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全空同化中118/183 GHz敏感性差异及对台风预报的影响

全空同化,风云卫星

主题1 天气、气候、全球变化、行星大气 > 专题1.20 灾害性天气的资料同化与发生发展机理

全空微波辐射率资料同化在数值天气预报中具有重要应用价值，其中183 GHz吸收带因其对湿度和云层的显著敏感性而成为研究热点，而118 GHz吸收带则主要响应温度变化，同时对水凝物也表现出一定敏感性。二者组合能够提供更为全面的温度与湿度观测敏感性，覆盖不同高度层，并适用于晴空和有云条件。风云三号卫星搭载的微波湿度计（MWHS-II）同时具备这两个波段的通道，形成互补观测优势。尽管这两个波段的仪器通道同化性能已有研究，但它们对水凝物场的差异性影响仍缺乏系统探索。本研究基于水凝物控制变量，分别单独同化118 GHz和183 GHz附近的MWHS-II通道并开展联合同化试验，旨在探究云和降水信息如何被同化进入分析场，并进一步影响预报效果。

敏感性分析表明，在台风区域内，118 GHz通道对液态水凝物更敏感性，而183 GHz通道对固态水凝物更敏感，这一特点与分析增量特征相符。在联合同化试验中，水凝物分布集成了118 GHz通道对低层暖云的探测优势和183 GHz通道对高层冷云的敏感性，进而在不同高度层上优化温度、湿度及水凝物分析。预报评估显示，118 GHz通道对温度场修正效果显著，而183 GHz通道更利于湿度场的改进。在台风强度预报方面，联合同化效果最优，118 GHz次之，183 GHz略逊；路径预报结果在三组试验中差异较小。就台风暖心结构而言，同化118 GHz比183 GHz表现出更强且更持久的暖心特征，而联合同化的暖心结构最为显著。切向风和垂直速度的模拟结果进一步支持了上述强度预报差异。

研究进一步发现，台风“利奇马”（2019）的外眼墙结构被成功模拟，其中同化183 GHz对外眼墙的刻画更为明显。联合同化虽能反映外眼墙的形成，但其特征较183 GHz弱；118 GHz的外眼墙生成时间较晚。诊断分析表明，这一差异与通道对水凝物的敏感性差异直接相关。183 GHz在外眼墙结构上的模拟优势，主要由于台风“利奇马”的内眼墙以冰云为主，且内眼墙的深对流在驱动外眼墙形成中起关键作用。相比之下，118 GHz试验显示内眼墙区域以暖云过程为主，这可能导致外眼墙形成延迟。综上，通过水凝物控制变量，不同通道的观测特性被有效利用，形成差异化的水凝物分析场，进而影响台风结构演变。这为卫星微波资料全空同化在热带气旋数值模拟和机理分析中的应用提供了科学依据。