朱智 師春香* 劉瑞霞 張濤 谷軍霞

(1 國家氣象信息中心，北京 100081； 2 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081)

引言

云是地球系統(tǒng)的重要組成部分，一直受到眾多研究者的關注[1]。云的變化能夠直接影響大氣中的輻射傳輸，進而影響大氣中的溫濕度分布和到達地面的太陽輻射，最終對地氣系統(tǒng)的輻射平衡產生影響[2-4]。準確獲取云的信息，了解其分布特征，對深入研究大氣輻射、大氣環(huán)境監(jiān)測和氣候變化具有重要意義[5-7]。

隨著探測技術的不斷發(fā)展與成熟,提供了越來越多基于各種觀測手段的氣象數(shù)據(jù)，目前中國已具有了衛(wèi)星、雷達、地面常規(guī)觀測、高空探觀測等多種觀測能力[8-9]，這些觀測形成了地基、空基、天基的觀測網(wǎng)，從不同的角度提供了三維云觀測信息。然而，每種觀測對三維云信息的描述都是有限的，在人煙稀少的地區(qū)，地面常規(guī)觀測、探空觀測覆蓋不到，衛(wèi)星對這些地方的觀測顯得尤為重要，然而衛(wèi)星也往往僅能獲得大氣頂層的信息，因此，為了獲得更精細的連續(xù)分布的三維云場，就需要對多源數(shù)據(jù)進行融合分析[10]。美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)發(fā)展了LAPS/STMAS(Local Analysis and Prediction System/ Space and Time Mesoscale Analysis System)系統(tǒng)，通過融合多源觀測資料，獲得三維云融合分析結果，為數(shù)值預報模式提供更好的初始場，改進數(shù)值預報模式的短期預報水平。其他一些機構也發(fā)展了類似的三維云融合系統(tǒng)，如美國的ARPS(Advanced Regional Prediction System)等[11-16]。

結合衛(wèi)星、雷達、地面常規(guī)觀測等多種觀測數(shù)據(jù)，針對中國區(qū)域特征以及中國現(xiàn)有資料特點，研究適用于中國區(qū)域的三維云融合分析方法，生成的三維云融合分析產品可用于天氣診斷分析，有效防御各類氣象災害以及次生災害，減輕人民生命財產損失，同時也能夠為大氣輻射研究提供一定的參考。根據(jù)《國家級氣象業(yè)務現(xiàn)代化目標任務和評價方案(2014—2020年)》，作為“氣象資料質量控制及多源數(shù)據(jù)融合與再分析”攻關方向的重點任務之一，國家氣象信息中心承擔了“實時發(fā)布全國3～5 km分辨率大氣要素與云信息融合產品”的相關工作。為了切實推進三維云融合分析方向的研發(fā)工作，國家氣象信息中心擬定了建立三維云融合分析系統(tǒng)(3DCloudA)的建設計劃，并于2015年全面啟動三維云融合分析業(yè)務系統(tǒng)研發(fā)工作。截至2020年，三維云融合分析業(yè)務系統(tǒng)研發(fā)工作已持續(xù)開展6年，三維云融合分析業(yè)務系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0)已經(jīng)進入業(yè)務化運行階段，實時生成的“中國陸地三維云量實況融合分析產品V1.0”于2018年12月通過業(yè)務準入評審，通過國內氣象通信系統(tǒng)實現(xiàn)全國下發(fā)。

1 三維云融合分析方法

3DCloudA-V1.0系統(tǒng)是基于LAPS/STMAS系統(tǒng)[17]，結合國內的實際情況發(fā)展而來，輸入資料主要包括：GFS和GRAPES-GFS數(shù)值預報產品、雷達觀測資料、FY-4A和Himawari-8靜止氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)等多源觀測資料，通過融合分析可以得到三維云量、總云量等融合分析產品，并可以得到云底高度、云頂高度、云水、云冰等附加產品；3DCloudA-V1.0系統(tǒng)中使用了逐步訂正的融合分析方法，利用數(shù)值預報產品中的三維濕度信息獲得三維云量初猜場，之后在利用觀測資料進行訂正，得到最終的三維云融合結果

1.1 三維云量初猜場計算

三維云量初猜場的形成與數(shù)值預報產品有關，基于數(shù)值預報產品中的濕度信息計算得到云量，每層云量Cloud計算公式如下：

其中,Cloud范圍在0到1之間;RH為相對濕度;RHO為閾值，在3DCloudA-V1.0系統(tǒng)中設為0.8;b是經(jīng)驗系數(shù)，在3DCloudA-V1.0系統(tǒng)中設為1。

1.2 靜止氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)對云量的訂正

基于數(shù)值預報產品和三維云量初猜場，計算模擬的靜止氣象衛(wèi)星紅外波段亮溫，之后根據(jù)模擬亮溫與實際觀測亮溫之間的差異，對三維云量初猜場進行訂正。如果實際觀測亮溫比模擬亮溫高，則認為三維云量初猜場云量偏多或者云層偏高，采用2種方法調整云量：①降低云頂?shù)母叨?；②采用衛(wèi)星觀測亮溫和數(shù)值預報產品重新計算一個云量，對原來的云量場進行修正。如果實際觀測亮溫比模擬亮溫低，則通過衛(wèi)星紅外波段亮溫觀測數(shù)據(jù)計算云頂高度和云量，然后通過衛(wèi)星計算結果與三維云量初猜場的對比來進行訂正，最后利用分析的云量場計算得到一個模擬亮溫，與衛(wèi)星紅外波段亮溫觀測數(shù)據(jù)進行比對，進一步調整云量(圖1)。

圖1 靜止氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)對云量的訂正流程

1.3 雷達觀測數(shù)據(jù)對云量的訂正

盡管目前中國氣象業(yè)務中的天氣雷達為測雨雷達，無法給出準確的云觀測信息，但是基于雷達反射率觀測數(shù)據(jù)，可以在一定程度上反映出云底的空間分布情況，因此雷達反射率觀測數(shù)據(jù)也是3DCloudA-V1.0系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)之一。得到雷達基數(shù)據(jù)，讀取雷達反射率數(shù)據(jù)，并投影至3DCloudA-V1.0系統(tǒng)的分析格點上，若某一格點上周圍存在多個雷達反射率觀測數(shù)據(jù)，則通過距離權重法得到該點最終雷達反射率結果。在3DCloudA-V1.0系統(tǒng)中，若上一步訂正得到的三維云量場在某個網(wǎng)格上有云且該格點上的雷達反射率在云底之上并超過一定閾值，則該格點云量定為1(圖2)。

圖2 雷達觀測數(shù)據(jù)對云量的訂正流程

1.4 質量控制

3DCloudA-V1.0系統(tǒng)中質量控制主要是對于云量分析結果中的異常值(即云量分析結果大于1或者小于0的情況)進行處理，即若云量分析結果大于1.001，則3DCloudA-V1.0系統(tǒng)報錯退出；若云量分析結果在1.0～1.001之間，將云量分析結果賦值為1；若云量分析結果小于0，則給出報錯信息，并將云量分析結果賦值為0(圖2)。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

三維云融合分析業(yè)務系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0)具有多種來源氣象數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)融合分析、產品生成與后處理、產品評估、數(shù)據(jù)管理、運行調度等功能，可生成分辨率為0.05°/h的覆蓋中國及其周邊區(qū)域的總云量及三維云量實況分析產品。目前三維云融合分析業(yè)務系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0)運行在中國氣象局“派-IBM”高性能計算集群”和“派-曙光”高性能計算集群，開發(fā)編譯環(huán)境包括：Fortran編譯器、Python編譯器、MUSIC客戶端、EC-Flow客戶端[18]、NCL庫、HDF5庫、NetCDF庫等。

系統(tǒng)運行需要的輸入數(shù)據(jù)主要來自“派-IBM”高性能計算集群/“派-曙光”高性能計算集群存儲數(shù)據(jù)、CIMISS(China Integrated Meteorological Information Service System)數(shù)據(jù)庫[19]和國家氣象信息中心下載平臺。輸出產品由CTS(China Telecommunication System)通信系統(tǒng)[20]推送至CIMISS數(shù)據(jù)庫，并由歸檔系統(tǒng)進行歸檔，通過 MUSIC(Meteorological Unified Service Interface Community)接口和國內氣象通信系統(tǒng)向用戶提供產品服務。

2.1 系統(tǒng)組織結構

三維云融合分析業(yè)務系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0)主要包括：數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)預處理模塊、數(shù)據(jù)融合分析模塊，數(shù)據(jù)后處理模塊以及EC-Flow調度模塊等5個模塊(圖3):①數(shù)據(jù)獲取模塊。主要用于獲取系統(tǒng)所需各類輸入數(shù)據(jù)，包括數(shù)值預報產品、靜止氣象衛(wèi)星成像儀一級數(shù)據(jù)、靜止氣象衛(wèi)星云檢測產品、雷達基數(shù)據(jù)等，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。②數(shù)據(jù)預處理模塊。實現(xiàn)衛(wèi)星和雷達氣象數(shù)據(jù)的預處理。對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行格式轉換和分辨率變換，將靜止氣象衛(wèi)星一級數(shù)據(jù)處理為等經(jīng)緯度投影、netcdf格式的中間數(shù)據(jù)；對單站多普勒雷達基數(shù)據(jù)進行解碼，輸出為單站對應掃體個數(shù)的、netcdf格式的中間數(shù)據(jù)。③數(shù)據(jù)融合分析模塊。基于數(shù)值預報產品，生成三維云量初猜場；讀取多源觀測資料，對生成的三維云量初猜場進行逐步訂正;主要包括云底信息訂正、云頂信息訂正和云中訂正等;對多源氣象資料進行融合，生成覆蓋中國及其周邊區(qū)域的總云量及三維云量融合分析結果。④數(shù)據(jù)后處理模塊。將生成的最終產品數(shù)據(jù)轉換為GRIB2格式，將產品數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺TS通信系統(tǒng)，由CTS系統(tǒng)完成產品分發(fā)；生成產品空間分布圖，并定時繪制產品評估圖；定時清理、備份輸入數(shù)據(jù)、中間結果、輸出產品、系統(tǒng)日志等文件，保證業(yè)務系統(tǒng)占用的存儲空間處于一定的范圍內。⑤運行調度模塊。基于EC-Flow軟件的運行調度模塊,根據(jù)設計的邏輯順序，實現(xiàn)各功能模塊之間的有序執(zhí)行，具備并發(fā)啟動多個作業(yè)任務的能力，提高運行效率，使得系統(tǒng)能夠實時、穩(wěn)定、高效地運行。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)與運行環(huán)境

中國氣象局“派-IBM”高性能計算集群和“派-曙光”高性能計算集群為系統(tǒng)的實時運行提供了軟件和硬件支撐；國家氣象信息中心“天鏡”監(jiān)控平臺為系統(tǒng)的運行提供了全流程監(jiān)控，包括數(shù)據(jù)獲取監(jiān)控、作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控、產品生成監(jiān)控,三維云融合分析業(yè)務系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0)運行裝機的正確性和完整性能夠被“天鏡”監(jiān)控平臺全流程監(jiān)控，產品最終進入CIMISS數(shù)據(jù)庫，經(jīng)由MUSIC接口和CTS2.0通信系統(tǒng)向用戶提供產品服務(圖3)。

2.3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)每小時運行2次，于每個整點和整點后30 min啟動，實時融合多源氣象數(shù)據(jù)，每次運算生成1個時次的數(shù)據(jù)；輸入數(shù)據(jù)源包括數(shù)值預報產品、地面觀測數(shù)據(jù)、雷達基數(shù)據(jù)、靜止氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，生成時間分辨率1 h、空間分辨率0.05°、覆蓋中國及其周邊區(qū)域(0°～60°N、70°～140°E)的總云量及三維云量實況融合分析產品(表1)。

表1 三維云融合分析業(yè)務系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0)工作流程

2.4 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)依托于“派-IBM”高性能計算集群和“派-曙光”高性能計算集群建設，實現(xiàn)了業(yè)務系統(tǒng)雙機備份，有效地提升了產品穩(wěn)定性和可靠性，并使用EC-Flow調度軟件，建設了實時調度模塊，具備可視化的監(jiān)控界面，方便監(jiān)視系統(tǒng)運行狀況，圖4為目前3DCloudA-V1.0系統(tǒng)的EC-Flow調度界面。

圖4 三維云融合分析業(yè)務系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0)的EC-Flow調度界面(圖中黃色表示已執(zhí)行、藍色表示待執(zhí)行)

為減輕業(yè)務系統(tǒng)運維壓力，在系統(tǒng)中，開發(fā)了EC-Flow調度進程實時監(jiān)測與自動重啟、缺失時次數(shù)據(jù)自動補算等容錯功能，有效地提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性：①EC-Flow調度進程監(jiān)控與自動恢復。自動檢測EC-Flow調度進程是否存在，若發(fā)現(xiàn)進程丟失，自動重啟EC-Flow調度進程。該功能也能夠在高性能集群重啟之后，自動啟動調度模塊，避免不必要的人工干預操作，保證了業(yè)務系統(tǒng)能夠自動恢復啟動。②產品自動補算。在服務器重啟或其他故障原因造成產品未生成，在系統(tǒng)重啟或恢復后能夠自動補算未生成的產品。自動補算的規(guī)則為每個整點后20 min和40 min，檢查前48 h的產品是否存在，若不存在，則按照時間順序，自動完成最近一次缺失時次的產品補算，由此逐步完成所有缺失時次的產品補算。③任務節(jié)點自動更新。當作業(yè)出現(xiàn)異常時，為不影響之后一天的任務順利執(zhí)行，設置了任務節(jié)點狀態(tài)定時刷新。目前設置為世界時每日23:50自動執(zhí)行，將所有時次的任務狀態(tài)統(tǒng)一更新為排隊狀態(tài)，保證業(yè)務系統(tǒng)在之后一天能夠正常運行。

3 個例應用分析

3.1 三維云量融合分析結果評估

目前能夠獲取到三維云量觀測信息的觀測手段較為稀少，其中主動式星載激光雷達觀測數(shù)據(jù)具備長時間、大范圍觀測云和氣溶膠廓線信息的優(yōu)勢，我們選取了CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)云廓線產品CAL_LID_L2_05 km CPro-Prov-V3-40作為評估基礎[21]，評估三維云量融合分析結果，CALIPSO云廓線產品數(shù)據(jù)下載自https://search.earthdata.nasa.gov/search。

由于CALIPSO云廓線產品為極軌衛(wèi)星反演產品，過境時間均為地方時，因此為方便其與逐小時分辨率的三維云量融合分析結果的匹配，僅選取了其在整點前后10 min的云廓線觀測數(shù)據(jù)作為基準，圖5為2017年9月部分整點前后10 min的CALIPSO云廓線觀測數(shù)據(jù)與三維云量融合分析產品、背景場三維云量的對比結果，可以看出CALIPSO云廓線觀測數(shù)據(jù)與三維云量融合分析產品具備很好的對應關系；相對于背景場三維云量診斷結果，在考慮了地形因素以及融合了雷達觀測數(shù)據(jù)后，三維云量融合分析結果的云底信息更加準確，在融合了靜止氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)后，三維云量融合分析結果的云頂信息更加準確。

3.2 一次臺風過程三維云結構分析

在三維云融合分析業(yè)務系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0)中，使用了逐步訂正的融合分析方法，基于數(shù)值預報產品，獲取三維云量初猜場，之后利用不同種類的觀測數(shù)據(jù)，不斷訂正三維云量初猜場，最終得到高分辨率的三維云量融合分析結果。

圖6為2018年7月22日00:00UTC總云量實況融合分析產品和背景場云量的空間分布，可以看出背景場云量能夠大致給出“安比”臺風云系的空間分布，但是云量明顯多 于衛(wèi)星云圖(圖6c)，特別是在127°～128°E、26°～34°N范圍內，出現(xiàn)了明顯的高估現(xiàn)象；在融合了衛(wèi)星觀測資料后得到的總云量實況融合分析產品與衛(wèi)星云圖空間分布非常接近，對于臺風云系的刻畫也更為精細，臺風外圍云墻分布細節(jié)更為明顯，能夠準確描述出“安比”臺風云系中心位置，通過融合衛(wèi)星觀測資料，對于背景場云量的高估現(xiàn)象進行了有效地訂正。

為進一步分析衛(wèi)星資料對于背景場云量的訂正效果，沿31.45°N對三維云量實況融合分析產品和背景場三維云量進行切片，獲取了其剖面的云量空間分布(圖7)，可以看出在僅使用數(shù)值預報產品獲取的背景場三維云場頂部緯向變化平緩，并且在臺風云系中心區(qū)(122°～124°E附近)三維云量垂直變化也較為平緩；在融合衛(wèi)星資料后，對于120°～122°N附近三維云場頂部進行了訂正，云頂高度模擬進一步增加，形成環(huán)繞“安比”臺風中心的高聳云墻，同時對于臺風云系中心區(qū)(122°～124°E附近)的三維云場訂正后，三維云量垂直變化更為劇烈，能夠更為準確地表現(xiàn)出“安比”臺風中心對流旺盛的現(xiàn)象。通過對比圖7a、b，可以看出通過融合衛(wèi)星觀測資料，對于127°～128°E附近背景場云量的誤判現(xiàn)象在垂直方向上得到了訂正，有效地清除了高估的三維云量。

圖6 2018年7月22日00:00 UTC實況融合(a)、背景場(b)云量及Himawari-8衛(wèi)星11.2 μm波段紅外亮溫(c)

圖7 2018年7月22日00:00UTC臺風“安比”經(jīng)過時沿31.45°N實況融合(a)及背景場(b)云量垂直廓線

4 結論

為進一步提高多源資料三維云融合應用能力，國家氣象信息中心基于逐步訂正的方法，實現(xiàn)了數(shù)值預報產品、靜止氣象衛(wèi)星成像儀觀測資料、雷達觀測數(shù)據(jù)與地面觀測數(shù)據(jù)的融合，并開發(fā)了三維云融合業(yè)務系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0)，實時生成的三維云融合分析產品全國下發(fā)。3DCloudA-V1.0系統(tǒng)采用EC-Flow軟件建設了運行調度模塊，協(xié)調各個功能模塊實時運行，同時能夠提供可視化的監(jiān)控界面，為業(yè)務系統(tǒng)的監(jiān)控提供了參考；國家氣象信息中心天鏡監(jiān)控平臺全流程監(jiān)控3DCloudA-V1.0系統(tǒng)，保證了業(yè)務系統(tǒng)能夠穩(wěn)定實時運行。經(jīng)驗證，3DCloudA-V1.0系統(tǒng)輸出的三維云融合分析產品能夠較好地描述三維云場空間結構，為強對流天氣監(jiān)測提供一定的參考。