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user: 3. 臭氧资料同化数值实验 3.1. 卫星臭氧观测数据描述 目前，国内外已经研制了基于地面、航空和卫星等平台的大气臭氧观测系统，实现了对全球大气臭氧长期、连续的观测，为业务数值天气预报和气候研究提供了大量具有高价值的观测数据 [ 4 ] [ 5 ] 。相对于地面和航空观测技术，卫星遥感探测能够提供更高时间和空间分辨率的臭氧观测资料。尤其是卫星临边观测技术，因为能够提供近全球覆盖且高垂直分辨率的观测数据，所以在大气臭氧探测中具有较大优势。采用前面描述的卫星臭氧观测资料同化技术后，目前在全球四维变分同化系统中已经实现了对扫描成像大气吸收光谱仪(SCIAMACHY，Scanning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric Cartography)臭氧气柱总量观测资料的同化。SCIAMACHY能同时进行天底、掩星和临边三种模式的大气观测，它的8个探测通道分布于紫外/可见光和近红外到中红外区域，可同时用于多种大气微量气体和气溶胶分布等的反演，能够全面地提供大气成分信息 [ 10 ] 。本文中同化的是基于差分光学吸收光谱方法((DOAS)反演的SCIAMACHY臭氧气柱总量，分辨率为60 km× 30 km，数据相对误差大约为2%。DOAS反演方法能够从大气临边散射数据反演得到大气臭氧垂直分布廓线和气柱总含量，具有能够消除观测光谱中由瑞利散射及米散射等引起的波谱特征的优点。 3.2. 观测资料同化结果分析 采用上面的臭氧观测资料同化技术后，在高分辨率全球四维变分资料同化系统中实现了对SCIAMACHY臭氧气柱总量观测资料的同化，被同化观测类型主要包括：常规观测资料、卫星辐射率、卫星臭氧观测等，具体如表1，表2所示。卫星辐射率资料主要是晴空微波温湿和红外辐射率探测资料，包括的仪器有先进微波探测单元A/B (AMSU-A/B)、微波湿度探测仪(MHS)和红外探测仪4型(HIRS-4)。由于资料同化方法的局限性，目前对于云雨区域、陆地和冰面的辐射率观测数据暂不进行同化。对于卫星臭氧观测资料，由于同化的是总气柱臭氧反演量，所以不区分海表、陆地和冰面等下垫面情形。SCIAMACHY仪器在高纬度和极地地区以高频方式扫描观测，从而能够对解决该区域观测稀少问题具有一定作用。在本实验中选用的时间段是 2012 年 2 月 1 日 00 时 到2012年3月10日12时，从 2 月 1 日 00 时 开始在四维变分资料同化系统中引入卫星臭氧观测，因为同化初始时段内臭氧分析场和臭氧观测量之间有一个协调过程，所以选用经过一段时间以后的 2012 年 2 月 20 日 00 时 的同化结果进行分析。 从表1中可知，由于卫星臭氧观测资料同化的引入，一定程度上增加了常规资料中地面报和探空报观测要素的数量，使两种类型观测利用率有所提高。通常认为探空报的观测质量较高，被同化观测数量的增加说明了通过臭氧观测资料同化能改善同化系统的分析效果。原因是新臭氧观测数据的引入增加了新观测信息和填补了某些观测信息“盲区”，使得分析场和背景场的质量进一步提高，增加了与观测实况的一致性，从而使得原来不能被同化的观测能够被同化，从而对分析场产生正贡献。对其它两种类型的常规观测(飞机报和测风报)，因为被同化观测要素数量几乎没有变化，所以不在此处赘述。 Table 1 Impact of satellite ozone data assimilation on the number on two kinds of conventional observations which are assimilate 种类 情形 地面报数量 探空报数量 不同化臭氧 81，601 79，876 同化臭氧 81，641 79，894 表1. 卫星臭氧观测资料同化对两类常规观测资料同化数量的影响 Table 2 Screening results of all kinds of observation used in the global 4D-Var system (statistics of 12-hour long assimilation window at 00 UTC on February 20， 2012 观测类型 观测量 被同化观测量 利用率(%) SYNOP 2，242，813 81，641 3.64% AIREP 121，700 59，538 48.92% TEMP 391，149 79，894 20.43% PILOT 45，960 14，818 32.24% RADIANCE 14，274，400 542，520 3.80% OZONE 35，511 32，522 91.58% 合计 17，111，533 810，933 4.74% 表2. 四维变分同化系统中观测元素筛选结果(2012年02月20日00时12小时同化窗口的统计量) 表2表示的是 2012 年 2 月 20 日 00 时 12小时同化窗口内不同类型观测数据元素总数量、被同化利用的观测数量及观测利用率。目前在全球四维变分资料同化系统中，对于SYNOP观测，同化的观测要素包括 2 米 湿度、 2 米 温度、地表气压和 10 米 风矢量；对于飞机报观测，同化的观测要素包括温度和风分量；对于探空观测TEMP，同化的观测要素包括湿度、温度和风分量；对于测风报观测PILOT，同化的观测要素主要是风分量；对于卫星辐射(RADIANCE)观测，同化的观测要素主要是辐射率。从表2中可知，就被同化的观测要素而言，卫星臭氧气柱总含量观测的同化利用率最高；飞机报和测风报观测数据的利用率次之；辐射率和地面报两类观测数据利用率较低，大部分观测数据不能通过同化系统严格的质量控制和筛选步骤。通过上面的分析可知，就四维变分同化系统对观测要素的利用情况而言，卫星臭氧观测要素的利用率最高，远远高于其它种类的观测要素。一方面说明由SCIAMACHY仪反演的臭氧气柱总量观测质量较好，另外一方面进一步表明本文实现的临近空间臭氧资料四维变分同化功能是正确的，能有效同化绝大部分卫星臭氧观测资料。 3.3. 臭氧总含量分析场对比 分析场是指同化系统在融合各种信息后直接生成的与实际情况最接近的某一时刻大气状态场。本文所实现的全球四维变分资料同化系统生成的分析场包含了温度、压强、湿度、风场和臭氧含量等大气状态变量，所得臭氧分析变量是全球三维臭氧质量混合比。全球三维臭氧质量混合比经过垂直方向的累加计算后可以获得全球分布的总气柱臭氧含量。为了说明卫星臭氧资料同化后对全球臭氧分析场的影响，下面给出气柱臭氧总含量分析场的空间分布。 图1，图2给出了南北半球总气柱臭氧含量(单位：千克/米 2 )分析场的空间分布图。在图1和图2中，左图为不同化SCIAMACHY臭氧观测资料的结果，右图为同化SCIAMACHY臭氧观测资料的结果。两图对比可知，同化卫星臭氧观测资料后，无论是北半球还是南半球总气柱臭氧含量的分布具有明显变化。首先臭氧的最大值、最小值有较大变化；其次是总气柱臭氧含量高值区和低值区的形状在同化臭氧观测资料前后明显不同，臭氧空间分布范围具有向极值区缩小的特征，相对来说在同化卫星臭氧观测资料后南半球臭氧分布形式具有更大的变化，原因是进入同化系统的SCIAMACHY卫星臭氧观测资料大部分 图1. 2012年2月20日00时北半球臭氧气柱总含量分析场对比(左图为不同化SCIAMACHY臭氧观测资料的结果，右图为同化SCIAMACHY臭氧观测资料的结果) 图2. 2012 年 2 月 20 日 00 时 南半球臭氧气柱总含量分析场对比(左右图情形与图1类似) 分布在南半球；最后总的趋势是同化SCIAMACHY臭氧观测资料后分析场中的总气柱臭氧含量有降低的趋势。 3.4. 臭氧总含量预报场对比 全球四维变分资料同化系统生成的全球臭氧质量混合比三维格点分析场输入全球大气环境数值预报模式后，进行10天模式预报能生成三维臭氧质量混合比、温度、湿度、风场等的预报产品，水平方向分辨率为 25 千米 ，垂直方向是91层。全球三维臭氧质量混合比预报产品经过垂直方向的累加计算后可以获得全球分布的总气柱臭氧含量。为了进一步说明卫星臭氧资料同化后对全球臭氧预报场的影响，给出了图3，图4南半球24和48小时两个不同预报时效的总气柱臭氧含量(单位：千克/米 2 )预报场的空间分布图。在图3，图4中，左图为不同化SCIAMACHY臭氧观测的预报结果，右图为同化SCIAMACHY臭氧观测后的预报结果。两图对比可知，同化卫星臭氧观测资料后，南半球总气柱臭氧含量预报场的分布具有明显变化：臭氧预报场的最大值、最小值有较大变化，总气柱臭氧预报场的高值区和低值区形状在同化臭氧观测资料前后明显不同，在同化SCIAMACHY臭氧观测资料后各个预报时次的总气柱臭氧含量有下降的趋势。经仔细对比易知，南半球许多区域各个时次预报场的细微结构完全不同。综上所述，经过20天的全球同化后，卫星臭氧观测资料的对南半球臭氧预报场带来了较大的变化，从而进一步说明了卫星臭氧资料同化后对全球臭氧预报场的影响。 3.5. 分析预报技巧比较 为了客观定量地比较卫星臭氧测资料同化对数值预报效果的影响，采用世界气象组织推荐的标准统计检验程序针对39天(从2012年2月1日到2012年3月10日)的全球分析预报产品进行了统计检验对比试验。两组对比试验设计如下，同化卫星臭氧测资料的实验记为O 3 DA，将无卫星臭氧测资料同化作为控制试验(记为NoO 3 DA)。首先进行了2012年02月的同化预报批量运行试验，同化窗口设置为12小时，每天运行世界时00时和12时两次同化，其中00时次的同化结果作为10天预报的初始场，全球模式生成模式层上的涡度、散度、温度、地面气压、比湿、臭氧等10天预报产品，并进行后处理。再利用标准统计检验程序计算了在有、无卫星臭氧观测资料同化两种情况下500 hPa位势高度10天预报的距平相关(ACC)和均方根误差(RMSE)月平均值。统计检验主要对北半球区域内的网格点进行计算，文中主要的 图3. 2012 年2 月20 日00 时 南半球臭氧气柱总含量24小时预报场对比(左右图情形与图1类似) 图4. 2012 年 2 月 20 日 00 时 南半球臭氧气柱总含量48小时预报场对比(左右图情形与图1类似) 检验变量是位势高度场。 统计检验对比情况如表3，表4所示，分别展示了2012年2月北半球500 hPa位势高度10天预报的月平均距平相关值和均方根误差值。对以位势高度预报距平相关为预报技巧评分指标而言，在同化卫星臭氧观测资料以后对北半球第一天至第十天预报都产生了一定的正效应，而且随着预报时间延长，预报技巧提高越大，从而说明通过卫星观测资料同化带来的改进效果越大；从南半球500 hPa位势高度10天预报的距平相关数值来看，通过同化卫星臭氧观测资料对第一天至第八天预报都产生了一定的正效应，第九天的预报技巧具有一定程度的下降，而第十天基本持平。 对以位势高度预报均方根为预报技巧评分指标而言，在同化卫星臭氧资料以后，北半球第一天至第十天的月平均均方根误差值都有显著减小，且大体呈现预报时间越长均方根误差值减小幅度越大的趋势，从而说明通过卫星观测资料同化对北半球形势预报带来的改进效果越大；而南半球也有明显改进，均方根值从第一天至第十天预报都呈现一致减小，但没有呈现明显的特征趋势。 总而言之，由于位势高度是一个综合量，其统计检验反映了同化预报系统整体的性能，因此可以 Table 3 Comparison of monthly average anomaly correlation coefficient (ACC) for ten-day global forecast fields of 500 hPa geopotential height in February 2012 时间 实验名称 24 h 48 h 72 h 96 h 120 h 144 h 168 h 192 h 216 h 240 h 北半球 NoO3DA 0.993 0.979 0.953 0.910 0.851 0.781 0.709 0.626 0.558 0.488 O3DA 0.994 0.980 0.957 0.917 0.860 0.788 0.718 0.638 0.585 0.533 南半球 NoO3DA 0.988 0.965 0.924 0.867 0.789 0.696 0.595 0.479 0.387 0.287 O3DA 0.990 0.970 0.935 0.881 0.810 0.704 0.602 0.494 0.369 0.288 表3. 2012年2月500 hPa位势高度10天预报的月平均距平相关值 Table 4 Comparison of root-mean-square error (RMSE) for ten-day global forecast fields of 500 hPa geopotential height in February 2012 时间 实验名称 24 h 48 h 72 h 96 h 120 h 144 h 168 h 192 h 216 h 240 h 北半球 NoO3DA 9.383 17.459 26.724 38.186 49.224 59.655 70.552 80.759 88.190 95.793 O3DA 9.083 16.831 25.448 36.407 47.590 58.772 69.583 79.566 86.576 92.997 南半球 NoO3DA 10.124 18.755 29.114 40.931 52.962 64.541 75.348 86.355 95.290 101.521 O3DA 8.948 16.976 26.769 38.472 50.390 63.186 74.624 84.528 94.848 101.290 表4. 2012年2月500 hPa位势高度10天预报的月平均均方根误差值 得出如下结论：卫星臭氧资料为全球四维变分资料同化系统引入了有价值的观测信息，通过同化方法产生的更接近真实情形的臭氧分布能大幅度地改进原有辐射方案中的计算，克服了在数值天气预报中应用臭氧气候值的缺点，最终提高了南北半球数值天气预报的预报评分。