红外与微波辐射亮度的协同效应：朝鲜半岛强降水案例的全天空数据同化研究

《IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing》：Synergistic Effects of Infrared and Microwave Radiance in All-sky Data Assimilation for a Heavy Precipitation Case over the Korean Peninsula

本刊推荐一项关于全天空数据同化中红外与微波辐射亮度协同效应的创新研究。针对韩国半岛强降水预报难题，研究团队提出了一种异步同化方法，在微波观测可用时优先同化微波亮温并暂缓红外数据同化，有效解决了传统同步同化策略中云表征冗余与不一致问题。结果表明该方法通过优化高低层水凝物平衡，显著提升了降水预报精度，为卫星同化系统优化提供了重要理论依据。

　　

当暴雨倾泻而至，准确的天气预报能成为守护生命财产的关键防线。然而，传统数值天气预报模型在初始条件准确性方面仍面临挑战，特别是云形成等未解析大气过程带来的不确定性。卫星辐射数据因其全球覆盖能力和大气参数捕捉能力，已成为现代预报系统不可或缺的部分。但如何有效利用受云影响的辐射数据，尤其是整合不同光谱特性的观测值，一直是学界攻坚的难点。

近期发表在《IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing》的研究，针对朝鲜半岛一次破纪录强降水事件（2022年8月8-9日），创新性地探索了红外与微波辐射亮度在全天空数据同化中的协同效应。这项研究由韩国蔚山国立科学技术大学牵头，首次系统比较了同步与异步同化策略对降水预报的影响，为高影响天气事件的精准预报提供了新思路。

研究团队采用Weather Research and Forecasting Model Data Assimilation (WRFDA)框架下的三维变分(3D-Var)同化系统，空间分辨率达4公里，重点同化了五个水凝物预报变量。关键技术方法包括：利用社区辐射传输模型(CRTM)模拟亮温；采用云依赖观测误差模型处理全天候条件数据；通过变分偏差校正(VarBC)优化卫星观测；结合极轨与静止卫星的多源观测数据（Himawari-8 AHI红外、GPM GMI和GCOM-W AMSR2微波）。

数据同化策略设计

研究设置了五组实验（表IV）：CLRIR（晴空红外）、ALLIR（全天空红外）、CLRIR_SYNC（晴空红外+全天空微波同步）、ALLIR_SYNC（全天空红外+微波同步）以及创新的ALLIR_ASYNC（异步同化）。异步方法的核心在于：当微波观测可用时暂停红外同化，避免两种数据对水凝物调整的物理约束冲突。

同化实验对分析和预报准确性的影响

垂直廓线验证表明，ALLIR_ASYNC在850-500 hPa温度场误差最低，低层水汽和风场表现最优。近地面同步观测对比显示，异步方法在湿度场RMSE较基准实验降低最显著（图3,4）。24小时相对均方根误差(RRMSE)分析进一步证实，异步同化在风场和中低层温度预报中持续改进，而同步策略在高层出现误差增长（表V）。

红外与微波同化对水凝物分布的影响

经度-高度剖面揭示关键机制：ALLIR_SYNC中同步红外同化显著增强云冰(Qi)和云水(Qc)，但抑制了微波同化引起的低层水汽(Qv)增加（图5）。异步方法则既保留高层对流云结构，又通过独立微波同化增强低层湿度。固态水凝物分析表明，ALLIR_SYNC中雪(Qs)和霰(Qg)增量过度集中，而异步方案呈现更合理的垂直分布（图6）。

不同同化策略的降水预报对比

基于IMERG卫星降水的30小时累积预报验证显示，ALLIR_ASYNC最准确再现黄海MCS（中尺度对流系统）和东部层状降水（图7）。定量评分中，异步方法在ETS（公平威胁得分）和POD（概率检测）最高，FAR（误报率）最低（图8）。独立地面站(ASOS/AWS)验证进一步确认其偏差最小（-7.22 mm），显著优于同步策略的-22 mm偏差（图9,10）。

研究结论强调，异步同化通过分离红外与微波的直接影响窗口，规避了红外对高层云的过度敏感性与微波低层约束的相互干扰。这种方法在保留红外数据高时空分辨率优势的同时，充分发挥微波对底层水汽的物理约束力，为全天空同化系统优化提供了新范式。尽管本研究聚焦单一强降水案例，但其提出的条件性同化框架对改进区域预报系统具有普适意义。未来研究可扩展至更多天气个例，并探索在外循环变分同化框架中的集成应用。