AR：基于逐小时快速更新和双分辨率集合-变分方法的静止卫星水汽通道全空资料混合同化研究

该研究在集合-变分混合同化框架下构建了适用于云雨区卫星辐射率的总水汽集合扩展控制变量，利用云微物理参数化方案建立了水汽及云雨增量的协调分配方案，同时考虑到对流尺度模拟的背景下，流依赖背景误差协方差依赖的集合预报所需计算代价较大，研究发展了基于双分辨率算法的静止卫星云雨区辐射率同化方法。研究基于单点试验验证了静止气象卫星资料同化对云水、雨水等模式云雨变量间的协相关特征，分析了总水汽控制变量背景下的云雨背景误差协方差的合理性。研究发现改进方案提升了静止卫星云雨区资料的同化效果，且其双分辨率算法在节省大量计算资源的前提下保证了结果的准确性。

另外，针对强对流天气具有发展速度快、气象要素变化剧烈的特点，为保证静止卫星资料高频观测中信息量在资料同化中的最大有效利用，研究开展了适合静止气象卫星资料集合-变分方法的同化频率研究。同化频率分别为十分钟一次、三十分钟一次、一小时一次和三小时一次。研究发现，逐三十分钟同化一次的试验对于降水预报有最好的效果，逐小时同化的试验效果次之，而逐十分钟和逐三小时同化的效果最差。说明合适的同化频率对于静止卫星观测信息的利用有重要的影响，逐三十分钟同化的降水预报评分最低是由于观测信息利用不够充分引起，而逐十分钟同化则是因为过于频繁的同化次数对模式初始场的分析平衡造成了一定的破坏，该平衡破坏在十分钟的模式积分时间内不足以恢复。相关研究结果对后续高频率静止气象卫星资料的快速同化业务应用有较好的参考意义。

图1. 静止卫星资料单点观测理想试验500hPa分析增量（阴影），(a) (b) (c)分别为全分辨率混合同化的水汽混合比(kg/kg)，温度(K)，纬向风(m/s)， (d) (e) (f)分别为双分辨率混合同化的水汽混合比(kg/kg)，温度(K)，纬向风(m/s)，(g) (h) (i)分别为三维变分同化的水汽混合比，温度，纬向风，等值线是对应的背景场变量分布，分析时刻是世界时2019年7月4日12时。

图2. 基于ERA5计算的同化后6小时预报场各模式变量平均均方根误差随高度的分布

图3. (a)-(c)：24小时累积降水预报对应的TS、ETS和FSS评分随降水量级阈值的变化；(d)-(f) 24小时累积降水预报对应的TS、ETS和FSS评分随预报时效的变化