劉 樂，李耀東

(1.中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京 211101；2.北京航空氣象研究所，北京 100085)

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RTTOV快速輻射傳輸模式應(yīng)用研究進(jìn)展

劉 樂1，2，李耀東2

(1.中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京 211101；2.北京航空氣象研究所，北京 100085)

摘要RTTOV(Radiative Transfer for TOVS)是近期出現(xiàn)的一個(gè)比較優(yōu)秀的快速輻射傳輸模式。該研究介紹了RTTOV工作的原理和方法，從提高數(shù)值預(yù)報(bào)模式準(zhǔn)確度和模擬衛(wèi)星輻射亮溫2個(gè)方面出發(fā)，綜述了RTTOV模式的應(yīng)用研究進(jìn)展。結(jié)果顯示，利用RTTOV將衛(wèi)星資料直接同化到數(shù)值預(yù)報(bào)模式中，能顯著提高數(shù)值預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度；同時(shí)，RTTOV能夠較好地模擬晴空條件下衛(wèi)星接收到的輻射亮溫，有云條件下的模擬值與實(shí)測(cè)值之間的誤差大于晴空條件。利用RTTOV模擬得到的亮溫進(jìn)行仿云圖制作，在一定程度上可以判斷云體和云系的移動(dòng)及發(fā)展變化，進(jìn)而改善氣象預(yù)報(bào)和保障業(yè)務(wù)。

關(guān)鍵詞RTTOV；快速輻射傳輸模式；同化；正演；亮溫

The Application and Research Advances of RTTOV Fast Radiative Transfer Mode

LIU Le1,2, LI Yao-dong2(1.Meteorological Oceanographic Institute, PLA University of Science and Technology, Nanjing, Jiangsu 211101;2. Beijing Aviation Meteorological Institute, Beijing 100085)

AbstractRTTOV (Radiative Transfer for TOVS) is a good fast radiative transfer model. The working principle and method of RTTOV was introduced, the application and research advances were reviewed from two aspects of improving the numerical forecast’s accuracy and simulating satellite radiation TBB. The results showed that using RTTOV to assimilate satellite data directly into the numerical prediction model can obviously improve the accuracy of numerical prediction; meanwhile, RTTOV can better simulate satellite accepted TBB under clean sky condition, the error between simulated value and measured value under the cloud condition is greater that in clear sky condition. Using TBB can make satellite cloud images, determine the movement and change of clouds, cloud system in a certain extent, further improve weather forecasting and security business.

Key wordsRTTOV; Fast radiative transfer mode;Assimilation; Forward modeling; TBB

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(Numerical Weather Prediction)的準(zhǔn)確度主要由數(shù)值模式本身的完善程度和數(shù)值模式初始場(chǎng)的準(zhǔn)確度來(lái)決定。目前，數(shù)值預(yù)報(bào)模式本身已經(jīng)不斷趨于完善，而模式初始場(chǎng)的準(zhǔn)確度還有很大的提升空間。數(shù)值模式的初始場(chǎng)通常由觀測(cè)資料提供，觀測(cè)資料包括常規(guī)觀測(cè)資料和非常規(guī)觀測(cè)資料，其中，衛(wèi)星資料就屬于非常規(guī)觀測(cè)資料中很重要的一項(xiàng)。目前世界上各個(gè)主要天氣預(yù)報(bào)中心的全球資料同化系統(tǒng)所采用的觀測(cè)資料中，衛(wèi)星資料的數(shù)量超過(guò)了90%[1]。如果數(shù)值預(yù)報(bào)中不使用衛(wèi)星資料，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率將下降23.4%[2]。在世界先進(jìn)的中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中，衛(wèi)星資料同化已起到十分關(guān)鍵的作用[3]。

與常規(guī)觀測(cè)不同，衛(wèi)星探測(cè)量一般為輻射率，它不是數(shù)值模式的變量，無(wú)法為模式所直接使用。衛(wèi)星資料同化有間接同化和直接同化2種方式，間接同化即先由衛(wèi)星探測(cè)資料反演出大氣溫度和濕度等大氣參數(shù)的垂直廓線，然后同化反演結(jié)果，其反演過(guò)程與數(shù)據(jù)同化過(guò)程是相互獨(dú)立、分別進(jìn)行的；直接同化即利用快速輻射傳輸模式正演得到的輻射亮溫值與直接引入數(shù)值預(yù)報(bào)模式變分同化系統(tǒng)中的實(shí)際衛(wèi)星輻射亮溫值進(jìn)行對(duì)比，要使正演的亮溫與實(shí)際值趨于接近，就必須不斷調(diào)整初始場(chǎng)的大氣溫度、濕度等大氣廓線，經(jīng)過(guò)調(diào)整的大氣廓線更為準(zhǔn)確，這樣不僅能從觀測(cè)中獲取更多的信息，且避免了復(fù)雜的衛(wèi)星資料反演計(jì)算及其帶來(lái)的誤差。所有基于衛(wèi)星探測(cè)輻射信息的同化系統(tǒng)均利用預(yù)報(bào)場(chǎng)或無(wú)線電探空廓線作為初始場(chǎng)，正演模擬輻射亮溫的方案。作為同化過(guò)程的一部分，利用輻射傳輸模式進(jìn)行正演計(jì)算是必須的。因此，運(yùn)用RTTOV(Radiative Transfer for TOVS)快速輻射傳輸模式和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品資料，可以模擬衛(wèi)星輻射亮溫，進(jìn)行仿云圖制作，從衛(wèi)星云圖上得到云的有關(guān)信息，在天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)上有重要作用?；谝陨侠碚撘罁?jù)，RTTOV快速輻射傳輸模式的應(yīng)用主要分為2個(gè)部分：①在數(shù)值預(yù)報(bào)初始場(chǎng)中直接同化衛(wèi)星輻射亮溫，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率；②將快速輻射傳輸模式單獨(dú)使用，用于模擬衛(wèi)星輻射亮溫，進(jìn)行仿云圖的制作。筆者介紹了RTTOV工作的原理和方法，從提高數(shù)值預(yù)報(bào)模式準(zhǔn)確度和模擬衛(wèi)星輻射亮溫2個(gè)方面出發(fā)，綜述了RTTOV模式的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1RTTOV模型介紹

RTTOV系列是20世紀(jì)90年代初由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)開發(fā)的快速輻射傳輸模式，最初用于模擬TOVS(NOAA’s TIROS Operational Vertical Sounder，TIROS 業(yè)務(wù)垂直探測(cè)儀)衛(wèi)星，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能夠模擬全世界幾十種氣象衛(wèi)星探測(cè)的地球環(huán)境紅外和微波輻射。RTTOV7以后的版本均可以模擬大氣紅外探測(cè)器(Atmospheric InfraRed Sounder,AIRS)等新一代紅外高光譜分辨率衛(wèi)星探測(cè)器資料[4]。目前已經(jīng)更新至RTTOV11，該版本包含了云散射模塊(RTTOV_SCATT)，能夠更好地模擬有云條件下的微波和紅外輻射[5]。

假設(shè)大氣為局地?zé)崃?、?dòng)力平衡的平行平面大氣，在不考慮散射的條件下，衛(wèi)星接收到的輻射表示為：

L(υ，θ)=(1-N)LClr(υ，θ)+NLCld(υ，θ)

(1)

式中，υ為觀測(cè)通道的中心波數(shù)，θ為衛(wèi)星觀測(cè)角度，N為云量，LClr(υ，θ)為晴空時(shí)的大氣層頂向上輻射，LCld(υ，θ)為有云時(shí)的大氣層頂向上輻射。LClr(υ，θ)包含了表面輻射和大氣輻射兩部分，定義為：

(2)

LCld(υ，θ)的定義為：

(3)

式中，τCld(υ，θ)為云頂?shù)酵鈱涌臻g的透射率，TCld為云頂溫度。對(duì)于厚而密的云層，其紅外出射率假設(shè)為均一值(ε=1)。

由(2)式和(3)式得出，要計(jì)算有云條件下衛(wèi)星接收到的輻射，關(guān)鍵是要知道透射率。

模式相應(yīng)氣壓層j到大氣層頂?shù)目偟耐ǖ劳干渎蕿?種氣體透射率的乘積：

(4)

式中，上標(biāo)mix、wv、oz分別表示均勻混合氣體、水汽、臭氧3種氣體種類，而透射率和光學(xué)厚度之間可以相互轉(zhuǎn)化：

τv,j=exp(-|σv,j|)

(5)

對(duì)于給定的大氣狀態(tài)(大氣溫度、水汽、臭氧廓線)和表面參量(表面發(fā)射率、氣壓、溫度)，沿著儀器的觀測(cè)方向，可以計(jì)算出3種氣體的光學(xué)厚度：

(6)

式中，Xj，k為依賴于廓線的預(yù)報(bào)因子，m為預(yù)報(bào)因子的個(gè)數(shù)。av，j，k是分別按3組氣體預(yù)先計(jì)算好的快速透過(guò)率系數(shù)，RTTOV中有專門的系數(shù)文件來(lái)儲(chǔ)存這些系數(shù)。

利用快速輻射傳輸模式，依據(jù)輸入的預(yù)報(bào)因子、回歸系數(shù)和式(6)計(jì)算各模式層到大氣層頂?shù)墓鈱W(xué)厚度，再根據(jù)式(4)和式(5)計(jì)算大氣透射率，最后根據(jù)式(1)正演計(jì)算出衛(wèi)星觀測(cè)到的輻射率。若云層很厚而稠密，則在紅外譜段可以將云視作黑體，這時(shí)衛(wèi)星在紅外大氣窗測(cè)量的輻射來(lái)自云頂表面的溫度，根據(jù)普朗克黑體輻射公式就能推得云頂表面的溫度，再根據(jù)大氣廓線就可推得云頂高度。

RTTOV模式要求的初始參量包含了從地面到0.1hPa的大氣溫度和水汽廓線、表面溫度、水汽和氣壓以及一些云參數(shù)。為了滿足O3探測(cè)通道的需求，RTTOV將O3廓線也作為模式的初始輸入變量。RTTOV8以后的版本中包含了云散射模塊(RTTOV_SCATT)，相比RTTOV的晴空輻射模塊，輸入變量中增加了對(duì)大氣水凝物含量的要求，這些變量包括云水混合比、云冰混合比、雨水流量和云量。

在確定表面出射率時(shí)，針對(duì)微波波段，RTTOV提供FASTEM1～5共5種參數(shù)化方案。對(duì)于紅外輻射，RTTOV有默認(rèn)的系統(tǒng)值，陸面出射率為0.98，海-冰表面出射率為0.99，而海面出射率由ISEM參數(shù)化方案計(jì)算得出。

2RTTOV的應(yīng)用研究進(jìn)展

2.1RTTOV在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)同化中的應(yīng)用直接同化衛(wèi)星資料一般采用變分法來(lái)實(shí)現(xiàn)。直接同化衛(wèi)星資料時(shí)，衛(wèi)星探測(cè)的輻射率資料將被直接引入變分同化系統(tǒng)，通過(guò)快速輻射傳輸模式模擬衛(wèi)星探測(cè)到的大氣層頂向上的輻射率，經(jīng)變分系統(tǒng)中定義目標(biāo)函數(shù)表征該模擬值與相應(yīng)衛(wèi)星觀測(cè)輻射率之間的差，將衛(wèi)星探測(cè)信息轉(zhuǎn)換為大氣狀態(tài)變量，再利用極小化算法迭代計(jì)算出最接近實(shí)際大氣狀態(tài)大氣溫度、濕度等變量[2]。

利用RTTOV模式將衛(wèi)星資料同化到數(shù)值預(yù)報(bào)模式中，能顯著提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。Derber等[6]將TOVS晴空輻射資料直接同化到美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NationalCentersforEnvironmentalPrediction，NCEP)同化系統(tǒng)之中，改進(jìn)了模式的預(yù)報(bào)技巧。Okamoto等[7]在NCEP的全球模式中同化了特別微波成像輻射計(jì)(SpecialSensorMicrowaveImager，SSM/I)輻射資料，提高了預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確度。暴雨、龍卷和雷暴等強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)，由于其空間尺度小、時(shí)間尺度短的特點(diǎn)，用常規(guī)資料很難觀測(cè)到，但衛(wèi)星卻可以觀測(cè)到中小尺度云系的發(fā)生、發(fā)展、成熟和消亡的全過(guò)程，因此，同化衛(wèi)星資料對(duì)中小尺度系統(tǒng)的預(yù)報(bào)具有重要意義。丁偉鈺等[8]基于全球區(qū)域同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GlobalandRegionalAssimilationandPredictionEnhancedSystem，GRAPES)，根據(jù)RTTOV的特點(diǎn)，增加云水含量、云冰水含量和云量作為同化系統(tǒng)控制變量，同化了中分辨率成像光譜儀(Moderate-resolutionImagingSpectroradiometer，MODIS)資料，模擬了一次暴雨過(guò)程，結(jié)果表明，同化衛(wèi)星資料后可以改進(jìn)初始場(chǎng)水汽和溫度分布，對(duì)短時(shí)降水預(yù)報(bào)有正面影響。張華等[9]基于GRAPES三維變分同化系統(tǒng)，利用輻射傳輸方程作為觀測(cè)算子直接同化了改進(jìn)的微波探測(cè)裝置(AdvancedMicrowaveSoundingUnit，AMSU)資料，使預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)路徑更加準(zhǔn)確。

2.2RTTOV在衛(wèi)星亮溫模擬中的應(yīng)用除了在同化中的應(yīng)用，還可將RTTOV獨(dú)立于同化系統(tǒng)，用來(lái)模擬衛(wèi)星輻射亮溫。而云的存在對(duì)模式的模擬結(jié)果有很大的影響。隨著數(shù)值模式技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能夠預(yù)報(bào)云物理量的三維結(jié)構(gòu)。不少學(xué)者針對(duì)云的影響展開了大量研究，如Thomas等[10]利用輻射傳輸模式、氣體消光模式和云模式構(gòu)造了全天氣條件下的輻射資料同化的觀測(cè)算子，由云模式來(lái)提供輻射傳輸模式需要的云物理量信息。Chevallier等[11]利用數(shù)值模式輸出的云物理量信息及RTTOV快速輻射傳輸模式成功模擬了有云條件下靜止衛(wèi)星11-μm通道亮溫。馬剛等[12]利用RTTOV5模擬1998年8月NOAA14極軌氣象衛(wèi)星上紅外探測(cè)器(High-resolutionInfraredRadiationSounder，HIRS)的輻射亮溫，與同時(shí)段實(shí)測(cè)TOVS探測(cè)資料對(duì)比，結(jié)果表明晴空模擬的水汽探測(cè)通道和長(zhǎng)波窗區(qū)探測(cè)通道的亮溫誤差小于有云時(shí)的誤差。丁偉鈺等[13]結(jié)合天氣研究和預(yù)報(bào)模式(WeatherResearchandForecastingModel，WRF)輸出的氣象場(chǎng)資料，利用RTTOV快速輻射傳輸模式針對(duì)臺(tái)風(fēng)“珍珠”進(jìn)行了研究，模擬了HIRS/3紅外輻射亮溫，結(jié)果表明，晴空條件下，模擬的亮溫顯著偏高，且無(wú)法得到臺(tái)風(fēng)的特征信息，考慮了云的影響之后，對(duì)應(yīng)低層通道(能量峰值在云頂以下)的模擬結(jié)果與觀測(cè)比較一致。馬剛等[14]綜合逐線模式GENLN2計(jì)算的精確大氣透過(guò)率，以及FY-2B紅外和水汽通道的光譜響應(yīng)函數(shù)，重新計(jì)算了RTTOV透過(guò)率系數(shù)，并將其用于FY-2B紅外和水汽通道亮溫的模擬；采用溫度、水汽和臭氧廓線進(jìn)行敏感性試驗(yàn)，得出2個(gè)通道對(duì)溫度均是敏感的，而對(duì)水汽的敏感度比溫度小一個(gè)量級(jí)，臭氧的變化對(duì)通道的模擬結(jié)果影響不大；對(duì)比模擬的亮溫值與實(shí)測(cè)值發(fā)現(xiàn)，除沙漠地區(qū)外，大部分地區(qū)的偏差較小。自RTTOV8以來(lái)，微波的散射模塊被開發(fā)出來(lái)并逐漸完善。蘇捷等[15]分析指出在微波亮溫的資料同化中，改用RTTOV-SCATT將大氣中水凝物的信息納入同化的計(jì)算中，可以有效地解決使用以往的方法所導(dǎo)致的對(duì)大氣中水汽含量的高估現(xiàn)象。

若云層很厚而稠密，則在紅外譜段可以將云視作黑體，這時(shí)衛(wèi)星在紅外大氣窗測(cè)量的輻射來(lái)自云頂表面的溫度，即模擬得到云頂亮溫?；谶@一原理，丁偉鈺[16]利用Grapes模式的模擬結(jié)果作為輸入量進(jìn)行云頂亮溫模擬，計(jì)算RTTOV模式模擬得到的總云量與FY-2D反演得到的實(shí)測(cè)值之間的逐時(shí)相關(guān)系數(shù)和均方根誤差，結(jié)果表明，Grapes中尺度模式具備一定的云參數(shù)模擬能力；RTTOV在模擬的前12h模擬能力相對(duì)較高，之后逐漸減弱，云參數(shù)對(duì)FY-2衛(wèi)星云頂亮溫的模擬有很大影響。

對(duì)于超過(guò)幾百米厚而密實(shí)的云層，可以看成是黑體，模擬出來(lái)的輻射值主要來(lái)自云頂表面，由此可以直接估算云頂溫度或高度。但對(duì)于薄云或未能充滿視場(chǎng)的云單體，輻射值是云體與地表面發(fā)射輻射的總和。在這種情況下模擬得到的衛(wèi)星云頂亮溫存在較大誤差，由此輻射推算的云頂溫度比實(shí)際的暖，估算的云頂高度比實(shí)際的低。由于常規(guī)觀測(cè)資料經(jīng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式得到的預(yù)報(bào)場(chǎng)中包含的云水信息有限，對(duì)云參數(shù)的預(yù)報(bào)能力還有待提高，導(dǎo)致在利用輻射傳輸模式模擬衛(wèi)星亮溫的初始階段，即初始參數(shù)的輸入上有誤差，使得模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值之間存在較大差異。

3結(jié)語(yǔ)

該研究綜述了多年來(lái)國(guó)內(nèi)外針對(duì)RTTOV的應(yīng)用研究進(jìn)展，結(jié)果顯示，利用RTTOV將衛(wèi)星資料直接同化到數(shù)值預(yù)報(bào)模式中，能顯著提高數(shù)值預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，尤其是對(duì)于中小尺度的強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)，無(wú)法用常規(guī)手段進(jìn)行觀測(cè)，將衛(wèi)星輻射亮溫同化到數(shù)值預(yù)報(bào)模式初始場(chǎng)中顯得尤為重要；同時(shí)，RTTOV可以獨(dú)立于同化系統(tǒng)，能夠較好地模擬晴空條件下衛(wèi)星接收到的輻射亮溫，有云條件下的模擬值與實(shí)測(cè)值之間的誤差大于晴空條件。云的存在對(duì)輻射亮溫模擬效果有很大影響，模擬時(shí)要著重考慮云的三維物理結(jié)構(gòu)和云中水成物含量分布，從而使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確。

研究RTTOV快速輻射傳輸模式主要有3個(gè)方面的意義：①因?yàn)樾l(wèi)星資料直接同化需要利用快速輻射傳輸模式作為觀測(cè)算子，RTTOV模擬的結(jié)果是否準(zhǔn)確影響了同化的效果。只有提高RTTOV模擬的準(zhǔn)確度，才能確保提高數(shù)值預(yù)報(bào)模式的準(zhǔn)確度；②在利用RTTOV進(jìn)行衛(wèi)星輻射亮溫模擬時(shí)，要求輸入包括云和大氣溫度、濕度等由數(shù)值天氣預(yù)報(bào)得到的氣象要素，RTTOV的模擬效果在一定程度上也體現(xiàn)了數(shù)值模式的預(yù)報(bào)能力；③在實(shí)際的業(yè)務(wù)工作中，衛(wèi)星云圖反映的是過(guò)去或?qū)崟r(shí)的天氣過(guò)程，并不能預(yù)報(bào)未來(lái)的天氣形勢(shì)，而將RTTOV模擬得到的輻射亮溫進(jìn)行仿云圖制作，則可以得到未來(lái)時(shí)刻的衛(wèi)星云圖，從衛(wèi)星云圖中可以直觀地判斷云體和云系的移動(dòng)及發(fā)展變化，對(duì)暴雨、臺(tái)風(fēng)、龍卷等強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，進(jìn)而改善氣象預(yù)報(bào)和保障業(yè)務(wù)，減少災(zāi)害性天氣造成的損失。

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收稿日期2015-12-28

作者簡(jiǎn)介劉樂(1990- )，女，廣西桂林人，碩士研究生，研究方向：衛(wèi)星資料正演模擬。

中圖分類號(hào)S 164

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)03-230-03