基于WRFDA的静止轨道模拟微波观测资料同化试验研究

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目前,台风、暴雨等诸如此类的强对流天气,在气象领域往往由于得不到更准确的初值,而无法得出更加准确的预报。目前,改善初值最有效的方式即是资料同化算法,该算法能够通过将观测资料应用到数值预报中,得到更加接近真实场的初值。在同化中,卫星资料已经成为必不可少的观测资料,在实际的业务中的占比也越来越大。目前在微波波段的同化试验中,观测资料都是由极轨卫星微波载荷提供,但是传统的极轨卫星微波载荷具有再访时间长,观测覆盖范围小等缺点,所以在对台风、暴雨、冰雹等具有复杂多变的温湿度场的这一类天气进行观测时,无法对其演变进行高频次的观测。而静止轨道气象卫星可以完美的规避这些缺点,这也正是国际上对静止轨道微波探测日益重视的原因。目前,我国正在积极开展地球静止轨道微波载荷地面样机和关键技术的研究,并在我国新一代静止轨道气象卫星“风云四号”系列中规划了微波探测卫星。因此提前开展静止轨道微波同化仿真试验就显得十分有必要:一是为将来静止轨道微波资料同化预先积累经验,因为静止轨道微波载荷与极轨微波载荷在观测方式存在不同;二是评估GEO微波资料加入同化系统后对台风预报性能的提升。本文中将使用WRF(Weather Research and Forecasting model)数值预报模式及其集成的WRFDA(Weather Research and Forecasting model data assimilation system)作为研究的工具。基于观测系统模拟试验这一思路开展静止轨道模拟微波观测资料的同化试验研究。同化的资料频段包括50GHz~60GHz氧气吸收和183GHz水汽吸收这两个目前大气探测最重要的频段。试验采用DOTLRT和CRTM两种辐射传输模式产生模拟观测亮温资料,并以此为输入,研究冷热启动,辐射传输模式误差,边界条件等因素对于同化结果的影响。试验场景选择了以2017年“苏拉”和“奥鹿”两个台风案例,使用不同的同化方案对比分析资料同化后对台风的运行轨迹和台风的强度预报性能的影响。在模拟同化试验中,通过将不同的模拟观测按照不同的方案进行同化,我们发现采用静止轨道模拟微波载荷观测资料同化后,能明显改善台风轨迹的预报和台风强度的预报,在72小时的预报中,台风路径相对于预报场的平均误差约88km,较预报场提升40%以上;通过对于冷热启动同化试验的研究,发现热启动对于分析场的云雨和水汽等大气数据有明显的改善作用。
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