直接 EnKF 同化风云三号 G 星双频降水监测雷达反射率用于强降雨预报：Ka 波段和 Ku 波段观测的频率相关影响

《Atmospheric Research》：Direct EnKF assimilation of FY-3G dual-frequency PMR reflectivity for heavy rainfall forecasting: frequency-dependent impacts of Ka- and Ku-band observations

　　

•这是首次尝试使用格点统计插值（GSI）-集合卡尔曼滤波（EnKF）系统在对流尺度上直接同化风云三号G星（FY-3G）降水测量雷达（PMR）反射率。
•评估了Ka波段和Ku波段数据对两个典型强暴雨过程分析和预报的不同附加价值。
•Ka波段同化细化了高层冰相微物理过程，而Ku波段同化重建了低层降雨中心并大幅改善了降水预报。

引言
准确预测对流尺度降水系统仍然是数值天气预报（NWP）中的基础挑战（Bauer等，2015；Gustafsson等，2018）。强降雨事件具有高时空变率和快速演变的特点，经常导致严重的社会影响，包括山洪暴水和城市内涝（Yin等，2022；Zhao等，2023）。通过数据同化（DA）改进NWP模型的初始条件，对于捕捉这些系统的触发和维持机制至关重要（Sun等，2014；Yano等，2018；Liu等，2020；Shu等，2023；Xu等，2023；Shen等，2025a）。虽然地基气象雷达提供了高精度的反射率和径向速度三维观测，但其覆盖范围因地形遮挡、波束展宽以及海洋和偏远山区的大范围盲区而受到根本限制（Westrick等，1999），从而阻碍了NWP模型中对流尺度降水系统的准确初始化。

卫星降水雷达克服了这些地理限制，提供了来自太空的垂直分辨反射率廓线，大大推进了全球降水监测。具有降水雷达（PR）的热带降雨测量任务（TRMM）（Kummerow等，1998；Iguchi等，2000）和具有双频降水雷达（DPR）的全球降水测量（GPM）任务（Hou等，2014；Skofronick-Jackson等，2017）等开创性任务极大地增进了我们对全球降水微物理过程的理解。其他主动传感器，如云概观卫星（CloudSat）上的云剖面雷达（CPR）（Stephens等，2002），也对云结构分析做出了贡献，尽管其重点关注的是非降水云。在这些开创性任务取得成功之后，中国于2023年4月16日发射了其首颗降水测量卫星风云三号G星（FY-3G）（Zhang等，2023）。作为全球第三个业务化的卫星降水雷达系统，FY-3G配备了一个先进的双频降水测量雷达（PMR），工作在Ku波段（13.35 ± 0.01 GHz）和Ka波段（35.55 ± 0.01 GHz）。凭借250米的垂直分辨率和约5公里的水平分辨率，FY-3G PMR提供了揭示降水系统精细微物理结构的独特能力，包括液态和冰相粒子的详细垂直分布（Zhang等，2025）。

将雷达反射率同化到NWP模型中已被证明对提高短期降水预报非常有效（Aksoy等，2009；Wattrelot等，2014；Gao等，2016；Shen等，2023，Shen等，2025b，Shen等，2026a，Shen等，2026b；Zhao等，2024；Shu等，2025）。在卫星雷达的特定领域，开创性工作首先在GPM DPR上得到展示。Okamoto等（2016）率先使用基于集合的变分（EnVA）方案直接同化垂直反射率廓线，在分析三维水凝物分布和预报2014年第9号台风“海鸥”（Halong）方面显示了显著改善。最近，Kotsuki等（2023）应用集合卡尔曼滤波（EnKF）将GPM DPR反射率同化到全球非静力正十二面体大气模型（NICAM）中。然而，注意到直接状态更新面临的挑战，他们转而采用参数估计方法来减轻系统偏差。这些研究强调了使用基于集合的方法处理卫星雷达的极大潜力及其固有的挑战。

在此基础上，新发射的FY-3G PMR提供了新的机遇。自成功发射以来，该仪器已被广泛评估并应用于诊断研究。与地基雷达网络（He等，2025a；Shang等，2026）和GPM DPR（Liu等，2024）进行的严格交叉定标证实了其高质量的数据和检测可靠性。此外，PMR观测在分析极端天气事件的微物理结构方面表现出了独特价值，例如揭示台风“山神”（Yagi）快速增强期间的动力-微物理反馈（He等，2025b），以及在超强台风“卡努”（Krathon）（2024）中识别出比GPM DPR观测更宽的雨滴尺度分布（Zhou等，2025）。然而，尽管取得了这些诊断成功，将FY-3G PMR数据通过DA整合到NWP模型中的研究仍处于起步阶段。迄今为止，Wu等（2025）通过应用一维加三维变分（1D + 3D-Var）方法同化FY-3G Ku波段观测，取得了宝贵的进展。然而，他们的研究仅关注单一频率（Ku波段），并采用了间接同化策略。这种依赖于经验假设反演相对湿度（Caumont等，2010）的间接方法，本质上绕过了对三维水凝物场的直接校正。此外，使用静态背景误差协方差限制了捕捉快速演变对流系统流动依赖性、多变量误差结构的能力。

为弥补这些差距，本研究利用基于格点统计插值（GSI）的集合卡尔曼滤波（EnKF）系统，首次进行了基于个例的研究，直接同化FY-3G PMR反射率。与静态协方差方法不同，EnKF框架利用了流动依赖性、多变量背景误差协方差。这一关键能力使得能够直接、物理一致地更新水凝物状态，同时伴随着强耦合的动力和热力学场。对于如FY-3G PMR（Ka/Ku波段）这样的高频雷达，本研究使用了一种先进的观测算子——浙江大学高精度高效雷达算子（ZJU-AERO；Xie等，2024）来处理复杂的散射过程。在该算子中，考虑了非球形水凝物散射和信号衰减，这能够直接从模型状态直接模拟FY-3G PMR反射率。

在本研究中，选取发生在湖南和北京的两场强暴雨事件，评估Ku波段和Ka波段反射率观测的同化影响，并检查它们在两个独立个例中频率依赖效应的一致性。这两个波段的频率依赖比较有物理动机，因为Ku波段穿透强降雨的能力更强，衰减更小，而Ka波段对较小水凝物（如云冰）具有更高的敏感性，尽管更容易受到严重衰减的影响。据我们所知，这项工作通过多个个例评估，代表了对FY-3G PMR在对流尺度直接EnKF同化潜力的初步评估，超越了以前的间接或变分方法。本研究旨在统计量化FY-3G PMR数据对细化水凝物廓线以及调制相关动力和热力学场的频率依赖贡献，从而增强定量降水预报的准确性。除了核心单波段实验外，还进行了两个有针对性的实验，以评估频率依赖结果的实际意义。为湖南个例执行了同时Ka-Ku同化实验，以确定这两个频率的不同敏感性在使用中联合使用时是否会产生额外的预报效益。为北京个例执行了单波束北京大兴S波段雷达同化实验，以提供一个地基雷达基准，从而将PMR同化影响放在更广泛的背景下。

本文其余部分组织如下。第2节描述了这两个暴雨个例、FY-3G PMR观测及其预处理、PMR观测算子以及实验设计。第3节详细介绍了湖南个例的分析，重点在于对反射率结构、动力、热力学、微物理变量以及诊断粒子尺度分布（PSDs）的同化影响。第4节评估了核心Ka波段和Ku波段同化实验对这两个个例的降水预报影响，并进一步使用确定性验证和概率性验证检查了有针对性的同时Ka-Ku同化和地基S波段雷达基准实验。最后，第5节总结了主要发现，并讨论了研究局限性和未来研究方向。

个例概览
选择了两个典型的暴雨个例进行数值实验。第一例发生在湖北、重庆和湖南省交界处（以下简称湖南暴雨），第二例发生在北京、天津和河北省交界处（以下简称北京暴雨）。图1展示了这两个暴雨事件发生前的大尺度环流背景以及它们各自的6小时观测降水量积累。对于湖南暴雨，中心位于...

湖南暴雨个例研究
选择湖南暴雨个例进行Ka波段和Ku波段同化频率依赖影响的详细分析。本节检查了反射率结构以及相关的微物理、动力、热力学和诊断粒子尺度分布（PSD）响应。包括KaKu_DA在内的降水预报影响在第4节进行评估。

对两个暴雨个例降雨预报的影响
本节评估了雷达DA对湖南和北京暴雨个例后续5小时降水预报的影响。除了CNTL、Ka_DA和Ku_DA之外，还考察了湖南个例的KaKu_DA，而S_DA则包含在北京个例中作为地基雷达基准。利用降水分布、性能图和接收者操作特征（ROC）曲线来评估预报性能。

图13比较了观测和集合平均的5小时累积...

结论和讨论
本研究调查了利用WRF模式和GSI-EnKF系统，FY-3G PMR观测在改进对流尺度定量降水预报方面的潜力。考察了发生在湖南和北京的两个强暴雨个例，以评估同化Ka波段和Ku波段反射率的频率依赖影响以及它们在两个独立事件中的一致性。通过利用先进的ZJU-AERO算子，对两个个例进行了三个核心实验（CNTL、Ka_DA和Ku_DA）...

CRediT作者贡献声明
Aiqing Shu：调查研究，形式分析，审稿与编辑，初稿撰写。Peng Zhang：验证，监督，资源提供，概念构思。Feifei Shen：监督，软件开发，概念构思，审稿与编辑。Yubao Chen：调查研究，概念构思。Jinzhong Min：监督，项目管理，资金获取。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢
本研究主要得到重庆市数值模式-人工智能一体化强天气预报预警重点实验室开放研究基金（MAIN-2025005）、国家自然科学基金（41805070）、重庆市自然科学基金创新与发展联合基金（CSTB2025NSCQ-QXLHJJZDX0008）、柳州元宝山地形性暴雨重点实验室（2025ybssyszl）、华东相控阵天气雷达开放基金会的资助...

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