李俊 張鵬 陳林 韓威 陸其峰 鞏欣亞 王培 李正龍

（1美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校，麥迪遜 53706；2 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081；3 氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心，北京 100081；4 中國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心，北京 100081)

0 觀測系統(tǒng)模擬評估介紹

觀測系統(tǒng)模擬試驗(yàn)（Observing System Simulation Experiments，OSSEs）是一種敏感性試驗(yàn)，旨在回答新的觀測系統(tǒng)帶來的影響和價(jià)值問題，通常指在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的影響。OSSEs中的“真實(shí)大氣”是通過高時(shí)空分辨率模式模擬生成的自由大氣（即所謂的自然場景Nature Run，NR），所有的現(xiàn)有觀測系統(tǒng)和未來觀測都是基于自由大氣NR模擬得到，通過資料同化和數(shù)值預(yù)報(bào)來研究在已有的觀測系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，未來觀測系統(tǒng)對于數(shù)值預(yù)報(bào)誤差的影響。Quick-OSSE和混合OSSE（Hybrid-OSSE）是根據(jù)傳統(tǒng)OSSEs而做出相應(yīng)的變化，Quick-OSSE主要應(yīng)用在高分辨率的區(qū)域模式中對于未來觀測的評估，混合OSSE通過引入實(shí)際觀測數(shù)據(jù)來有效減少傳統(tǒng)OSSE的計(jì)算復(fù)雜性和由此帶來的不確定性。

OSSEs類似于觀測系統(tǒng)試驗(yàn)（Observing System Experiments，OSEs），是一種“數(shù)據(jù)排除（data denial）”或“數(shù)據(jù)影響（data impact）”試驗(yàn)；但OSSEs又不同于OSE，在OSEs中所使用的數(shù)據(jù)都是實(shí)際觀測數(shù)據(jù)，而OSSEs中所使用的數(shù)據(jù)是從一個(gè)NR中模擬得到的觀測數(shù)據(jù)。另外，在OSEs中，大氣的真實(shí)狀態(tài)是未知的，只能通過觀測和分析去接近或逼近真實(shí)狀態(tài)；但在OSSEs中，真實(shí)場景即NR已知（Truth is known），因此可以用來揭示數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的特性和各種觀測數(shù)據(jù)對預(yù)報(bào)系統(tǒng)的影響。一般而言，OSEs用于針對現(xiàn)有觀測系統(tǒng)作評估，而OSSEs用于未來觀測系統(tǒng)的評估。Hybrid-OSSEs用于未來觀測系統(tǒng)評估，但由于采用了現(xiàn)有觀測系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，避免了OSSEs中模擬現(xiàn)有系統(tǒng)資料帶來的不確定性，因此其結(jié)果具有更高的可信度。

開展OSSEs的動機(jī)包括經(jīng)濟(jì)考量、觀測到應(yīng)用時(shí)效考量、科學(xué)性考量和決策依據(jù)考量。張鵬等討論了晨昏軌道衛(wèi)星的平臺特征，觀測特點(diǎn)和潛在應(yīng)用，并通過討論對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的影響來進(jìn)一步討論了發(fā)展晨昏衛(wèi)星的可能途徑。國際上第一顆晨昏軌道氣象衛(wèi)星（風(fēng)云三號E星）即將發(fā)射，未來將對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的進(jìn)一步改進(jìn)提供新的觀測數(shù)據(jù)。Privé 等對高空長航無人駕駛飛機(jī)（HALE）的探空觀測進(jìn)行的OSSEs試驗(yàn)，表明了探空資料可以改進(jìn)臺風(fēng)結(jié)構(gòu)和環(huán)境場的預(yù)報(bào)。由于開發(fā)、維護(hù)和使用一個(gè)新的天基觀測系統(tǒng)非常昂貴，并且從儀器發(fā)展和配置完成到數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)應(yīng)用通常有明顯的時(shí)間延遲（6～12個(gè)月）。因此，開展OSSEs可以事先對現(xiàn)有和未來天基觀測系統(tǒng)的影響和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行定量評估，以此了解新的天基觀測系統(tǒng)的價(jià)值及其帶來的影響。此外，OSSEs提供的觀測系統(tǒng)的定量信息可以用于數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的診斷和改進(jìn)。最后，基于OSSEs得到的結(jié)論，為未來新的觀測系統(tǒng)的規(guī)劃、優(yōu)化、發(fā)展和應(yīng)用提供重要的決策依據(jù)。OSSEs的應(yīng)用包括定量評估觀測系統(tǒng)對地球系統(tǒng)科學(xué)、數(shù)據(jù)同化和數(shù)值預(yù)報(bào)的潛在影響，評估和/或開發(fā)新的數(shù)據(jù)處理和同化方法，評估觀測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化配置（例如覆蓋范圍、分辨率、精度和數(shù)據(jù)冗余等），以及優(yōu)化全球天氣和氣候觀測系統(tǒng)。

美國和歐洲早已開展大量的OSSEs研究。隨著航天和遙感產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，中國也非常重視OSSEs在遙感認(rèn)證和觀測系統(tǒng)規(guī)劃中的作用，尤其是建立和發(fā)展面向風(fēng)云氣象衛(wèi)星觀測的模擬和預(yù)報(bào)影響評估系統(tǒng)。本文第一部分介紹了幾種主要的觀測系統(tǒng)評估方法，包括傳統(tǒng)OSSEs的概念及幾大要素；第二部分介紹了OSSEs的發(fā)展歷史，取得的主要成就以及局限性；第三部分介紹了OSSEs的近期進(jìn)展；第四部分總結(jié)了OSSEs的重要意義及未來展望。

1 觀測系統(tǒng)評估的幾種主要方法

1.1 觀測系統(tǒng)試驗(yàn)（OSEs）

OSEs是一種傳統(tǒng)的評估一個(gè)特定現(xiàn)有觀測系統(tǒng)對于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)影響的方法。OSEs通常由兩個(gè)覆蓋相同時(shí)間的試驗(yàn)組成，分為3個(gè)步驟：

①控制試驗(yàn)，試驗(yàn)同化業(yè)務(wù)運(yùn)行中使用的全部觀測；

②對比試驗(yàn)，從同化過程中系統(tǒng)地添加或去除選定觀測數(shù)據(jù)集；

③基于控制試驗(yàn)和對比試驗(yàn)的比較，評估該類型觀測數(shù)據(jù)集時(shí)對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量的影響。

OSE首要的也是最主要的應(yīng)用在于對新的觀測資料同化的效果評估。當(dāng)新的觀測資料進(jìn)入資料同化系統(tǒng)時(shí)，首先評估新的觀測資料與之前的所有觀測資料及分析場的契合程度，其次就是需要評估新的觀測資料對于預(yù)報(bào)效果產(chǎn)生的正影響，以及正影響的大小。由于評估一種新型觀測資料的影響不能僅憑單個(gè)個(gè)例試驗(yàn)或者短時(shí)間的試驗(yàn)，因此OSE通常需要長期穩(wěn)定地運(yùn)行一段時(shí)間，并且采用不同季節(jié)的月平均統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)試驗(yàn)，因此需要大量的運(yùn)算資源。另外，OSE還可用于研究不同資料同化方法對觀測系統(tǒng)的影響。

1.2 觀測影響預(yù)報(bào)靈敏度方法（FSOI）

另一種主要的觀測評估方法是基于伴隨（Adjoint）診斷的評估方法，被稱作觀測影響預(yù)報(bào)靈敏度（FSOI）方法。FSOI方法是由Langland等介紹應(yīng)用。FSOI方法使用四維變分資料同化系統(tǒng)（4DVar）中的基礎(chǔ)算子（觀測算子、線行算子、伴隨算子）來量化某種類型觀測對于分析場或預(yù)報(bào)場誤差的靈敏度。FSOI的特征在于無需添加或去除特定類型的觀測數(shù)據(jù)，而是所有觀測數(shù)據(jù)均在同化系統(tǒng)中時(shí)，某種類型的觀測數(shù)據(jù)對預(yù)報(bào)結(jié)果的影響直接進(jìn)行評估。在FSOI計(jì)算方法中，不需要從預(yù)報(bào)開始來評估觀測是否改進(jìn)了分析場，并可以作為一種診斷方法來對觀測進(jìn)行質(zhì)量控制。

與OSE相比，F(xiàn)SOI方法主要有兩個(gè)優(yōu)勢：第一，F(xiàn)SOI無需長時(shí)間運(yùn)行即可獲得一個(gè)穩(wěn)定結(jié)果；第二，F(xiàn)SOI無需從觀測系統(tǒng)中添加或去除選定的觀測數(shù)據(jù)集，而采用獨(dú)立于觀測系統(tǒng)運(yùn)行的伴隨矩陣進(jìn)行評估。如果同化模式并不是四維變分系統(tǒng)或者并沒有與此模式相對應(yīng)的伴隨算子，則很難用FSOI方法對觀測系統(tǒng)進(jìn)行評估。因此，F(xiàn)SOI作為OSEs的一種補(bǔ)充評估方法，也是非常好的檢驗(yàn)?zāi)撤N類型觀測數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)的手段，二者通常會顯示非常相似的評估結(jié)果。但FSOI得到的結(jié)果并不是直接的預(yù)報(bào)影響效果，而是一種敏感性試驗(yàn)結(jié)果，表明預(yù)報(bào)誤差的減少對某種觀測的敏感性。

1.3 觀測系統(tǒng)模擬試驗(yàn)（OSSEs）

OSSEs主要用于在衛(wèi)星載荷還未發(fā)射前對未來觀測資料的定量評估。OSSEs與OSEs類似，只不過OSSEs中采用的是模擬觀測而非真實(shí)觀測資料。因此OSSEs也被視為對OSEs的一個(gè)擴(kuò)展，用于模擬和評估未來觀測系統(tǒng)，當(dāng)然現(xiàn)有觀測系統(tǒng)也必須一并考慮在內(nèi)。OSSEs通常有以下的幾個(gè)步驟組成：

①在整個(gè)OSSEs的試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)，建立一個(gè)模擬的“真實(shí)”大氣狀態(tài)場用于觀測數(shù)據(jù)的模擬、訂正和數(shù)據(jù)同化結(jié)果的驗(yàn)證，在OSSEs中被稱作NR。作為真實(shí)大氣的代表，NR并不是現(xiàn)實(shí)世界中的真正大氣場景。通常，NR來自于高時(shí)空分辨率、高精度的，且自由運(yùn)行的（無觀測數(shù)據(jù)融入）NWP模式輸出結(jié)果。該模式應(yīng)盡可能獨(dú)立于用作資料同化和影響試驗(yàn)的模式。OSSE中真實(shí)場景已知，因此可以驗(yàn)證和揭示數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的方法和特性，以及各種觀測數(shù)據(jù)對預(yù)報(bào)的影響。

②模擬所有類型的觀測數(shù)據(jù)集，包括已有的觀測系統(tǒng)和未來的觀測系統(tǒng)；同時(shí)模擬所有觀測數(shù)據(jù)集的觀測誤差，包括不同通道之間和鄰近觀測點(diǎn)之間的相關(guān)性誤差。OSSEs的優(yōu)勢在于可以模擬各種新的觀測類型數(shù)據(jù)，并且要求模擬觀測應(yīng)盡可能真實(shí)（表現(xiàn)出與實(shí)際觀測相同的系統(tǒng)影響，包含與實(shí)際觀測相同的誤差特性）。OSSEs在對各種現(xiàn)有的以及未來的觀測系統(tǒng)進(jìn)行模擬時(shí)，需采用具有實(shí)際意義的觀測軌道和參數(shù)等進(jìn)行觀測模擬。

③控制試驗(yàn)，試驗(yàn)同化所有現(xiàn)有業(yè)務(wù)同化系統(tǒng)中的觀測模擬數(shù)據(jù)集。

④對比試驗(yàn)，在控制試驗(yàn)基礎(chǔ)上添加待評估的新的觀測類型的模擬數(shù)據(jù)集；或者對已有的觀測類型采用新的部署或同化策略等。

⑤基于控制組和對比組的比較，評估新的觀測類型、已有觀測類型的新的部署或同化策略等對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的影響。

開展OSSEs有3個(gè)主要作用：1）定量評估一個(gè)新型的觀測系統(tǒng)未來能否對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)生正效果或減少數(shù)值預(yù)報(bào)誤差，并定量計(jì)算減少的誤差值。2）通過OSSEs對一個(gè)新型觀測系統(tǒng)做出設(shè)計(jì)和優(yōu)化決策。相比于發(fā)展一套成熟的觀測系統(tǒng)而言，開展OSSEs的經(jīng)濟(jì)成本微不足道。并且，通過OSSEs可對現(xiàn)有的業(yè)務(wù)同化系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和升級，縮短從儀器載荷發(fā)展和配置到實(shí)現(xiàn)數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)應(yīng)用的時(shí)間周期。3）通過OSSEs研究資料同化系統(tǒng)在已知“真值”條件下的表現(xiàn)。

圖1為OSSE的組成結(jié)構(gòu)，其中所有類型的觀測模擬資料應(yīng)來自于具有高時(shí)空分辨率和高精度的NR，資料同化和數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)采用與目前業(yè)務(wù)同化系統(tǒng)盡可能一致的模式和設(shè)置。 注意產(chǎn)生NR的預(yù)報(bào)模式應(yīng)與資料同化后的數(shù)值預(yù)報(bào)模式不同，以此來避免在OSSE中出現(xiàn)預(yù)報(bào)模式同卵雙生（identical twin）的問題。當(dāng)OSSE用于先進(jìn)觀測系統(tǒng)影響試驗(yàn)時(shí)，采用的同化系統(tǒng)應(yīng)該是先進(jìn)的和經(jīng)過良好測試的，并且OSSE須與實(shí)際的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)同步，所使用的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的各個(gè)分系統(tǒng)和組件須是業(yè)務(wù)中真實(shí)使用的系統(tǒng)和組件。OSSE應(yīng)定期運(yùn)行以用于評估觀測系統(tǒng)調(diào)整（如現(xiàn)有儀器退役等）或新儀器部署帶來的影響。最后為了保證OSSE的可信度，還需對OSSE各要素（NR、模擬、預(yù)報(bào)影響等）進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖1 觀測系統(tǒng)模擬試驗(yàn)（OSSE）組成結(jié)構(gòu) Fig. 1 The structure and components of the OSSEs

2 OSSE的發(fā)展歷史及主要局限

早在1954年，Newton提出了觀測系統(tǒng)對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）影響的幾個(gè)問題，包括應(yīng)在哪些地方增加觀測站點(diǎn), 對探空數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求多高, 以及最佳的觀測網(wǎng)絡(luò)密度等。針對溫度、水汽和風(fēng)場資料等，全球大氣研究方案（GARP）在1967—1973年，通過對數(shù)值預(yù)報(bào)的影響進(jìn)行了大型試驗(yàn)和評估。為了檢驗(yàn)和評估更多未來的觀測類型對數(shù)值預(yù)報(bào)的潛在影響，OSSE的方法逐漸被提出并得到發(fā)展。Arnold和Dey在綜述文章中總結(jié)了早期OSSE的方法、適用性和局限性，以及對未來OSSE的設(shè)想。

大量研究表明，在開發(fā)和部署新的觀測系統(tǒng)之前，OSSE有助于回答有關(guān)新的觀測系統(tǒng)的潛在影響，以及觀測資料的最佳使用方法等眾多問題，例如：

1）自1985年開始，Atlas等開展了一系列全球OSSE來研究極軌衛(wèi)星溫度、濕度和風(fēng)廓線的相對影響，結(jié)果表明風(fēng)廓線數(shù)據(jù)在糾正分析誤差及改善天氣預(yù)報(bào)方面有著巨大潛力，進(jìn)一步研究表明500 hPa以上的上層風(fēng)相對于下層風(fēng)而言，對數(shù)值預(yù)報(bào)提供了大部分的影響。

2）針對天基多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)（DWL）的軌道配置和功率的影響，以及在全球風(fēng)觀測系統(tǒng)和全球?qū)α鲗语L(fēng)探測器任務(wù)中的應(yīng)用，OSSE被用于決定對雷達(dá)測風(fēng)的具體需求。

3）在ERS和NSCAT散射計(jì)發(fā)射前通過OSSE研究其潛在影響，相關(guān)結(jié)論在儀器發(fā)射后得到證實(shí)。OSSE還被用于開發(fā)和測試包括星載被動和主動微波遙感表面風(fēng)場數(shù)據(jù)同化方法，首次獲得了散射計(jì)數(shù)據(jù)、SSM/I風(fēng)速數(shù)據(jù)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中可以產(chǎn)生有利影響的結(jié)果。

4）高光譜紅外大氣探測儀觀測結(jié)果的定量影響以及清云處理的重要性，這一點(diǎn)后來也通過大氣紅外探測儀（AIRS）的實(shí)際數(shù)據(jù)得到證實(shí)。

在早期的OSSE研究中，由于可用的模型非常有限，用于生成NR和模擬觀測的模式與數(shù)據(jù)同化預(yù)報(bào)的模式是完全一樣的，即著名的“同卵雙生”問題。由于忽視了物理參數(shù)化和插值誤差，導(dǎo)致自由運(yùn)行的NR并不能完全真實(shí)的反應(yīng)自然場景的“真值”，從而使得數(shù)據(jù)同化預(yù)報(bào)的結(jié)果與NR非常接近。因此，無論是對已有的還是未來的觀測類型而言，其觀測與背景偏差（O–B），觀測與分析偏差（O–A），及分析與背景偏差（A–B）等檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，與實(shí)際業(yè)務(wù)相比都嚴(yán)重偏低。事實(shí)上，在同卵雙生的OSSE中，由于采用同樣的模型對觀測進(jìn)行模擬，使得模擬觀測數(shù)據(jù)集與背景場具有高度一致的系統(tǒng)特性，這也導(dǎo)致在同化中只需非常少量的觀測就達(dá)到了極好的預(yù)報(bào)效果。而現(xiàn)實(shí)中具有高時(shí)空分辨率、全球覆蓋的觀測類型，例如全球衛(wèi)星資料，其觀測誤差空間不能被有效地模擬，故其影響也難以被準(zhǔn)確評估。

Arnold和Dey提出了“異卵雙生”的OSSE方法，即采用一個(gè)模式用于生成NR和模擬觀測，而采用另一個(gè)模式用于OSSE的同化預(yù)報(bào)；但兩個(gè)模型之間的差異應(yīng)小于真實(shí)大氣與業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式之間的差異。Stoffelen等對異卵雙生的OSSE方法在觀測模擬評估中的效果進(jìn)行了檢驗(yàn)。顯然，這是對同卵雙生OSSE的一種很有效的改進(jìn)方法，但仍然不能完全消除OSSE對模式的依賴性。為進(jìn)一步減小同卵雙生問題的影響，另一種常用方式是采用一個(gè)高空間分辨率、高精度的模型來生成NR和模擬觀測，而采用一個(gè)空間分辨率相對較低的OSSE的同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)。雖然此法對部分研究適用，但仍然存在一個(gè)潛在風(fēng)險(xiǎn)是無法實(shí)際評估未來觀測系統(tǒng)在未來同化預(yù)報(bào)中的最佳同化策略及其影響問題。

此外，由于NR本身的局限性（例如空間分辨率，物理參數(shù)化方案），對各種類型觀測覆蓋范圍和觀測誤差特性模擬能力的局限性（例如輻射傳輸模式的準(zhǔn)確性，模擬觀測誤差及誤差相關(guān)性是否真實(shí)），以及同化系統(tǒng)的先進(jìn)性等問題，都使得開展OSSE研究和應(yīng)用具有一定局限性。不過，通過比較O–B和O–A的分布特征，單點(diǎn)觀測系統(tǒng)影響試驗(yàn)，OSSE校驗(yàn)等方法，可以對OSSE的可靠性和局限性進(jìn)行檢驗(yàn)。最后，所有的OSSE都不可以得出超過上述局限性的結(jié)論。

3 OSSEs近期重要進(jìn)展

3.1 關(guān)于NR

早期的OSSEs主要受到模型發(fā)展的限制，無法采用真正具有高時(shí)空分辨率和高精度的模型來生成NR。目前，全球發(fā)布的成熟可用的NR只有ECMWF發(fā)布的T511 NR和美國NASA的全球模式和同化中心GMAO的科學(xué)家發(fā)布的G5NR。在此基礎(chǔ)上，美國NOAA的科學(xué)家近期發(fā)布了一個(gè)更先進(jìn)的空間分辨率為7 km的OSSE系統(tǒng)。G5NR采用了更高空間分辨率的模式生成NR，并且在對傳統(tǒng)觀測、輻射觀測、掩星彎曲角等觀測類型誤差進(jìn)行模擬時(shí)采用了隨機(jī)誤差+偏差的方法，表1總結(jié)了2個(gè)OSSEs系統(tǒng)的主要組成要件及其特征。

表1 T511 NR和G5NR的組成要件對于GNSS/RO和GEOHSS兩種觀測類型的比較[5, 29-30] Table 1 The comparison between T511 NR and G5NR for the simulation of GNSS/RO and GEO-HSS[5, 29-30]

事實(shí)上，無論是T511 NR還是G5NR的分辨率都不夠高，為了更好地模擬真實(shí)大氣的狀態(tài)，尤其是模擬更多中小尺度的自然現(xiàn)象，例如對流云系統(tǒng)的模擬等，仍然需要更高分辨率的模式。來自ECMWF與橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家近期完成了世界上第一個(gè)平均網(wǎng)格間距為1.4 km的地球大氣季節(jié)性尺度全球模擬，該模擬是在橡樹嶺的Summit計(jì)算機(jī)（截至2019年11月世界上最快的計(jì)算機(jī)）上用改編版的ECMWF綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（IFS）運(yùn)行的。與9 km網(wǎng)格間距和參數(shù)化的模型相比，最新的1.4 km網(wǎng)格化間距模型的模擬結(jié)果可以很好地模擬深對流系統(tǒng)等，對于中小尺度的自然現(xiàn)象的仿真具有更好的保真度。

3.2 關(guān)于Quick-OSSE

Quick-OSSE是指在較短的時(shí)間內(nèi)通過數(shù)據(jù)同化之后進(jìn)行單一預(yù)測試驗(yàn)；它的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行速度快，有時(shí)可以用來回答與某一特定天氣（例如臺風(fēng)或暴雨）有關(guān)的問題，或用來揭示特定觀測系統(tǒng)的影響潛力；缺點(diǎn)是效用有限，因?yàn)樗鼈兺ǔ２荒艿玫浇y(tǒng)計(jì)上顯著的定量試驗(yàn)結(jié)果。Quick-OSSE對于數(shù)據(jù)同化影響分析有廣泛的應(yīng)用。高時(shí)空分辨率的高精度大氣溫濕度場為局地天氣預(yù)報(bào)中的強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)（LSS）的預(yù)報(bào)提供重要信息。對于來自地球靜止軌道（GEO）的高光譜分辨率或高光譜紅外探測儀（統(tǒng)一稱之為GEO-HSS）為大氣動力場和熱力場提供了前所未有的連續(xù)三維信息，這對數(shù)值模式預(yù)報(bào)提供了重要的幫助。為了證明GEO HSS探測儀輻射對LSS預(yù)報(bào)的價(jià)值，Li等開發(fā)了一個(gè)區(qū)域qucik-OSSE框架，包括高分辨率NR的運(yùn)行生成、綜合觀測模擬與驗(yàn)證以及對LSS預(yù)報(bào)的影響研究。結(jié)果表明，在現(xiàn)有的低地球軌道（LEO）探測儀的基礎(chǔ)上，GEO HSS探測儀可以為LSS預(yù)報(bào)提供正影響（整體均方根誤差降低3.56%）。此外，更頻繁的同化和更小的稀疏距離允許更多的觀測被同化，并可能進(jìn)一步增加GEO HSS探測儀觀測在預(yù)報(bào)中的正效果。

Li等利用快速的區(qū)域觀測系統(tǒng)模擬試驗(yàn)，研究了利用小衛(wèi)星填補(bǔ)傳統(tǒng)氣象衛(wèi)星缺失帶來的影響。他們的研究表明，單個(gè)小衛(wèi)星，無論是紅外高光譜還是微波探測儀，都能夠?qū)值貜?qiáng)風(fēng)暴天氣的預(yù)報(bào)有所改進(jìn)。然而，為了填補(bǔ)傳統(tǒng)衛(wèi)星缺失帶來的影響，需要發(fā)射三顆甚至更多的小衛(wèi)星，來增加觀測的覆蓋面，以彌補(bǔ)小衛(wèi)星精度略低、通道略少的缺陷。

陳柯等基于我國候選的50 GHz、118 GHz、183 GHz、380 GHz和425 GHz五頻段靜止軌道微波輻射計(jì)載荷方案，開展了地球靜止軌道微波觀測系統(tǒng)模擬試驗(yàn)，研究了其觀測時(shí)間分辨率、頻段選取和觀測誤差對臺風(fēng)預(yù)報(bào)的影響，以2018年臺風(fēng)“瑪利亞”和“山竹”為案例分析了靜止軌道微波資料同化對臺風(fēng)預(yù)報(bào)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，對于靜止軌道微波資料同化應(yīng)用，提高觀測資料的時(shí)間分辨率、增加通道數(shù)量和降低噪聲水平，能夠有效提升臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)性能。

3.3 關(guān)于Hybrid OSSE

傳統(tǒng)的OSSEs試驗(yàn)可以對觀測數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行很好的評估，但是在進(jìn)行模擬和計(jì)算中有兩個(gè)難點(diǎn)，其一是關(guān)于如何模擬已有的觀測數(shù)據(jù)并與實(shí)際一致的觀測誤差，另一個(gè)是如何對OSSEs進(jìn)行驗(yàn)證和校正（即OSSEs中現(xiàn)有觀測系統(tǒng)對預(yù)報(bào)的影響應(yīng)與業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中觀測數(shù)據(jù)的影響接近或相當(dāng)）。與傳統(tǒng)OSSEs不一樣，Hybrid OSSE不使用傳統(tǒng)意義上的自由運(yùn)行產(chǎn)生的NR，而是使用高時(shí)空分辨率的再分析資料作為NR，比如ERA5。這使得Hybrid OSSE與傳統(tǒng)OSSEs相比有兩個(gè)優(yōu)勢：1）只有未來觀測數(shù)據(jù)是從高時(shí)空分辨率的再分析場中模擬得到的，而其他已有觀測數(shù)據(jù)則是直接用實(shí)際的觀測數(shù)據(jù)；2）預(yù)報(bào)結(jié)果不僅可以與再分析資料進(jìn)行比較，還可以與實(shí)際觀測來比較進(jìn)而對未來觀測系統(tǒng)進(jìn)行有效的評估，例如熱帶氣旋最佳路徑和在實(shí)際天氣事件中獲得的地面雨量器數(shù)據(jù)。Hybrid OSSE大大減少了模擬已有觀測數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和不確定性，可以更有效的提高對于目標(biāo)觀測的預(yù)報(bào)影響評估試驗(yàn)結(jié)果。圖2 給出用ERA5再分析資料作為NR模擬的GEO CrIS FSR第1183通道亮溫，和CrIS FSR實(shí)際觀測的亮溫進(jìn)行比較，其中在GEO CrIS FSR圖中，LEO觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)用紅線標(biāo)出，可以看出模擬亮溫可以反映出與實(shí)際觀測非常相近的天氣系統(tǒng)和大氣干濕狀態(tài)，并且由于在同一時(shí)刻靜止衛(wèi)星的觀測范圍遠(yuǎn)大于極軌衛(wèi)星，所以利用再分析數(shù)據(jù)模擬未來觀測系統(tǒng)也是可行且較為省時(shí)的一種方法。

圖2 實(shí)際觀測的CrIS FSR 1183通道亮溫（a）和用ERA5做為NR模擬的靜止衛(wèi)星CrIS FSR 1183通道亮溫（b）（注意兩者的觀測角度不一樣） Fig. 2 The brightness temperature of the CrIS FSR channel 1183 from the real observations (a) and the simulated GEO satellite (b) (Note the two have different zenith angles)

Okamoto等為研究搭載在下一代的葵花靜止地球軌道衛(wèi)星上的紅外高光譜大氣探測儀（Geo-HSS）的潛在影響，設(shè)計(jì)了基于再分析資料（ERA5）為NR的Hybrid OSSE試驗(yàn)。采用一個(gè)典型的強(qiáng)降水事件發(fā)生時(shí)期的具有高精度的再分析資料（ERA5）作為“真實(shí)的”大氣廓線信息，對地球靜止衛(wèi)星上的紅外高光譜大氣探測儀觀測的模擬仿真試驗(yàn)。Wang等在Hybrid OSSE中，對GEO上搭載全光譜分辨率的高光譜紅外探測儀CrIS的可能影響開展了研究。選擇2018年和2019年的兩個(gè)局地強(qiáng)風(fēng)暴（LSS）天氣過程案例來評估GEO CrIS–FSR的影響。圖3 給出了ERA5再分析數(shù)據(jù)中的V風(fēng)場500hPa分析圖（圖3a），控制試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)中的V風(fēng)場分別在圖3b和圖3c。其中控制試驗(yàn)是指對現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)的同化，包括傳統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)（GTS），微波衛(wèi)星資料（AMSUA和ATMS）和紅外衛(wèi)星資料（IASI和CrIS–FSR）；模擬試驗(yàn)用模擬的靜止衛(wèi)星CrIS-FSR數(shù)據(jù)代替極軌衛(wèi)星CrIS-FSR數(shù)據(jù)，其他觀測數(shù)據(jù)不變。為了更好的比較同化模擬GEO CrIS-FSR和觀測CrIS-FSR的變化，圖3d是ERA5再分析場和控制試驗(yàn)的差別（ERA5–CNTRL），它的標(biāo)準(zhǔn)誤差協(xié)方差（standard deviation）是3.51 m/s，圖3e是ERA5再分析場和模擬試驗(yàn)的差別（ERA5–EXP），它的標(biāo)準(zhǔn)誤差協(xié)方差是3.41 m/s。所以對于500 hPa風(fēng)場，GEO CrIS-FSR可以提供更大的觀測范圍和觀測數(shù)據(jù)，因此使預(yù)報(bào)結(jié)果更接近NR，通過同化GEO CrISFSR讓V風(fēng)場在500 hPa的誤差降低3%。

圖3 500 hPa 風(fēng)場圖（單位：m/s） （a）ERA5再分析資料風(fēng)場；（b）從控制試驗(yàn)中得到V風(fēng)場；（c）從模擬試驗(yàn)中得到V風(fēng)場；（d）ERA5再分析資料和控制試驗(yàn)V風(fēng)場的差別（ERA5-CNTRL）；（e）ERA5再分析資料和模擬試驗(yàn)V風(fēng)場的差別（ERA5-EXP） Fig. 3 The V-wind at 500 hPa (unit: m/s) (a) ERA5 reanalysis fields; (b) CNTRL; (c) EXP; (d) the differences between ERA5 and CNTRL (ERA5-CNTRL); (e) the differences between ERA5 and EXP (ERA5-EXP)

進(jìn)一步的分析表明，GEO CrIS FSR 對于大氣溫度、濕度、降水量以及風(fēng)場的預(yù)報(bào)都有所改善，總的RMSE降低了5%。Hybrid OSSE的優(yōu)勢在于，它允許在更現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中評估未來的觀測結(jié)果，而傳統(tǒng)的OSSEs則需要對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的校準(zhǔn)，以確保結(jié)果的真實(shí)性。所謂校準(zhǔn)（calibration）是指微調(diào)OSSE系統(tǒng)使得當(dāng)OSSE完全用于現(xiàn)有觀測系統(tǒng)時(shí)，得到的影響結(jié)果與OSE試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)，或與業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中觀測數(shù)據(jù)的影響相當(dāng)，這是OSSE中的一個(gè)很大挑戰(zhàn)，同時(shí)耗費(fèi)大量的計(jì)算。而Hybrid OSSE則避免了校準(zhǔn)的問題，只需做OSSE確認(rèn)（verification）即可，OSSE的確認(rèn)可以通過比較兩組試驗(yàn)完成，第一組是完全采用現(xiàn)有觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，而第二組則是在第一組的基礎(chǔ)上將某個(gè)儀器（例如極軌衛(wèi)星高光譜大氣探測儀）的實(shí)際觀測替換成模擬觀測，兩組試驗(yàn)結(jié)果一致即表明Hybrid OSSE系統(tǒng)可信度高，可以用于評估未來同類型的觀測系統(tǒng)（例如靜止衛(wèi)星高光譜大氣探測儀）。

4 總結(jié)

開發(fā)和建立集軌道模擬、導(dǎo)航模擬、觀測模擬和影響評估于一體的綜合OSSE系統(tǒng)對地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展、數(shù)據(jù)同化和數(shù)值預(yù)報(bào)研發(fā)、觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化配置等具有重要意義。傳統(tǒng)的OSSE存在以下四個(gè)方面的局限性：

1）基于自由大氣的NR難以真實(shí)反映諸如臺風(fēng)和局地強(qiáng)對流等高影響天氣事件；

2）現(xiàn)有系統(tǒng)的觀測特性特別是誤差特性難以在模擬中得到客觀表征；

3）用于評估影響的預(yù)報(bào)模式既不能和NR太接近也不能相差太遠(yuǎn)，如果相差太遠(yuǎn)，則難以證明影響，而如果太接近，則影響可能無意義；

4）傳統(tǒng)OSSE很難進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)意味著需要對OSSE系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，以便將其應(yīng)用于現(xiàn)有系統(tǒng)真實(shí)觀測時(shí)，來自真實(shí)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的影響是接近且可比較的。

Hybrid OSSE系統(tǒng)能有效克服以上局限。其所有模擬基于高分辨率分析場或再分析場，因而能較好的反應(yīng)真實(shí)場景，而模擬只針對未來觀測系統(tǒng)，試驗(yàn)中現(xiàn)有系統(tǒng)都采用實(shí)際觀測資料，避免了OSSE校正及模擬現(xiàn)有系統(tǒng)帶來的問題。Hybrid OSSE可以成為未來觀測系統(tǒng)模擬和評估的重點(diǎn)研究方向。

未來的綜合系統(tǒng)應(yīng)能夠模擬來自任意軌道包括高、中、極、低四類軌道的各類儀器觀測，能夠評估儀器性能指標(biāo)、時(shí)間分辨率、空間分辨率和空間覆蓋范圍等綜合需求，能夠用于觀測系統(tǒng)規(guī)劃和星座優(yōu)化布局。未來OSSE綜合系統(tǒng)需要更全面的耦合模型來生成NR，例如通過地球系統(tǒng)大科學(xué)裝置將大氣、海洋、陸地模型都耦合起來，生成可以更好地代表自然中大氣狀態(tài)的NR，以及模擬自然大氣中的物理和化學(xué)現(xiàn)象。Halliwell 等采用一個(gè)大氣和海洋耦合模型生成的NR開展了OSSE研究。也可采用更高時(shí)空分辨率的區(qū)域和全球分析場或再分析場用于Hybrid OSSE。并且未來的OSSE NR應(yīng)具有云雨大氣下的觀測模擬能力；先進(jìn)同化系統(tǒng)（尤其云雨大氣下）；先進(jìn)的觀測模擬技術(shù)（主被動、全天候、全地表、全波段）；新型OSSE概念（不通過傳統(tǒng)的NWP同化），例如短臨預(yù)報(bào)型OSSE和天氣分析診斷型OSSE等。