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)
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(guān)注[1]。云的變化能夠直接影響大氣中的輻射傳輸,進(jìn)而影響大氣中的溫濕度分布和到達(dá)地面的太陽輻射,最終對地氣系統(tǒng)的輻射平衡產(chǎn)生影響[2-4]。準(zhǔn)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(shù)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(dá)、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(xì)的連續(xù)分布的三維云場,就需要對多源數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)果,為數(shù)值預(yù)報(bào)模式提供更好的初始場,改進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的短期預(yù)報(bào)水平。其他一些機(jī)構(gòu)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(jié)合衛(wèi)星、雷達(dá)、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(diǎn),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(chǎn)品可用于天氣診斷分析,有效防御各類氣象災(zāi)害以及次生災(zāi)害,減輕人民生命財(cái)產(chǎn)損失,同時(shí)也能夠?yàn)榇髿廨椛溲芯刻峁┮欢ǖ膮⒖肌8鶕?jù)《國家級氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化目標(biāo)任務(wù)和評價(jià)方案(2014—2020年)》,作為“氣象資料質(zhì)量控制及多源數(shù)據(jù)融合與再分析”攻關(guān)方向的重點(diǎn)任務(wù)之一,國家氣象信息中心承擔(dān)了“實(shí)時(shí)發(fā)布全國3~5 km分辨率大氣要素與云信息融合產(chǎn)品”的相關(guān)工作。為了切實(shí)推進(jìn)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(shè)計(jì)劃,并于2015年全面啟動三維云融合分析業(yè)務(wù)系統(tǒng)研發(fā)工作。截至2020年,三維云融合分析業(yè)務(wù)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(wù)系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0)已經(jīng)進(jìn)入業(yè)務(wù)化運(yùn)行階段,實(shí)時(shí)生成的“中國陸地三維云量實(shí)況融合分析產(chǎn)品V1.0”于2018年12月通過業(yè)務(wù)準(zhǔn)入評審,通過國內(nèi)氣象通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全國下發(fā)。
3DCloudA-V1.0系統(tǒng)是基于LAPS/STMAS系統(tǒng)[17],結(jié)合國內(nèi)的實(shí)際情況發(fā)展而來,輸入資料主要包括:GFS和GRAPES-GFS數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品、雷達(dá)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(chǎn)品,并可以得到云底高度、云頂高度、云水、云冰等附加產(chǎn)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(yù)報(bào)產(chǎn)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(jìn)行訂正,得到最終的三維云融合結(jié)果
三維云量初猜場的形成與數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品有關(guān),基于數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品中的濕度信息計(jì)算得到云量,每層云量Cloud計(jì)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(shè)為0.8;b是經(jīng)驗(yàn)系數(shù),在3DCloudA-V1.0系統(tǒng)中設(shè)為1。
基于數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和三維云量初猜場,計(jì)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(shí)際觀測亮溫之間的差異,對三維云量初猜場進(jìn)行訂正。如果實(shí)際觀測亮溫比模擬亮溫高,則認(rèn)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(diào)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(yù)報(bào)產(chǎn)品重新計(jì)算一個(gè)云量,對原來的云量場進(jìn)行修正。如果實(shí)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(jì)算云頂高度和云量,然后通過衛(wèi)星計(jì)算結(jié)果與三維云量初猜場的對比來進(jìn)行訂正,最后利用分析的云量場計(jì)算得到一個(gè)模擬亮溫,與衛(wèi)星紅外波段亮溫觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,進(jìn)一步調(diào)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
盡管目前中國氣象業(yè)務(wù)中的天氣雷達(dá)為測雨雷達(dá),無法給出準(zhǔn)確的云觀測信息,但是基于雷達(dá)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(dá)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(dá)基數(shù)據(jù),讀取雷達(dá)反射率數(shù)據(jù),并投影至3DCloudA-V1.0系統(tǒng)的分析格點(diǎn)上,若某一格點(diǎn)上周圍存在多個(gè)雷達(dá)反射率觀測數(shù)據(jù),則通過距離權(quán)重法得到該點(diǎn)最終雷達(dá)反射率結(jié)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(gè)網(wǎng)格上有云且該格點(diǎn)上的雷達(dá)反射率在云底之上并超過一定閾值,則該格點(diǎn)云量定為1(圖2)。
圖2 雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)對云量的訂正流程
3DCloudA-V1.0系統(tǒng)中質(zhì)量控制主要是對于云量分析結(jié)果中的異常值(即云量分析結(jié)果大于1或者小于0的情況)進(jìn)行處理,即若云量分析結(jié)果大于1.001,則3DCloudA-V1.0系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)退出;若云量分析結(jié)果在1.0~1.001之間,將云量分析結(jié)果賦值為1;若云量分析結(jié)果小于0,則給出報(bào)錯(cuò)信息,并將云量分析結(jié)果賦值為0(圖2)。
三維云融合分析業(yè)務(wù)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(yù)處理、數(shù)據(jù)融合分析、產(chǎn)品生成與后處理、產(chǎn)品評估、數(shù)據(jù)管理、運(yùn)行調(diào)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(shí)況分析產(chǎn)品。目前三維云融合分析業(yè)務(wù)系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0)運(yùn)行在中國氣象局“派-IBM”高性能計(jì)算集群”和“派-曙光”高性能計(jì)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(yùn)行需要的輸入數(shù)據(jù)主要來自“派-IBM”高性能計(jì)算集群/“派-曙光”高性能計(jì)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(chǎn)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(jìn)行歸檔,通過 MUSIC(Meteorological Unified Service Interface Community)接口和國內(nèi)氣象通信系統(tǒng)向用戶提供產(chǎn)品服務(wù)。
三維云融合分析業(yè)務(wù)系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0)主要包括:數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)預(yù)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(diào)度模塊等5個(gè)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(yù)報(bào)產(chǎn)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(chǎn)品、雷達(dá)基數(shù)據(jù)等,為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。②數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和雷達(dá)氣象數(shù)據(jù)的預(yù)處理。對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)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(dá)基數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼,輸出為單站對應(yīng)掃體個(gè)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(yù)報(bào)產(chǎn)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(jìn)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(jìn)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(jié)果。④數(shù)據(jù)后處理模塊。將生成的最終產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GRIB2格式,將產(chǎn)品數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺TS通信系統(tǒng),由CTS系統(tǒng)完成產(chǎn)品分發(fā);生成產(chǎn)品空間分布圖,并定時(shí)繪制產(chǎn)品評估圖;定時(shí)清理、備份輸入數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、輸出產(chǎn)品、系統(tǒng)日志等文件,保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)占用的存儲空間處于一定的范圍內(nèi)。⑤運(yùn)行調(diào)度模塊?;贓C-Flow軟件的運(yùn)行調(diào)度模塊,根據(jù)設(shè)計(jì)的邏輯順序,實(shí)現(xiàn)各功能模塊之間的有序執(zhí)行,具備并發(fā)啟動多個(gè)作業(yè)任務(wù)的能力,提高運(yùn)行效率,使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。
中國氣象局“派-IBM”高性能計(jì)算集群和“派-曙光”高性能計(jì)算集群為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)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(yùn)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(chǎn)品生成監(jiān)控,三維云融合分析業(yè)務(wù)系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0)運(yùn)行裝機(jī)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(chǎn)品最終進(jìn)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(chǎn)品服務(wù)(圖3)。
系統(tǒng)每小時(shí)運(yùn)行2次,于每個(gè)整點(diǎn)和整點(diǎn)后30 min啟動,實(shí)時(shí)融合多源氣象數(shù)據(jù),每次運(yùn)算生成1個(gè)時(shí)次的數(shù)據(jù);輸入數(shù)據(jù)源包括數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品、地面觀測數(shù)據(jù)、雷達(dá)基數(shù)據(jù)、靜止氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),生成時(shí)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(shí)況融合分析產(chǎn)品(表1)。
表1 三維云融合分析業(yè)務(wù)系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0)工作流程
系統(tǒng)依托于“派-IBM”高性能計(jì)算集群和“派-曙光”高性能計(jì)算集群建設(shè),實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)系統(tǒng)雙機(jī)備份,有效地提升了產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性,并使用EC-Flow調(diào)度軟件,建設(shè)了實(shí)時(shí)調(diào)度模塊,具備可視化的監(jiān)控界面,方便監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀況,圖4為目前3DCloudA-V1.0系統(tǒng)的EC-Flow調(diào)度界面。
圖4 三維云融合分析業(yè)務(wù)系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0)的EC-Flow調(diào)度界面(圖中黃色表示已執(zhí)行、藍(lán)色表示待執(zhí)行)
為減輕業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)維壓力,在系統(tǒng)中,開發(fā)了EC-Flow調(diào)度進(jìn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測與自動重啟、缺失時(shí)次數(shù)據(jù)自動補(bǔ)算等容錯(cuò)功能,有效地提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性:①EC-Flow調(diào)度進(jìn)程監(jiān)控與自動恢復(fù)。自動檢測EC-Flow調(diào)度進(jìn)程是否存在,若發(fā)現(xiàn)進(jìn)程丟失,自動重啟EC-Flow調(diào)度進(jìn)程。該功能也能夠在高性能集群重啟之后,自動啟動調(diào)度模塊,避免不必要的人工干預(yù)操作,保證了業(yè)務(wù)系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)啟動。②產(chǎn)品自動補(bǔ)算。在服務(wù)器重啟或其他故障原因造成產(chǎn)品未生成,在系統(tǒng)重啟或恢復(fù)后能夠自動補(bǔ)算未生成的產(chǎn)品。自動補(bǔ)算的規(guī)則為每個(gè)整點(diǎn)后20 min和40 min,檢查前48 h的產(chǎn)品是否存在,若不存在,則按照時(shí)間順序,自動完成最近一次缺失時(shí)次的產(chǎn)品補(bǔ)算,由此逐步完成所有缺失時(shí)次的產(chǎn)品補(bǔ)算。③任務(wù)節(jié)點(diǎn)自動更新。當(dāng)作業(yè)出現(xiàn)異常時(shí),為不影響之后一天的任務(wù)順利執(zhí)行,設(shè)置了任務(wù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)定時(shí)刷新。目前設(shè)置為世界時(shí)每日23:50自動執(zhí)行,將所有時(shí)次的任務(wù)狀態(tài)統(tǒng)一更新為排隊(duì)狀態(tài),保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)在之后一天能夠正常運(yùn)行。
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(dá)觀測數(shù)據(jù)具備長時(shí)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(chǎn)品CAL_LID_L2_05 km CPro-Prov-V3-40作為評估基礎(chǔ)[21],評估三維云量融合分析結(jié)果,CALIPSO云廓線產(chǎn)品數(shù)據(jù)下載自https://search.earthdata.nasa.gov/search。
由于CALIPSO云廓線產(chǎn)品為極軌衛(wèi)星反演產(chǎn)品,過境時(shí)間均為地方時(shí),因此為方便其與逐小時(shí)分辨率的三維云量融合分析結(jié)果的匹配,僅選取了其在整點(diǎn)前后10 min的云廓線觀測數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn),圖5為2017年9月部分整點(diǎn)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(chǎn)品、背景場三維云量的對比結(jié)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(chǎn)品具備很好的對應(yīng)關(guān)系;相對于背景場三維云量診斷結(jié)果,在考慮了地形因素以及融合了雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)后,三維云量融合分析結(jié)果的云底信息更加準(zhǔn)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(jié)果的云頂信息更加準(zhǔn)確。
在三維云融合分析業(yè)務(wù)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(yù)報(bào)產(chǎn)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(jié)果。
圖6為2018年7月22日00:00UTC總云量實(shí)況融合分析產(chǎn)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(fēng)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(nèi),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(shí)況融合分析產(chǎn)品與衛(wèi)星云圖空間分布非常接近,對于臺風(fēng)云系的刻畫也更為精細(xì),臺風(fēng)外圍云墻分布細(xì)節(jié)更為明顯,能夠準(zhǔn)確描述出“安比”臺風(fēng)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(jìn)行了有效地訂正。
為進(jìn)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(shí)況融合分析產(chǎn)品和背景場三維云量進(jìn)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(yù)報(bào)產(chǎn)品獲取的背景場三維云場頂部緯向變化平緩,并且在臺風(fēng)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(jìn)行了訂正,云頂高度模擬進(jìn)一步增加,形成環(huán)繞“安比”臺風(fēng)中心的高聳云墻,同時(shí)對于臺風(fēng)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(zhǔn)確地表現(xiàn)出“安比”臺風(fēng)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(shí)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(fēng)“安比”經(jīng)過時(shí)沿31.45°N實(shí)況融合(a)及背景場(b)云量垂直廓線
為進(jìn)一步提高多源資料三維云融合應(yīng)用能力,國家氣象信息中心基于逐步訂正的方法,實(shí)現(xiàn)了數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品、靜止氣象衛(wèi)星成像儀觀測資料、雷達(dá)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(wù)系統(tǒng)(3DCloudA-V1.0),實(shí)時(shí)生成的三維云融合分析產(chǎn)品全國下發(fā)。3DCloudA-V1.0系統(tǒng)采用EC-Flow軟件建設(shè)了運(yùn)行調(diào)度模塊,協(xié)調(diào)各個(gè)功能模塊實(shí)時(shí)運(yùn)行,同時(shí)能夠提供可視化的監(jiān)控界面,為業(yè)務(wù)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(wù)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定實(shí)時(shí)運(yùn)行。經(jīng)驗(yàn)證,3DCloudA-V1.0系統(tǒng)輸出的三維云融合分析產(chǎn)品能夠較好地描述三維云場空間結(jié)構(gòu),為強(qiáng)對流天氣監(jiān)測提供一定的參考。