文摘
在这项研究中,观测系统(oss)进行仿真实验分析吸收表面灵敏的红外辐射观测的影响在陆地和海洋冰。这种类型的同化尚未在操作气象中心成功实施。红外辐射空气(大气红外探测器)和雅西(红外大气探测干涉仪)是模拟自然的运行(NR)提供的欧洲中期天气预报中心和3 d-var同化。分析系统。控制模拟生成不含新数据源,但包括所有数据同化在加拿大气象中心操作。实验允许表面敏感通道吸收所有表面或不包括极地。预测结果与NR通量值和验证字段。结果显示显著的积极影响,在热带地区和南半球extratropics在北半球extratropics更温和的影响。OSSE方法的一些局限性得到识别,链接到不同的预测系统用于NR和同化和更高的云在极地地区污染。这种分析提供有用的见解,准备真正的辐射观测的同化。
1。介绍
观测系统仿真实验(oss)是一种有效的方法来评估的潜在影响提出了观测系统在数值天气预报(NWP)(阿诺德·jr .和戴伊(1];霍夫曼et al。2];阿特拉斯(3];阿特拉斯等。4])。在一般遥感观测系统的评价从模拟数据是非常有用的,因为调查人员受益于一个预定义的“真理”,允许敏感性研究关键参数检索的质量。这里我们使用一个全面的天气分析系统包括模拟操作中使用的所有数据类型目前在加拿大气象中心(CMC) (Charron et al。5])以及仿真的新数据类型进行调查。对于这种类型的OSSE,免费模式运行定义了“真正”的大气状态。这种预测,称为“自然运行”(NR)是用于生成所需的综合观测实验。同化的影响模拟观察然后评估通过比较预测结果与NR分析,有或没有同化的新数据类型。这个过程还可以帮助评估数据同化方法和对质量控制标准。
oss涉及卫星观测可以追溯到1970年代,当时许多实验(戈登et al。6];笠原和威廉姆森(7])显示的可能性大幅提高数值天气预报的同化卫星派生的温度和风力的观察。最近,迅速的有益影响平流层风和臭氧观测评估从一个OSSE (Lahoz et al。8])。在最近的研究中,Otkin [9)进行了一次OSSE使用一个卡尔曼滤波器在对流规模。他调查了影响大气的准确性分析同化窗口红外亮度温度明显和多云的天空条件。联合中心的卫星数据同化在美国,联合OSSE项目启动(朱et al。10])与目标,为各种研究提供模拟数据。人造卫星观测模拟从联合NR OSSE项目使用社区辐射传输模型,其次是同化的影响评估现统计插值系统。克莱斯特和Ide (11)进行了OSSE评估混合variational-ensemble数据同化系统的性能在国家环境预报中心(NCEP)。
加拿大环境部(加仑et al。12从oss)评估吸收大气运动矢量的好处(lamv)来自高椭圆轨道图像覆盖极地。王等人。13设计一个OSSE评估未来的积极影响红外探测器机载气象卫星第三代地球同步气象卫星系统。Heilliette et al。14)描述的程序参与仿真的红外辐射OSSE及其质量控制。他们评估水平的云污染可能影响真正的辐射观测波长的函数。这个OSSE研究允许他们评估剩余偏见与云污染。的一致性的影响吸收的真实和模拟播出和雅西光辉OSSE的数据证明了现实主义。
这项工作的目的是研究的潜在影响吸收表面灵敏的红外辐射观测在陆地和海洋冰。目前,这是尚未实现在业务数值天气预报中心,代表一个未充分利用丰富的信息水平低的温度和湿度。在陆地上,只有辐射不敏感表面或低云层被同化。挑战在于证明所提供的附加价值的其他数据类型,如表面,飞机、地面分析器观测和卫星观测。工作第一的策略是模拟数据的局限性在实际尝试这种类型的同化之前在真实的系统。额外的数据来自高光谱红外雷霆播出(大气红外探测器)和雅西(红外大气探测干涉仪)。部分2描述了实验装置和同化方法。部分3基于两个同化周期提供结果。部分4总结了纸,下一阶段评估最佳选项包括使用真实的观察。
2。实验装置
2.1。自然和模拟运行观察
目前的研究是基于OSSE配置中使用先前的研究[12,14]。自然运行用于实验获得欧洲中期天气预报中心(ECMWF)覆盖周期从2005年5月10日到2006年5月31日;看到Reale et al。15)和Masutani et al。16,17]。NR的水平分辨率领域生产3小时间隔约40公里。它有91个在顶部0.02 hPa垂直水平。海表面温度和冰盖NCEP提供的用于NR的一代。之前提取NR的模拟数据字段,它第一次被插入到CMC的全球预测模型网格也有类似的决议,即~ 33公里和80年的水平,与下丘脑-垂体-肾上腺轴的顶部0.1。2008 - 2009年所有数据同化操作模拟(加上附加和雅西频道播出),总计约6米的观察。3 d-var。同化方法用于观察6小时循环同化(巴克et al。18])。预期启动5天每12 h使用操作宝石(全球环境多尺度)模型(5]。这些预测是根据NR插值进行验证,如前所述,在宝石的决议。周期运行两个月的时间从2005年12月15日到2006年2月27日。使用的海洋表面温度和反照率字段在CMC当时使用的是那些,因此不同于NR。因为最近的数据类型,如雅西和微波传感器没有可用的NR,所有这些用于模拟观测的位置相同的时期,但是三年后,也就是2008 - 2009。罗雄et al。19)描述了通用过程的扰动观测符合相关的错误。播出的适当级别的扰动,雅西模拟观察进一步评估(14]。这些早期的研究使用87年播出渠道和62年雅西通道。在这里,CMC后当前的操作实践,我们认为每个传感器142个频道。图1显示了142雅西频道分配的观测误差,确定具体的表面敏感。以上这些错误主要是辐射噪声补偿等其他因素时空误差相关性(加仑et al。20.])。表面敏感通道位于8.0 - -13.8μm和波长低于5.3μm。相应的数字播出(未显示)非常相似。提供的表面发射率光谱数据库,谷神星(云层和地球辐射能量系统)(加仑21])。
2.2。实验
一组三个模拟执行:实验模拟控制模拟“CNTLEXP0”和两个“OSSEXP1”和“OSSEXP2”(标签出现在图表),以下简称CNTL, EXP1和EXP2分别。在我们之前详细OSSE工作(12],同化观测包括那些从风分析器、无线电探空仪,土地,散射仪,船舶、浮标、大气运动向量,飞机、GPS无线电掩星(地面定位系统),从几个传感器,微波辐射和红外辐射从播出,雅西,地球同步卫星。
除了这些观察,从表面红外辐射敏感的播出渠道和雅西同化限制性条件下对土地和海冰。高分辨率的地形数据作为一个限制标准。当地一个标准差的50米的高度地形(50公里范围)是为了实施限制相对平坦的同化,统一的地形。消除了大约35%的陆地,标准。此外,额外的播出和雅西地区辐射观测是吸收的特点是表面发射率高,也就是说,> 0.97,表面敏感通道,以限制错误,由于重要的参数。在海冰,需要一个完整的冰盖(ice分数> 0.99)。在土地,当地的一个估计的表面皮肤温度是获得使用一个窗口通道地区认为清晰。估计4 K的,模型中必须首先对同化可以猜。模拟辐射被认为是公正的,因为它是从相同的辐射传输模型计算(RTM)作为一个用于同化。这个选择可能导致过高的积极影响,但我们记得不同的预测模型与一个不同的SST用于NR和同化,以避免“同卵双胞胎”实验的情况(Cardinali et al。22];Masutani et al。23])。的标准区分EXP1 EXP2是基于表面覆盖率:后者不包括纬度地区pole-ward 60°N / S,也就是说,在两个半球。上面定义的局限性和质量控制标准是许多以前的敏感性测试的结果。因此,即使有模拟数据,谨慎的做法是采取定义一个成功的同化的最佳条件。
3所示。结果
3.1。一个全球观点
第一个为期两个月的实验,EXP1,包括表面灵敏的红外辐射观测的同化所有表面,没有云检测。这是唯一的区别对于控制实验,这些观察在无冰的海洋同化。标准偏差(std)差异CNTL EXP1预测,计算对ECMWF性质来看,计算。图2(一个)描绘了72 h预报500 hPa std.差异对全球域。图2 (b)显示相应的控制和EXP2之间的差异。蓝色区域显示恶化而红色区域表明改进的控制。EXP1,负面影响主要指出在北极地区(60°-90°N),而且还在南极地区(60°-90°S),这动机纬度EXP2限制。改进的结果表示在图2 (b)。数据3(一个)和3 (b)显示相应的垂直廓线std.每个实验和控制之间的温度差异,作为预测交货时间的函数对全球域。负面影响是EXP1指出在低水平。这种负面影响的深度随时间逐渐增加到预期从700 hPa的表面。相比之下,结果再多更有说服力的EXP2,与积极影响指出大部分对流层。
(一)
(b)
(一)
(b)
问题:为什么在极地同化似乎更多的问题吗?公认的困难在于云环境的正确识别。频繁的表面反演通常近等温概要文件在边界层使晴空识别和后续同化一个挑战。这里讨论的其他地方(14),辐射观测模拟了全天条件之后,云参数检测,用真实的数据。因此,一些云污染可以表示条件的真正的同化。调查这个问题,晴朗的天空和之间的差异全天787年播出窗口通道亮度温度(10.9μ米数计算模拟的轨道。结果如图4(一)和4 (b)对像素选择同化的EXP1 EXP2,分别为一个特定的轨道。是见过云EXP2污染通常是温和的,最常与负差异全天和清晰的光辉,也很少超过2 K。在EXP1相比,云污染通常是超过4 K的迹象的,可以。积极的差异可以发生在表面反转情况下相对温暖云的顶部反转。辐射观测的基础上接受同化估计晴空条件结合阈值之间的差异计算的模拟观测和模型的第一个猜测(短期预测,通常6 h)。质量控制的情况下可能会失败的错误类似规模和相同的信号模型等价的观察和观测错误地认为是清楚。额外的困难与NR的OSSE设置是基于ECMWF模式同化时使用不同的模型,建议避免过于乐观影响推论(Stoffelen et al。24])。影响表面边界层的物理过程是截然不同的特点以及相关的错误。这些差异可能会影响更重要的光辉质量控制和同化过程在极地地区建议从图4结果。类似的问题,有适度的影响,提出了在以前的工作15)与不同的海洋表面温度分析OSSE NR和使用。进一步了解可以获得预期的比较评估对NR和分析中生成周期,称为“拥有”分析。图5相同的方式描述了这种比较如图3北部和南部extratropics(纬度20°-70°N / S)。很明显,有一个高度的一致性在南部extratropics结果之间对自己和NR分析预测评估,都表明一个明确的积极的影响在整个对流层。这也指出在热带地区(没有显示)。然而,北半球的和NR结果反对,强烈积极的在低水平(700 hPa浮出水面)对自己的分析和验证,而消极的验证与NR (24 h - 96 h的预测)。更好的协议是在120 h 850 hPa之上。看来,在寒冷的大气,同化不成功繁殖的NR的气氛。因此,影响该地区的结果不会出现那样的地区向南。
(一)
(b)
(一)
(b)
(c)
(d)
3.2。EXP2详细的影响
在EXP2,吸收辐射观测的体积表面敏感对CNTL渠道增加约15%。在陆地上播出和雅西传感器提供额外的观察每天大约800个地点。这里我们研究各种有关EXP2常见的措施的影响。图6描述了标准差不同的垂直廓线(实线)EXP2和CNTL评估对NR 120 h预报属于热带和extratropics南部地区。虚线代表相应的偏见。参数指定为UU(纬向风)、广州(重力势),和TT(温度)。三个变量的积极影响是指出从200 hPa浮出水面。积极的影响是在extratropics南部地区最为明显。结果extratropics北地区(图中未显示)定性类似热带地区。
(一)
(b)
数值天气预报中常用的测量来评估预测异常的相关性。图7礼物850 hPa和500 hPa温度异常相关EXP2差异和CNTL(评估对NR)作为全球领先时间的函数和三个主要纬度地区基于106年的样本的预测。灰色阴影高于零线表明,在95%置信水平差异是有其积极意义。热带地区的影响是重要的在850 hPa在500 hPa虽然它是中性的。结果显著积极的全球第五天在500 hPa和两个水平在南半球。热带地区的影响发生在更短的交货期。
(一)
(b)
结果来自于时间序列提供额外的洞察力,描绘了从个人预测评分的一致性水平。图8提出了一种比较EXP2和CNTL时间序列850 hPa标准差的温度对热带地区的NR(图8(一个))和extratropics南(图8 (b))地区。为24小时,显示了系列72 h和120 h的预测。时间的百分比EXP2优于CNTL右边所示。这一比例在53 - 65%之间最大的差异std.指出72 h和120 h extratropics南部地区的预测。这样的系统的积极影响,包括大改进个案,值得强调。因此本节中给出的所有结果均表明在热带地区和南部extratropics显著的积极影响。
(一)
(b)
4所示。结论
在这项研究中,观测系统进行了仿真实验评估的潜在影响吸收红外辐射观测在陆地和海洋冰。oss提供的优势得益于一个预定义的“真正”的大气状态允许敏感性研究在一个被控制的环境中。如下所示,操作系统提供了洞察力等优点和局限性期待与一个使用实际观测同化。它被发现,尤其是在极地有固有的困难,消极后果蔓延到低纬度地区。这些可能与同化的云辐射污染。然而,它也表明,对于这个特定的OSSE,云污染可能增强由于大气模型用于NR的区别和同化。之间缺乏一致性发现结果对自己的评估和对北半球extratropics地区自然运行分析。这种不一致可能导致边界层的物理差异ECMWF和EC模式。相比之下,一致和主要结果为热带地区产生积极的影响和南半球地区。自加拿大环境计划升级其全球模型的分辨率15公里,未来OSSE工作需要更高的分辨率自然运行。 This is now possible using the recently released two-year Nature Run at 7 km resolution and 30 min intervals by the Global Modeling and Assimilation Office (http://gmao.gsfc.nasa.gov/global_mesoscale/G5NR/)。
与真实数据同化是一个自然的延续。现在是有利的,现在加拿大环境受益于高分辨率分析和4 d整体变分同化系统的实现(buehn et al。25]),流依赖背景从一个卡尔曼滤波器系统错误。数据从一个雅西乐器以及短剑(航迹红外探测器,在芬兰语卫星)现在可供共有四个红外高光谱蜂鸣器。实验是在进步,受到谨慎的方法用于这项研究。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。