卫星资料四维同化关键技术研发与系统建立.pdf

卫星资料四维同化关键技术研发与系统建立 一、项目介绍 项目针对立项时我国业务 GRAPES 全球四维变分同化 （4DVar）与国际先进同化技术相比，在同化卫星资料占比、 使用随天气流型变化的背景误差信息、全球分析水平分辨率 这三个国际上度量全球大气分析主要技术指标有较大差距 的现状，通过研发团队三年联合科技攻关，突破了复杂下垫 面卫星低层通道同化和描述随天气流型变化的背景误差信 息应用的关键技术瓶颈，建立了全球 GRAPES 集合四维变分 同化（En-4DVar）同化系统，有效使用随天气流型变化的背 景误差信息，实现同化卫星资料占比从 65%提高到 85%以上， 风云卫星占比从立项时的 6%提高到 20%以上，全球分析水平 分辨率从 25 公里提高到 10 公里，实现与国际先进全球同化 技术水平并跑。项目成果在国家气象中心业务环境下实现近 实时应用示范。 二、项目成果 项目首次研发了基于多光谱探测数据的三维微波降水 检测方法，微波温度计（MWTS）对流层中高层通道可同化资 料量提高 100%以上；研发基于光学路径追踪的辐射传输计算 方法，从辐射传输机理解释了卫星天顶角订正的物理机制并 提出了解决方案。研发的复杂下垫面微波表面发射率反演算 法，在高原、沙漠和冰雪等复杂下垫面上实现了微波温度计 低层通道直接同化；突破了国际首台静止卫星红外高光谱 GIIRS 水汽通道同化难题，达到国际领先水平；研发了基于 真实带宽响应的风云卫星 118GHz 微波观测算子，为国际首 创。 项目采用自主可控的降维投影四维变分(DRP-4DVar)技 术为 4DVar 提供高质量的流依赖集合背景误差协方差，提高 同化分析质量和预报能力，方法具有创新性；研发了带权平 均测高法，解决了集合同化中卫星辐射率观测难以垂直定位 的难题。研发的球面小波背景误差协方差模型能分别估计和 提取不同尺度的背景误差特征，解决了小尺度背景误差信号 可能被大尺度信号掩盖的问题；提出球面小波多尺度校正方 法。项目自主发展了基于三维参考大气和预估-修正时间积 分方案的全球切线性模式和伴随模式；研发有预调节 Lanczos 共轭梯度算法，提高全球 4DVar 分析的计算效率。 全球 10 公里 En-4DVar 同化系统在国家气象中心业务环 境下实现近实时应用示范。 三、成果代表图片 图 1：全球 En-4DVar 同化系统卫星资料占比 图 1（a）项目研发的同化卫星资料占比达到 88。41%，图中箭头所示范围为 卫星资料， “synop“为地面观测，“ships“为船舶观测，“sound“为探空观测， “airep“为飞机观测； （b）同化卫星资料中风云卫星占比达到 21.85%。图中箭 头所示范围为风云卫星资料，图中“RO”为卫星掩星资料，”scatwind”为卫星 洋面风资料 图 2：10 公里 En-4DVar 相较于立项时 25 公里 4DVar 性能提升 情况 图 2（a）南北向风速均方根误差. 黑线为项目立项时 25 公里业务 4DVar， 蓝线为项目研发的 10 公里 4DVar，红线为项目研发的 10 公里 En4DVar，图中横 坐标单位 m/s。（b）10 公里 4DVar/En4DVar 相较于立项时 25 公里 4DVar 性能提 升情况，图中横坐标为提升百分比。图中纵坐标为气压（单位 hPa）