利用AIRS使全球天气分析和预报得以改进外文翻译资料

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利用AIRS使全球天气分析和预报得以改进

NASA的大气红外探测器（AIRS）是新一代供运行和研究使用的先进的气象探测器中的一部分，是对投入运行的气象卫星系统进行改进的大型国际投资的一部分。新的系统分别包括美国运行的极轨道和地球同步轨道平台上的NOAA交叉轨道红外探测器（CrIS）和高光谱环境组件（HES）工具，以及欧洲METOP极轨道平台上运行的大气红外探空干涉仪（IASI）。我们高度重视对于这一在数值天气预报（NWP）上的重要学术投资的有益作用的证明。在这里，国家环境预测中心（NCEP）全球预报系统（GFS）中使用的最高空间分辨率的高光谱辐射数据同化研究首次可以从AIRS实时获取。在不同的研究阶段，NASA全球建模与同化办公室（GMAO）全球预报系统也在不同的研究时期使用了略微降低分辨率的AIRS高光谱辐射数据。这些研究中结合的辐射，我们认为它们清除了云的影响。

2002年，AIRS在NASA第二代地球观测系统极轨道平台Aqua上发射。AIRS仪器的任务、特征和初始结果都在配套文件中有所描述，正如Chahine等人所说“大气红外探测器（AIRS）使得21世纪人们对于天气和气候有了新的见解”。AIRS优于目前NOAA卫星上使用的高分辨红外探测器（HIRS）仪器之处非常明显（详见表1）。改进后的光谱分辨率显著地提高了垂直分辨率、热分辨率和吸收器探知例如水汽和臭氧的浓度的准确性。与没有AIRS资料的全球系统相比，同化过程的测试首次展现了无论在北半球还是南半球的预报技能的显著提升。通常来说，在运行的天气中心，这一重大改进原本需要数年才能达成。由于实验系统被设计为为操作应用提供服务（例如选取AIRS通道的子集用于操作分配），因此AIRS数据现在可在NCEP运行的NWP组件中操作使用。

表1.AIRS和目前运行使用的HIRS探测仪器的特征

数据同化。为了能够以气象数据（BUFR）格式展现出来，通过使用现行程序的NCEP运行的NWP，AIRS的所有可见范围（视场）的通道都被加工处理为可行的二进制通用格式。在每个信号覆盖面，这提供了281个通道的AIRS数据，能够表明所有2378个通道的绝大部分差异。NCEP目前的分析和预后统使用了完整的操作数据库，通过控制可实时切断约束。这个数据库包含了所有可获得的常规资料和表2列出的卫星资料。通过使用JCSDA社区辐射转移模型（CRTM），辐射转移的结果都可以被计算出来。

表2.NCEP全球预报系统中运行的卫星数据

实验系统还采用了带有完整的操作（Ops）数据库和AIRS辐射数据的运行中的全球分析和预测系统（GFS），目前可以通过实时约束来使用。典型的数据覆盖范围见图1，其中显示了世界时2004年1月31日06时的AIRS数据覆盖范围。全球分析被修改为包含AIRS资料，实验系统旨在确定对高光谱AIRS辐射数据的实时操作的影响。

图1.世界时2004年1月31日06时的AIRS数据覆盖范围（示例为波数为661.8时观察计算所得亮度温度[开尔文]）

AIRS资料通过操作分析筛选程序，并根据窗口通道信息的亮度温度及其与每个盒子中心的接近度，为每个分析箱选择比一度网格稍大的最暖（最清晰）的数据。在初始选择后，数据进行了严格的基于海平面气温的云测试。将海平面气温模型的结果与AIRS中使用多通道运算法则的窗口通道辐射估计的海平面气温进行对比（Goldberg等人在2003年2月IEEE地球科学和遥感学报中描述），并将数据标记为多云清除。在夜间，如果由AIRS确定的海平面气温高于海平面气温模型的结果减去0.8开尔文，那么认为AIRS数据最初是清晰的。数据在通过初步清晰测试后，需要经过一个低云/卷云检查，它涉及到3.4mu;m和11mu;m通道之间的差异。我们假设通过所有检查的数据都是清晰的。在白天，清晰度的检查是基于AIRS的海平面气温检查。一旦准备好对这个增强型数据进行分析，并确定了哪些视场是清楚的，我们会进一步检查与预测辐射有关的数据集的平衡，以确定哪个单通道辐射是无云的。在海平面气温和云检查（即从清晰的视场）中被认定是清晰的辐射，如果在经过预测检查仍被确定是清晰的，会被用来在3D VAR中确定其下表面的多变量大气状态。

在典型的全球周期（即每6小时）中，向分析系统输入的AIRS数据大概有2亿即{[（200*10）/281]视场}。从这些数据中，为可能的使用选取了约2,100,000个辐射[每个分析箱281个辐射（通道）]，在分析过程中大约使用了850,000个没有云效应的辐射。这就是说，大约被选取的可能有用的数据的41%最终得到有效使用。表3总结了数据量。

表3.每个分析周期中AIRS数据的使用

在使用GMAO有限体积模型的补充研究中，用到的AIRS视场是从每秒高级微波探测单元（AMSU）覆盖区中选出的最热的（最清晰的）（即，两个AIRS辐射中有一个可用于预处理和减薄分析网络框）。

预报准确性。在使用当前NCEP运行的GFS的效果研究中，2004年1月的全分辨率AIRS数据被BUFR化，并对当前运营格式进行了增强化的运营分析（即，使用了281个AIRS通道的BUFR格式）。使用上述方法识别和使用无云的AIRS辐射数据。验证统计量是使用NCEP操作验证方案得出的。图2和图3清楚地表明了本月的AIRS数据对南半球500hPa的预报水平上有着一致并有益的作用。其它层次也可以看出改进；例如，1000hPa的5天预报改善了4小时以上。尽管幅度略小，北半球的结果（图4）再次展示了预报技能的提升。这并不意外，因为北半球有更大的数据覆盖率，在这些实验中，AIRS没有被广泛地使用在陆地上的对流层低层，也没有被用于更高的空间和光谱分辨率，而多云辐射也尚未被使用。在GMAO研究（此处并未详细报道）的情况下，实验再次表明了使用了2003年数据的互补实验的积极影响。

图2.GFS中（Ops AIRS）和无AIRS的（Ops）数据的500hPa Z异常相关性，南半球，2004年1月

图3.GFS中（Ops AIRS）和无AIRS的（Ops）数据的5天预报的每日500hPa Z异常相关性，南半球，2004年1月

图4.GFS中（Ops AIRS）和无AIRS的（Ops）数据的500hPa Z异常相关性，北半球，2004年1月

结论。目前严格操作限制下使用的AIRS高光谱数据（来自单轨道仪器）对于2004年1月的南半球和北半球的预报技能都有着显著的积极影响。结果表明，改进操作分析和高光谱数据预测是有可能的。我们预计通过改进物理建模，使用能够用更高的光谱和空间分辨率以及多云数据的受限较少的操作环境，使用补充数据如MODIS辐射，以及有效利用从IASI,CrIS和地球静止成像傅里叶变换光谱仪（GIFTS）仪器中获得的新的高光谱数据，结果将得到进一步增强。

AIRS数据现在在NCEP内运行使用，预计即将进行的系统升级将进一步增强AIRS数据的影响。

致谢。感谢许多科学家为我们的AIRS数据同化系统的建立提供了宝贵的意见和帮助。他们包括W.L.Smith,C.Barnett,和L.McMillin。同样感谢Ada Armstrong准备了这份手稿。

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