    • 分析暖湿气流、假相当位温（θse）、水汽通量散度等关键物理量。

研究结果

研究结论

本研究通过个例试验，测试了在同化常规观测 资料的基础上，额外同化FY-4A AGRI单红外通道 或多红外通道辐射资料的直接同化性能；表明通过 改善对流层低层暖湿条件，可进一步改进同化和预 报效果。尤其是采用GOES-15方案的E12G 试验以 及混合方案的E14MIX 试验，可在洋面上空关键位置 产生中心强度更大、水平分布范围更广、垂直涵盖 层次更深厚的正水汽混合比分析增量；同时明显提 升风分量（U、V）和温度（T）的预报效果，并在区域高 分辨率数值预报中改善低层暖湿条件，明显改进特 大暴雨落区范围和雨带形态走向。此外，采用 Himawari-8方案的E13H 试验及其他FY-4A AGRI单 红外通道同化试验则各有利弊，但整体上可进一步 改进对流层低层温度和相对湿度的预报效果，并在 整体上优化低量级阈值的降水评分、个别可优化中 高量级阈值的降水评分。上述结果显示出，直接同 化FY-4A AGRI红外通道辐射资料在NWP中的巨 大潜力，但仍需在今后工作中使用更为精确的观测 算子，开展更多的批量试验进一步论证。

随着中国气象卫星事业的快速发展和搭载仪 器的多样化，目前的快速辐射传输模式已不能很好 地满足我国气象卫星遥感的应用需求。在CRTM 和RTTOV等快速辐射传输模式基础上研发的中国 新一代快速辐射传输模式（Weng et al.，2020）—— 先进辐射传输系统（ARMS，advanced radiative transfer modeling system），针对国产气象卫星仪器 的光谱响应函数，设计了精确的快速大气透射率计 算方案，建立了完整的大气光谱数据集，可实 现快速吸收系数的计算。因此，使用ARMS作 为FY-4A AGRI红外通道辐射资料的观测算子将进 一步降低其正演误差，或将进一步改进其同化和预 报效果。