王業(yè)桂 張斌 李娟 蔡其發(fā) 蘭偉仁 郭賢鵬 王廣杰

解放軍 61741 部隊(duì)，北京 100094

1 引言

近幾十年來(lái)，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)在業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)中的基礎(chǔ)作用越來(lái)越凸顯，隨著數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的不斷發(fā)展和完善，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的初始場(chǎng)精度已成為制約預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的關(guān)鍵因素。為了提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)初始場(chǎng)的精度，有效同化不同種類的衛(wèi)星遙感探測(cè)資料已成為當(dāng)前主要手段。

無(wú)線電掩星大氣探測(cè)，利用裝載在低軌衛(wèi)星上的掩星接收機(jī)，接收受大氣折射影響的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)對(duì)該信號(hào)分析處理，反演得到大氣折射率、溫度、濕度、氣壓以及電離層電子密度等垂直分布信息。無(wú)線電掩星大氣探測(cè)不需要在軌定標(biāo)，可全天候工作，探測(cè)資料全球分布，具有較高的精度和垂直分辨率，在對(duì)流層垂直分辨率可達(dá)200～500 m，在平流層接近1.0 km，其在改善數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的初始場(chǎng)中能夠發(fā)揮重要作用，貢獻(xiàn)值僅次于微波溫度和紅外高光譜，超過(guò)了高空?qǐng)?bào)和飛機(jī)報(bào)（朱孟斌等,2013）。

相對(duì)于微波溫度和紅外高光譜資料，掩星資料具有不受云雨影響的優(yōu)勢(shì)；掩星探測(cè)儀器長(zhǎng)期穩(wěn)定，不需要進(jìn)行誤差偏離調(diào)整；掩星探測(cè)資料分布比較均勻，能夠有效豐富極地和海洋等觀測(cè)稀少地區(qū)的觀測(cè)資料（余江林等，2014）。由于掩星探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，美國(guó)、阿根廷、德國(guó)等國(guó)家先后實(shí)施了掩星探測(cè)任務(wù)。我國(guó)臺(tái)灣和美國(guó)于2006年4月14日合作的掩星探測(cè)項(xiàng)目COSMIC（Constellation Observing System for Meterology，Ionosphere，and Climate，COSMIC），其6顆低軌衛(wèi)星獲取的掩星資料在ECMWF同化后，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度提升了6%（朱孟斌等,2013）。

鑒于掩星探測(cè)資料在數(shù)值預(yù)報(bào)中發(fā)揮的重要作用，國(guó)內(nèi)外十分重視對(duì)掩星資料在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中的同化應(yīng)用，并開展了許多研究工作。ECMWF于2006年在其業(yè)務(wù)系統(tǒng)中對(duì)彎曲角資料進(jìn)行同化，Healy and Thépaut（2006）揭示了同化彎曲角資料有助于改善溫度的預(yù)報(bào)。Zou et al.（1999,2000）在掩星探測(cè)資料的觀測(cè)算子方面開展了大量研究，提升了彎角觀測(cè)資料的同化應(yīng)用效果。馬再忠等（2011）對(duì)掩星探測(cè)資料的局地和非局地觀測(cè)算子進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明在水平梯度大值區(qū)，非局地觀測(cè)算子能夠取得更好的改善效果。朱孟斌等（2013）設(shè)計(jì)了一維彎曲角算子在四維變分資料同化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和質(zhì)量策略，試驗(yàn)結(jié)果表明掩星探測(cè)資料的同化在全球范圍能夠有效改善預(yù)報(bào)效果。成巍等（2012）基于局地和非局地觀測(cè)算子的GPS（Global Positioning System）掩星探測(cè)資料后向映射四維變分同化研究結(jié)果表明，同化GPS掩星探測(cè)資料，可以改進(jìn)24 h的降水預(yù)報(bào)；鄒逸航等（2017）在GRAPES模式中對(duì)掩星資料進(jìn)行同化，發(fā)現(xiàn)同化后可以減小模式預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)路徑誤差。

我國(guó)自主研發(fā)的云海-2掩星大氣星座于2018年12月底發(fā)射，云海-2掩星大氣探測(cè)星座系統(tǒng)能夠?qū)θ蛑械途暥却髿鈱訙囟取穸取鈮旱葏?shù)的垂直廓線進(jìn)行探測(cè)，為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)提供高垂直分辨率、高精度的觀測(cè)（蔡其發(fā)等，2021）。開展云海-2掩星資料在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中的同化應(yīng)用技術(shù)研究，對(duì)改善數(shù)值預(yù)報(bào)初始場(chǎng)精度進(jìn)而提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率具有重要作用，同時(shí)對(duì)建立和積累自主衛(wèi)星資料同化技術(shù)也具有重要的意義。本文針對(duì)我國(guó)自主的云海-2掩星探測(cè)資料，在全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式T799L91中建立其同化流程，考察云海-2掩星探測(cè)資料同化應(yīng)用效果。

2 云海-2 掩星探測(cè)資料前處理

云海-2掩星探測(cè)資料包括彎曲角和折射率兩種資料，相比于折射率資料，彎曲角資料具有更為原始、引入假設(shè)更少、觀測(cè)誤差特性相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，因此本文對(duì)云海-2掩星探測(cè)資料的彎曲角進(jìn)行直接同化。相對(duì)于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式層，云海-2掩星探測(cè)資料在垂直方向上具有很高的分辨率，為了合理有效地同化云海-2掩星探測(cè)資料，減少資料冗余帶來(lái)的計(jì)算量，本文對(duì)云海-2掩星探測(cè)資料在垂直方向上進(jìn)行稀疏化，為每個(gè)模式層匹配一個(gè)距離最近的觀測(cè)。

3 彎曲角觀測(cè)算子

參照朱孟斌等（2013）掩星觀測(cè)算子設(shè)計(jì)，假設(shè)忽略無(wú)線電經(jīng)過(guò)路徑上大氣環(huán)境的水平變化，在球?qū)ΨQ假設(shè)下，一維彎曲角觀測(cè)算子α 計(jì)算方法如下：

其中，HN(T,p,q)表示折射率算子，是用模式格點(diǎn)上的溫度（T）、壓強(qiáng)（p）和濕度（q）計(jì)算折射率，F(xiàn)I將模式面上折射率插值到射線近地面切點(diǎn)位置上，HA表示根據(jù)近地面切點(diǎn)位置計(jì)算彎曲角的算子。

4 云海-2 掩星探測(cè)資料在T7 9 9 L9 1模式中的同化效果評(píng)估

4.1 試驗(yàn)方案

為了考察云海-2掩星探測(cè)資料在全球數(shù)值天氣模式中的同化應(yīng)用效果，同時(shí)考慮到下一步的直接業(yè)務(wù)化應(yīng)用，本文基于T799L91譜模式及其四維變分同化系統(tǒng)，構(gòu)建了云海-2掩星探測(cè)資料同化應(yīng)用流程。為了考察云海-2掩星探測(cè)資料的同化預(yù)報(bào)效果，本文選取了災(zāi)害性天氣發(fā)生頻率較高的7月（2019年）開展同化預(yù)報(bào)試驗(yàn)，同化時(shí)間窗為12 h，設(shè)置了表1所示的4套試驗(yàn)。

表1 T799L91譜模式同化預(yù)報(bào)試驗(yàn)設(shè)置Table 1 The design of assimilation and forecasting experiment with spectral model T799L91

試驗(yàn)1（T799L91）為日常的業(yè)務(wù)化運(yùn)行，同化的掩星探測(cè)資料為國(guó)外GPS掩星探測(cè)資料，試驗(yàn)2（T799L91-GPS）相對(duì)于試驗(yàn)1不同化國(guó)外GPS掩星探測(cè)資料，因此試驗(yàn)1、2的結(jié)果對(duì)比就可以反映同化國(guó)外GPS掩星探測(cè)資料對(duì)全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的影響。試驗(yàn)3相對(duì)于試驗(yàn)2，加入云海-2掩星探測(cè)資料的同化，因此試驗(yàn)1、3的結(jié)果就可以對(duì)比國(guó)外GPS掩星探測(cè)資料和云海-2掩星探測(cè)資料在全球數(shù)值預(yù)報(bào)中的同化效果；試驗(yàn)2、3則可以反映云海-2掩星探測(cè)資料在全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的同化效果。試驗(yàn)4相對(duì)于試驗(yàn)1，加入云海-2掩星探測(cè)資料同化，主要目的是考察在業(yè)務(wù)化流程中加入云海-2掩星探測(cè)資料，能否進(jìn)一步提升預(yù)報(bào)效果。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

本節(jié)基于ECMWF再分析資料對(duì)表1中各試驗(yàn)的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，具體評(píng)估時(shí)劃分為東亞區(qū)域、北半球和南半球，對(duì)24 h、72 h、120 h、168 h的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算的統(tǒng)計(jì)量主要包括500 hPa的位勢(shì)高度距平相關(guān)系數(shù)、850 hPa的風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的均方根誤差。

4.2.1 500 hPa距平相關(guān)系數(shù)

圖1為各試驗(yàn)在東亞區(qū)域的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)距平相關(guān)系數(shù)，圖1a1–a4為24 h、72 h、120 h和168 h的逐日統(tǒng)計(jì)結(jié)果，為了更為清晰地展示整體的變化趨勢(shì)，圖1b1–b4給出了24 h、72 h、120 h和168 h相應(yīng)的每隔10 d的平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中前10 d代表前期，中間10 d代表中期、最后11 d代表后期。對(duì)比圖1a1–a4、1b1–b4，可以看出相對(duì)于試驗(yàn)1（紅色線條，下同），試驗(yàn)2（綠色線條，下同）在前期的各個(gè)時(shí)效的預(yù)報(bào)距平相關(guān)系數(shù)沒有明顯增大或者降低趨勢(shì)，在中后期距平相關(guān)系數(shù)整體上則呈降低的趨勢(shì)（尤其是從圖1b1、b2中24 h和72 h時(shí)效的預(yù)報(bào)可以清晰地看出），這表明隨著預(yù)報(bào)日數(shù)的增加，同化GPS掩星探測(cè)資料對(duì)東亞區(qū)域的預(yù)報(bào)效果逐漸有一定的改進(jìn)作用。加入云海-2掩星探測(cè)資料同化后，相對(duì)于試驗(yàn)2，試驗(yàn)3（藍(lán)色線條，下同）在24 h、72 h、120 h的預(yù)報(bào)中距平相關(guān)系數(shù)整體上有所提高（圖1a1–a3），這從圖1b1–b3的平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以更清楚地看出，尤其是在中后期表現(xiàn)更為明顯，而168 h的預(yù)報(bào)，除了個(gè)別日數(shù)有明顯提高（圖1a4），整體上試驗(yàn)2、3的預(yù)報(bào)效果相當(dāng)（圖1b4），這表明同化云海-2掩星探測(cè)資料能夠進(jìn)一步有效地改善預(yù)報(bào)結(jié)果。相對(duì)于試驗(yàn)1，試驗(yàn)3在中前期距平相關(guān)系數(shù)沒有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，但在中后期整體上高于試驗(yàn)1，這表明東亞區(qū)域同化云海-2掩星資探測(cè)料優(yōu)于GPS掩星探測(cè)資料。相對(duì)于試驗(yàn)1，試驗(yàn)4加入了云海-2掩星探測(cè)資料同化，試驗(yàn)4（橙色線條，下同）在所有試驗(yàn)中距平相關(guān)系數(shù)震蕩最小，預(yù)報(bào)效果最好，這表明業(yè)務(wù)系統(tǒng)中加入云海-2掩星探測(cè)資料同化，能夠進(jìn)一步有效地改善東亞區(qū)域的預(yù)報(bào)效果，也說(shuō)明了聯(lián)合同化云海-2掩星探測(cè)資料和GPS掩星探測(cè)資料的有效性。

圖1 2019年7月表1中各試驗(yàn)在東亞區(qū)域的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)距平相關(guān)系數(shù)。0.6為可用預(yù)報(bào)參考值，圖a1–a4為24 h、72 h、120 h和168 h預(yù)報(bào)的逐日統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖b1–b4為24 h、72 h、120 h和168 h預(yù)報(bào)的每隔10 d的平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.1 The anomaly correlation coefficients of 500-hPa geopotential height in East Asia for each experiment in Table 1 in July 2019.0.6 is the reference value of available forecast;Figs.a1–a4 represent the statistical results of 24-h,72-h,120-h,and 168-h forecasts,respectively;Figs. b1–b4 represent the average statistical results every 10 days for 24-h,72-h,120-h,and 168-h forecasts, respectively.T799L91,T799L91-GPS,T799L91-GPS+YH2,T799L91+YH2 represent the experiment under normal operational circumstance,the experiment without assimilating GPS(Global Positioning System)occultation data comparing with experiment T799L91,theexperiment with assimilating Yunhai-2 occultation data comparing with experiment T799L91-GPS, the experiment with assimilating Yunhai-2 occultation data comparing with experiment T799L91, respectively

圖2為各試驗(yàn)在北半球的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)距平相關(guān)系數(shù)。相對(duì)于試驗(yàn)1，試驗(yàn)2的距平相關(guān)系數(shù)整體上有所降低，特別是在中后期表現(xiàn)最為明顯，這與持續(xù)不同化GPS掩星探測(cè)資料直接相關(guān)，表明了同化GPS掩星探測(cè)資料在北半球預(yù)報(bào)中起到的正效應(yīng)。相對(duì)于試驗(yàn)2，試驗(yàn)3在4個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)效距平相關(guān)系數(shù)均增大，尤其在中后期提高更為明顯，這表明同化云海-2掩星資料能夠有效地改善北半球的預(yù)報(bào)，且改善效果隨著日數(shù)的增加不斷增強(qiáng)。對(duì)比試驗(yàn)1和試驗(yàn)3，在中前期，24 h和72 h預(yù)報(bào)中試驗(yàn)3均偏低，120 h和168 h預(yù)報(bào)中兩者則相當(dāng)；在中后期中，試驗(yàn)3則要優(yōu)于試驗(yàn)1，這表明隨著日數(shù)的增加，同化云海-2掩星探測(cè)資料的正效果逐步增大，后期超過(guò)了GPS掩星探測(cè)資料，這從圖2b2–b4的平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以更為清晰地反映出來(lái)。類似圖1，試驗(yàn)4在所有試驗(yàn)中距平相關(guān)系數(shù)震蕩最小，24 h和72 h預(yù)報(bào)在中前期雖不如試驗(yàn)1，但在中后期整體上要優(yōu)于試驗(yàn)1和試驗(yàn)3，這可能源于GPS和云海-2掩星探測(cè)資料的聯(lián)合同化，相互融合需要一定的適應(yīng)時(shí)間，才能體現(xiàn)聯(lián)合同化的效果。在120 h和168 h的預(yù)報(bào)中，前期試驗(yàn)4相對(duì)于試驗(yàn)3效果略優(yōu)，而中后期試驗(yàn)3則優(yōu)于試驗(yàn)4，這進(jìn)一步表明云海-2掩星探測(cè)資料在更長(zhǎng)時(shí)效的預(yù)報(bào)中發(fā)揮的作用更大。

圖2 同圖1 ，但為各試驗(yàn)在北半球500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的距平相關(guān)系數(shù)Fig.2 As in Fig.1,but for the anomaly correlation coefficientsof 500-hPa geopotential height in Northern Hemisphere for each experiment in Table 1

圖3為表1中各試驗(yàn)在南半球的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)距平相關(guān)系數(shù)。從試驗(yàn)1和試驗(yàn)2結(jié)果對(duì)比可以看出，同化GPS掩星探測(cè)資料在南半球整體發(fā)揮了較為明顯的正作用。試驗(yàn)1、2和試驗(yàn)3的對(duì)比結(jié)果表明，云海-2掩星探測(cè)資料在中前期同化應(yīng)用效果不佳，隨著日數(shù)增加，同化正效果逐步增強(qiáng)，后期優(yōu)于GPS掩星探測(cè)資料；試驗(yàn)1、試驗(yàn)3和試驗(yàn)4的結(jié)果對(duì)比表明，GPS和云海-2掩星探測(cè)資料在南半球的聯(lián)合同化效果在較長(zhǎng)時(shí)效的120 h、168 h的中后期較為明顯。

圖3 同圖1 ，但為各試驗(yàn)在南半球500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的距平相關(guān)系數(shù)Fig.3 As in Fig.1,but for the anomaly correlation coefficientsof 500-hPa geopotential height in Southern Hemisphere for each experiment in Table 1

4.2.2 850 hPa風(fēng)場(chǎng)均方根誤差

圖4為表1中各試驗(yàn)在東亞區(qū)域的850 hPa風(fēng)場(chǎng)的均方根誤差。對(duì)比試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的結(jié)果可以看出，同化GPS掩星探測(cè)資料能夠有效降低850 hPa風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)的均方根誤差。試驗(yàn)2和試驗(yàn)3的結(jié)果對(duì)比表明，同化云海-2掩星探測(cè)資料能夠有效降低850 hPa風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)均方根誤差，提高風(fēng)場(chǎng)的預(yù)報(bào)精度。對(duì)比試驗(yàn)1和試驗(yàn)3，同化云海-2掩星探測(cè)資料在24 h預(yù)報(bào)中對(duì)850 hPa風(fēng)場(chǎng)的改善幅度小于GPS掩星探測(cè)資料，72 h預(yù)報(bào)中同化GPS掩星探測(cè)資料和云海-2掩星資料對(duì)850 hPa風(fēng)場(chǎng)的改善幅度相當(dāng)，120 h和168 h預(yù)報(bào)中，同化云海-2掩星探測(cè)資料略優(yōu)于GPS掩星探測(cè)資料。對(duì)試驗(yàn)1、3和4的結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出對(duì)于GPS掩星探測(cè)資料和云海-2掩星資料的聯(lián)合同化，除了24 h預(yù)報(bào)中聯(lián)合同化效果不太理想，72 h、120 h和168 h預(yù)報(bào)中聯(lián)合同化的風(fēng)場(chǎng)均方根誤差整體最小，同化效果最好，尤其是在后期體現(xiàn)最為明顯。

圖5為表1中各試驗(yàn)在北半球的850 hPa風(fēng)場(chǎng)的均方根誤差。類似圖4，可以看出同化GPS掩星探測(cè)資料對(duì)850 hPa風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)的調(diào)整基本為正效應(yīng)，同化云海-2掩星探測(cè)資料能夠有效降低風(fēng)場(chǎng)的均方根誤差，提高風(fēng)場(chǎng)的預(yù)報(bào)精度。24 h、72 h預(yù)報(bào)中，同化GPS掩星探測(cè)資料優(yōu)于云海-2掩星探測(cè)資料，在更長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效的120 h和168 h中，同化云海-2掩星探測(cè)資料和GPS掩星探測(cè)資料對(duì)風(fēng)場(chǎng)調(diào)整的整體效果相當(dāng)，但在后期，同化云海-2掩星探測(cè)資料相對(duì)于GPS掩星探測(cè)資料呈現(xiàn)一定的優(yōu)勢(shì)（圖5b3、b4）。聯(lián)合同化GPS掩星探測(cè)資料和云海-2掩星探測(cè)資料在24 h預(yù)報(bào)中表現(xiàn)不理想，但在更長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效的72 h、120 h和168 h中的后期聯(lián)合同化表現(xiàn)出較好的效果。

圖4 同圖1 ，但為各試驗(yàn)在東亞區(qū)域的850 hPa水平風(fēng)速的均方根誤差Fig.4 Asin Fig.1, but for the RMSE (root mean square errors) of 850-hPa horizontal wind in East Asia for each experiment in Table 1

圖5 同圖1 ，但為各試驗(yàn)在北半球的850 hPa水平風(fēng)速的均方根誤差Fig.5 Asin Fig.1, but for the RMSE of 850-hPa horizontal wind in Northern Hemispherefor each experiment in Table1

圖6為表1中各試驗(yàn)在南半球的850 hPa風(fēng)場(chǎng)的均方根誤差，試驗(yàn)結(jié)果類似北半球，這里不再贅述。

圖6 同圖1 ，但為各試驗(yàn)在南半球的850 hPa水平風(fēng)速的均方根誤差Fig.6 Asin Fig.1, but for the RMSE of 850-hPa horizontal wind in Southern Hemispherefor each experiment in Table1

4.2.3 850 hPa溫度場(chǎng)均方根誤差

圖7為表1中各試驗(yàn)在東亞區(qū)域的850 hPa溫度均方根誤差。相對(duì)于試驗(yàn)1，除72 h預(yù)報(bào)外，試驗(yàn)2在其他時(shí)效的預(yù)報(bào)中均方根誤差整體呈增大趨勢(shì)，即同化GPS掩星探測(cè)資料對(duì)溫度場(chǎng)整體的調(diào)整基本為正效應(yīng)。相對(duì)于試驗(yàn)2，除了168 h外，試驗(yàn)3的溫度場(chǎng)均方根誤差在24 h、72 h和120 h預(yù)報(bào)中均有所降低，整體而言同化云海-2掩星探測(cè)資料對(duì)于溫度場(chǎng)預(yù)報(bào)具有明顯的改善效應(yīng)。對(duì)比試驗(yàn)1和試驗(yàn)3的結(jié)果，中前期同化GPS掩星探測(cè)資料在各時(shí)效的預(yù)報(bào)中整體要好于云海-2掩星探測(cè)資料，但隨著日數(shù)的增加，后期云海-2掩星探測(cè)資料的改善效果不斷增大，逐漸優(yōu)于GPS掩星探測(cè)資料。與試驗(yàn)1和試驗(yàn)3對(duì)比，從試驗(yàn)4的結(jié)果可以看出，聯(lián)合同化云海-2掩星探測(cè)資料和GPS掩星探測(cè)資料在整體均方根誤差震蕩最小，隨著日數(shù)的增加，聯(lián)合同化優(yōu)勢(shì)逐漸增強(qiáng)（尤其在中后期）。

圖8為表1中各試驗(yàn)在北半球的850 hPa溫度場(chǎng)的均方根誤差。對(duì)比試驗(yàn)1和試驗(yàn)2，可以看到同化GPS掩星探測(cè)資料對(duì)溫度場(chǎng)整體的改善作用，對(duì)比試驗(yàn)2和試驗(yàn)3，同樣可以看到同化云海-2掩星資料，溫度場(chǎng)整體也得到改善。進(jìn)一步對(duì)比試驗(yàn)1和試驗(yàn)3，可以看到同化GPS掩星探測(cè)資料在24 h預(yù)報(bào)中改善效果要優(yōu)于云海-2掩星探測(cè)資料，而在72 h、120 h和168 h預(yù)報(bào)中，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)和日數(shù)的增加，同化云海-2掩星探測(cè)資料相對(duì)于GPS掩星探測(cè)資料的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，類似于圖7，這種優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在更長(zhǎng)的預(yù)報(bào)時(shí)效中。對(duì)比試驗(yàn)1、試驗(yàn)3和試驗(yàn)4，可以看到聯(lián)合同化兩種掩星探測(cè)資料的優(yōu)勢(shì)也主要體現(xiàn)在更長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效的后期。

圖7 同圖1 ，但為各試驗(yàn)在東亞區(qū)域的850 hPa溫度的均方根誤差Fig.7 As in Fig.1,but for the RMSE of 850-hPa temperaturefield in East Asia for each experiment in Table 1

圖8 同圖1 ，但為各試驗(yàn)在北半球的850 hPa溫度的均方根誤差Fig.8 Asin Fig.1, but for the RMSE of 850-hPa temperaturefield in Northern Hemispherefor each experiment in Table1

圖9為表1中各試驗(yàn)在南半球的850 hPa溫度的均方根誤差，類似北半球，同化云海-2掩星探測(cè)資料對(duì)南半球溫度場(chǎng)的調(diào)整基本為正效應(yīng)。24 h預(yù)報(bào)中，同化GPS掩星探測(cè)資料優(yōu)于同化云海-2掩星探測(cè)資料，而72 h、120 h和168 h預(yù)報(bào)中，中前期同化GPS掩星探測(cè)資料相對(duì)于云海-2掩星探測(cè)資料仍然占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但隨著日數(shù)的增加，同化云海-2掩星探測(cè)資料逐漸優(yōu)于GPS掩星探測(cè)資料（尤其是在后期）；聯(lián)合同化GPS和云海-2掩星探測(cè)資料的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在中后期的72 h、120 h和168 h的預(yù)報(bào)中。

圖9 同圖1 ，但為各試驗(yàn)在南半球的850 hPa溫度的均方根誤差Fig.9 Asin Fig.1, but for the RMSE of 850-hPa temperaturefield in Southern Hemispherefor each experiment in Table1

5 總結(jié)

本文基于全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式T799L91及其四維變分同化系統(tǒng)，構(gòu)建了針對(duì)中國(guó)自主的云海-2掩星探測(cè)資料的同化流程，并以2019年7月整月開展了云海-2掩星探測(cè)資料的同化預(yù)報(bào)試驗(yàn)，考察云海-2掩星探測(cè)資料的同化效果，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）對(duì)于500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)而言，同化云海-2掩星探測(cè)資料在東亞區(qū)域能夠改善預(yù)報(bào)場(chǎng)精度，聯(lián)合同化云海-2和GPS掩星探測(cè)資料能夠進(jìn)一步提升預(yù)報(bào)精度；北半球的預(yù)報(bào)中，同化云海-2掩星探測(cè)資料相對(duì)于GPS掩星探測(cè)資料的優(yōu)勢(shì)、聯(lián)合同化云海-2掩星探測(cè)資料和GPS掩星探測(cè)資料的效果均主要體現(xiàn)在較長(zhǎng)的預(yù)報(bào)時(shí)效和中后期；南半球的預(yù)報(bào)中同化云海-2掩星探測(cè)資料的正效果主要體現(xiàn)在較長(zhǎng)的預(yù)報(bào)時(shí)效和中后期，但是聯(lián)合同化效果不理想。

（2）對(duì)于850 hPa風(fēng)場(chǎng)而言，東亞區(qū)域、北半球和南半球的預(yù)報(bào)中，同化云海-2掩星探測(cè)資料均能夠有效改善預(yù)報(bào)精度。24 h預(yù)報(bào)中，同化云海-2掩星探測(cè)資料的改善幅度小于GPS掩星探測(cè)資料，72 h、120 h和168 h的預(yù)報(bào)中，云海-2掩星探測(cè)資料和GPS掩星探測(cè)資料對(duì)預(yù)報(bào)的改善效果相當(dāng)，但在中后期云海-2掩星探測(cè)資料呈現(xiàn)一定的優(yōu)勢(shì)。聯(lián)合同化云海-2掩星探測(cè)資料和GPS掩星探測(cè)資料的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在更長(zhǎng)時(shí)效的72 h、120 h和168 h預(yù)報(bào)中，同樣的預(yù)報(bào)時(shí)效中，聯(lián)合同化優(yōu)勢(shì)在中后期更為明顯。

（3）對(duì)于850 hPa溫度場(chǎng)而言，同化云海-2掩星探測(cè)資料能有效改善預(yù)報(bào)精度；在較短時(shí)效的24 h預(yù)報(bào)中，同化GPS掩星探測(cè)資料優(yōu)于同化云海-2掩星探測(cè)資料，而在較長(zhǎng)時(shí)效的72 h、120 h和168 h預(yù)報(bào)中，隨著日數(shù)的增加，同化云海-2掩星探測(cè)資料逐漸優(yōu)于GPS掩星探測(cè)資料，尤其是在中后期；聯(lián)合同化兩種掩星探測(cè)資料的優(yōu)勢(shì)也主要體現(xiàn)在更長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效的中后期。

本文初步構(gòu)建了云海-2掩星探測(cè)資料在全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中的同化流程，試驗(yàn)結(jié)果表明了云海-2掩星探測(cè)資料在改善預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度方面的有效性，然而同化云海-2掩星探測(cè)資料在一些區(qū)域和預(yù)報(bào)時(shí)刻內(nèi)的改善效果還并不理想，這可能均源于云海-2掩星探測(cè)資料作為一種新觀測(cè)資料，對(duì)模式預(yù)報(bào)場(chǎng)的改善需要一定的調(diào)整適應(yīng)時(shí)間，其次目前對(duì)云海-2掩星探測(cè)資料的同化參數(shù)尚未優(yōu)化調(diào)整，同時(shí)本文僅是基于2019年7月開展云海-2掩星探測(cè)資料的同化應(yīng)用研究，試驗(yàn)結(jié)果存在一定的局限性，下一步將進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間序列的試驗(yàn)。