我国全球大气再分析(CRA-40)卫星遥感资料的收集和预处理 王旻燕;姚爽;姜立鹏;刘志权;师春香;胡开喜;张涛;张志森;刘景卫
【摘 要】卫星资料对数值天气预报准确率的影响非常显著.可用于1979年以来全球大气再分析的卫星资料,来源于80余颗卫星的约60种星载传感器,卫星观测资料数据格式的标准化、长时间序列数据使用和均一化处理技术难点多.在推进我国全球大气再分析(CRA-40,1979—2018年)研发时,已优先开展并全面完成了83.5TB的1979年以来53种115个子类气象卫星资料的收集整合.介绍了面向我国全球大气再分析所用卫星资料的收集整合情况、对应于10年再分析试制产品CRA-Interim(2007—2016年)的数据格式标准化和卫星资料数据质量预评估等观测资料预处理情况.近年发布的重处理卫星数据产品已替换了原同期业务产品.所收集整合的这些历史和实时卫星资料,已逐步通过全国综合气象信息共享平台(CIMISS)归档和提供应用服务. 【期刊名称】《气象科技进展》
【年(卷),期】十七届二中全会2018(008)001
【总页数】6页(P158-163)
【关键词】再分析;CRA-40;卫星遥感资料;收集整合;预处理;同化
硬度换算【作 者】王旻燕;姚爽;姜立鹏;刘志权;师春香;胡开喜;张涛;张志森;刘景卫
【作者单位】国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;美国国家大气研究中心,博尔德 80301,美国;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081
【正文语种】中 文
0 引言
从20世纪90年代中期开始，美国、欧盟和日本等先后组织和实施了一系列全球大气再分析计划，这些计划生成的再分析产品使用价值和获得的应用效益，已远远超过观测资料本身。全球大气再分析是利用当前最先进并固定的同化系统，对多源历史观测资料进行同化
分析，从而获取空间覆盖完整、时间序列均一、大气状态变量协调的长时间序列大气要素分析场。自1979年全球大气研究计划第一次全球试验（FGGE）以后，大气分析场的科研和社会应用价值逐渐被重视起来。20世纪90年代，NASA DAO[1]（2°×2.5°，14层）、NCEP R1[2]（210 km，28层）、ERA-15[3]（125 km，31层）等使用最优插值同化技术的第一代全球大气再分析问世。21世纪初，以三维变化同化技术为特的第二代再分析产品NCEP R2[4]（210 km，28层）、ERA-40[5]（125 km，60层）、JRA-25[6]（110 km，40层）极大地推动了现代大气科学的发展。2010年后，以增量分析更新、四维变分、耦合同化为特的第三代再分析产品CFSR[7]（38 km，64层）、MERRA[8]（1/2°×2/3°、72层）、ERAInterim[9]（79 km，60层）、JRA-55[10]（55 km，60层）时间序列更长、空间分辨率更高、多圈层耦合性更强。目前，国际上正在实施第四代混合变分、四维同化集合变分的全球大气再分析计划，如ERA-5[11-12]（31 km，137层）、JRA-3Q、NCEP/ESRL等。
南无拳
ip调度系统大气再分析涉及数值模式、资料同化和资料处理技术，被认为是一个国家气象综合实力的体现。但迄今为止，我国还没有自主研制的大气再分析产品，气象业务和科研上摆脱不了对欧美的依赖。因此，研发中国自主的全球大气再分析产品已刻不容缓。波尔
我国全球大气再分析CRA-40（CMA's Global Atmospheric ReAnalysis，1979—2018年）计划[13]的总体目标是制作四个40年数据集，其中，原始观测数据集是再分析数据集、同化反馈数据集、再分析不确定性数据集的基础。常规观测数据的积累我国已有很好的基础，而用于全球大气再分析的1979年以来全球卫星遥感历史数据的处理，无论是清单制定、来源确认、数据获取、规范整合，还是格式标准化、黑名单信息应用、同化测试、质量控制和评估等，都存在相当大的空白。
全球数值预报不使用卫星资料，可使预报准确率下降23.4%，而不使用探空观测的T、q、u和T、q将使预报准确率分别下降9.9%和2.2%，卫星资料对预报准确率的影响大大超过传统的探空观测[14]。国家气象信息中心自2013年底开始牵头准备和组织全球大气再分析计划以来，考虑到全球卫星遥感数据中历史数据和实时数据的不同特点，已全面完成了历史卫星数据的收集整合和实时数据接入；数据格式转换、数据预评估等数据预处理也分别针对实时数据、历史数据逐步开展。
本文第1部分分析了2010年以后国际上全球大气再分析对卫星遥感资料的需求，第2部分总结了我国第一代全球大气再分析的卫星资料收集整合情况，第3部分针对同化应用需求具体
描述了与观测资料使用相关的数据格式标准化处理、不同来源数据选择和拼接、卫星数据质量预评估的情况。第4部分对全文进行总结。
1 全球大气再分析所用卫星遥感资料
用于全球大气再分析的卫星观测资料，涉及到1979年以后的近80余颗气象观测卫星的60种左右星载传感器[13]。其中，气象观测卫星包括近20余颗静止气象卫星和60颗左右极轨卫星、美国国防卫星、GPS导航卫星，星载传感器包括近10个静止卫星上搭载的传感器和近50个极轨卫星传感器。用于ERA-Interim的卫星仪器数接近50台，1989年只有6台，而2010年达到20台[9]。美、欧、日、中、印、加、法等国家全球空间对地遥感观测系统的建立，以及卫星遥感技术的发展，极大程度地弥补了常规探测在观测范围、观测采样、协同观测等方面的局限性问题。
国际上第三代全球再分析产品C F S R[7]、MERRA[8]、ERA-Interim[9]、JRA-55[10]等的卫星观测资料输入，主要以极轨卫星垂直探测的辐射率或亮温（SSU、MSU、AMSU-A、AMSU-B/MHS、HIRS等）、GPS掩星观测的大气廓线（CHAMP、COSMIC等）、静止及极轨卫星观测的大气运动矢量（GOES、METEOSAT、GMS和MTSAT、FY-2、TERRA和昭阳e255
AQUA/MODIS、NOAA和MetOp/AVHRR等）、洋面风（ERS、QuikSCAT、ASCAT等）和浪高、臭氧等数据为主。浪高数据的输入取决于再分析计划是否使用海洋模式。降雨率/大气可降水/气溶胶光学厚度等卫星产品，也会选择性地使用。除此以外，国际第三代再分析产品的制作过程中大量使用了静止卫星辐射率和极轨卫星高光谱数据，例如，ERAInterim使用美、日、欧静止卫星晴空辐射率和AIRS数据，CFSR使用GOES辐射率和AIRS、IASI高光谱数据，MERRA使用GOES/Sounder和AIRS数据，JRA-55使用美、日、欧静止卫星辐射率。
2 卫星遥感资料的收集整合
通过广泛调研，分析了国际上第二代、第三代、正在发展的再分析计划在卫星遥感资料应用方面的情况后，分多个批次目前已全面完成CRA-40所需气象卫星观测资料的历史数据收集整合，资料清单、时间段、数据来源以及历史和实时情况见表1。涉及 53种气象卫星资料的 115个子类中，有31个正在进行准实时自动追加。截至2017年12月底，数据总量为83.5 TB，日增量约11.26 GB。其中，最大数据量的卫星数据是2012年3月—2016年3月Suomi NPP/ CrIS传感器数据记录和地理位置数据（47.3 TB）。
这些卫星资料按相关标准进行了规范存储和说明文档撰写[15]、正逐步通过全国综合气象信息共享平台（CIMISS，China Integrated Meteorological InformationService System）进行数据归档和提供应用服务。
表1 我国全球大气再分析主要卫星观测资料清单Table 1 Main satellite observational data used in CRA-40注：NESDIS表示NOAA美国国家环境卫星数据和信息服务中心，CLASS表示NOAA综合性大型阵列数据管理系统，JAXA表示日本宇宙航空研究开发机构，JMA表示日本气象厅，EKMI表示丹麦气象研究所（哥本哈根），CM SAF表示欧洲气候监测卫星应用机构，EDZW表示德国（奥芬巴赫），RSS表示美国遥感系统公司。要素 资料清单时间段 来源 历史 实时微波辐射率TOVS和ATOVS垂直探测数据1979年至今 NESDIS、EUMETSAT √ √Suomi NPP/ATMS辐射率数据（HDF-历史，BUFR-实时） 2011年至今 CIMSS＋CLASS、NESDIS √ √AQUA/AMSR-E亮温数据、ADEOS-II/AMSR亮温数据 2002—2011年 JAXA √ 停GCOM-W1/AMSR-2亮温数据 2012年至今 JAXA √ √SSM/I和SSMIS辐射率-重处理 1987—2015年 CM SAF √ ×FY-3C/MWHS亮温数据 2013年至今 NSMC √ √红外探测辐射率AQUA/AIRS L1辐射率数据2015年至今 NASA × √MetOp/IASI简化的光谱样例通道辐射率（RED）数据 2015
年至今 EUMETSAT × √Suomi NPP/CrIS辐射率数据（HDF-历史，BUFR-实时） 2012年至今 CIMSS＋CLASS、NESDIS √ √静止卫星辐射率METEOSAT晴空辐射率（CSR）数据-重处理和实时 1982年至今 EUMETSAT √ √日本静止气象卫星晴空辐射率（CSR）数据-重处理和实时 1995年至今 JMA √ √GOES/Sounder和Imager圆盘图数据 1995年至今 NOAA 测试收 √大气运动矢量GOES、METEOSAT、日本静止气象卫星大气运动矢量产品-重处理和实时1982年至今 CIMSS、EUMETSAT、JMA（历史-官方协议） √ √FY-2C/E大气运动矢量产品-重处理和实时 2005—2013年 NSMC √ √NOAA/AVHRR极地风产品-重处理和实时 1982年至今 CIMSS、NESDIS √ √MetOp/AVHRR极地风产品-重处理和实时 2007年至今 EUMETSAT √ √TERRA & AQUA/MODIS极地风产品 2004年至今 NESDIS √ √GPS掩星CHAMP、GPS/MET、GPS/METAS、C/NOFS、SACC、MetOp、COSMIC、TerraSAR-X、GRACE掩星数据（重处理、后处理、准实时） 1995—2016年 UCAR CDAAC √ /GNSS实时（包括COSMIC、TerraSAR-X、TanDEM-X、GRACE-A/B、MetOp-A/B等）2015年至今 NCAR、EKMI、EDZW / √洋面风QuikSCAT/SeaWinds、Oceansat-2/OSCAT洋面风产品 1999—2014年 KNMI √ 停MetOp/ASCAT洋面风产品-重处理和实时 2007年至今
EUMETSAT、KNMI √ √Coriolis/WindSAT海洋观测产品、SSM/I海洋产品（V7） 1987—2016年 RSS √ 停
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