“风云四号”水汽资料集合同化对台风强度影响的研究

Intensity forecast of Typhoon is one of the biggest difficulty and key issue in the numerical weather prediction (NWP), which is partly limited by the lack of observation and the deficiency initiation method, then the NWP model is unable to resolve the detailed structure of Typhoon. Studies also show that the distribution of atmospheric moisture related with moist convection has a significant impact on typhoon intensity forecast. This project will base on an advanced ensemble-based data assimilation method to explore the high spatial and temporal resolution water vapor channel observations on the new-generation geostationary satellite FY-4A , especially under all-sky condition, impacting on typhoon intensity. The project will initiate from analyzing the correlation and covariance structures between the observation and module state variables, and through a series of data assimilation experiments, observation selection method, data quality control and the bias correction, then set up experiments on real observation and typhoon cases, finally construct an ensemble data assimilation and forecast system which is able to assimilate the FY-4A water vapor channel observation in order to improve the intensity forecast of typhoon. On the one hand, this can give a solid scientific evidence and foundation on improving the typhoon tensity forecast with the FY-4A data. On the other hand, the project will further explore the impact of the FY-4A water vapor data on the inner-core structure of typhoon, and the evolution of dynamics and thermodynamics of typhoon over the genesis and development processes, which can strengthen the theory of typhoon. Furthermore, with the more realistic ensemble analyses, high resolution (convection-permitting) ensemble forecasts will be used to explore the impact of moisture variables in the initial condition on the intensity forecast of typhoon.

台风强度预报是当前数值天气预报的前言难点和重点问题。其很大程度上受限于观测资料的缺乏和初始化方法的落后，从而导致模式初始场无法解析台风的精细结构。研究表明，与湿对流密切相关的大气水汽分布对台风强度的影响十分显著。本项目将基于先进的集合同化手段考察“风云四号”（FY-4A）高时空分辨率水汽资料对台风强度的影响，尤其全天气条件下的观测。拟从分析观测与模式变量的相关关系及协方差结构入手、再构建超级观测：包含资料的选取、质量控制以及偏差订正等、再通过对实际观测和台风个例进行一系列同化模拟试验，搭建一套能同化全天气条件下FY-4A水汽资料以改善台风强度的集合同化预报系统。拟一方面为业务预报中使用FY-4A资料提高台风强度预报提供坚实的科学依据。另一方面，探究FY-4A水汽资料对台风的内核结构的影响。此外，使用同化后更加逼真的集合分析场进行高分辨率集合预报，探索模式初始场中湿度场对台风强度的影响。

针对台风强度预报是当前业务预报的难点问题，同样也一直困扰着科学界，本项目拟基于先进的集合同化预报系统WRF-EnKF和快速辐射传输模式CRTM，搭建了卫星资料同化模拟，用于同化静止气象卫星观测资料，从而通过一系列集合同化试验检验全天候静止气象卫星资料对台风强度预报的影响，并为改善台风强度预报提供参考。基于该集合同化系统，揭示了全天气条件下，尤其受云和降水影响的观测能够显著提高模式分析场中对台风的内核结构，从而进一步提高台风的强度预报。主要研究包括：1）实现了使用先进的对流可解析分辨力WRF模式的集合同化系统（WRF-EnKF）快速循环同化静止气象卫星、尤其可以用于同化新一代静止气象卫星如风云4A和葵花8以及GOES16/17等的水汽通道观测用于台风预报。2）针对3个台风进行循环同化试验，结果均表明全天候的静止卫星观测资料能够十分显著的改善台风强度预报，尤其针对当前的难点之一-台风快速增强过程-有着很大的改善作用。3）检验了静止卫星的水汽通道观测资料，尤其受云和降水影响的观测对台风内核结构的改善效果。4）使用分析场的集合预报结果，分析了影响台风强度预报的关键性因子。.通过该项目的研究，对当前缺乏台风发生发展区域的海洋上有效观测，静止气象卫星观测，尤其受云和降水影响的观测，能够显著提高台风的预报，为业务预报的难点、尤其在海洋上缺乏观测期间，提供了十分有效的弥补，同时还验证了台风的内核结构中的动力和热力结构在台风强度预报中的作用，为台风的快速增强机理提供了一定的新认识。并为后续我们新一代静止气象卫星在改善台风等强对流天气上提供了十分积极的参考作用。.通过该项目的研究，对当前缺乏台风发生发展区域的海洋上有效观测，静止气象卫星观测，尤其受云和降水影响的观测，能够显著提高台风的预报，为业务预报的难点、尤其在海洋上缺乏观测期间，提供了十分有效的弥补，同时还验证了台风的内核结构中的动力和热力结构在台风强度预报中的作用，为台风的快速增强机理提供了一定的新认识。并为后续我们新一代静止气象卫星在改善台风等强对流天气上提供了十分积极的参考作用。