卫星微波探测仪器在数值天气预报系统中发挥着关键作用，通过微波观测获取的大气温湿度垂直分布信息能够有效降低模式预报误差。微波遥感具备在全天候条件下持续观测的能力，并能部分穿透云层，实现对大气状况的连续监测。目前，微波探测仪器主要搭载于极轨卫星，而极轨卫星的重访周期远长于静止轨道卫星，导致其难以完整捕捉快速演变的天气系统的信息。此外，目前用于获取大气垂直剖面的卫星微波辐射计往往耗时耗资，一旦发生故障便可能对全球数值天气预报产生显著影响。因此，本研究面向微波探测仪器未来可能的新型载体，分别构建了针对微小卫星编队和静止轨道微波探测的观测系统仿真与快速更新同化模块, 设计了考虑不同定标精度和观测解析度的静轨微波和小卫星探测资料同化方案。随后，本研究围绕包括强台风“利奇马（2019）”、“烟花（2021）”及河南“21.7”极端强降水事件在内的多个灾害性天气个例，基于快速更新的混合变分方法将小卫星编队和静轨微波仿真数据快速同化进模式，并基于动态的集合协方差关系使得微波探测信息在模式初始场变量间和空间上流依赖协相关传递。系统评估了两类新型载体下的微波辐射资料对改进区域数值天气预报的潜在价值。结果表明，两类资料的加入均产生了积极影响，对其的同化能够改进模式对水汽、温度以及环流结构的模拟效果，提升对台风路径和强度的预报能力，并有效改善相关的降水模拟。研究表明，以静止卫星与微小卫星编队作为微波探测仪器载体，可以为区域模式提供时空分辨率更精细、覆盖范围更广的微波探测信息，在未来的区域数值天气快速更新预报领域具有重要潜力。相关研究从资料同化应用角度为未来小卫星编队和静止微波探测优化设计和资料先行应用提供了初步的科学参考。
图 1 (a) 微小卫星星座概念图，及其 (b) 三条模拟轨道的辐射覆盖轨迹。
图 2 本研究使用的混合变分快速更新同化方法示意图。
图 3 台风“烟花”于不同发展阶段下的72小时最佳路径及模式预报：(a) 快速增强及转向阶段；(b) 登陆前阶段；(c) 登陆后阶段。
图 4 (a, e) 6小时累积降水观测（毫米）及三组试验对应的降水预报：(b, f) 同化小卫星星座微波资料的试验，(c, g) 同化业务常用卫星资料的试验，(d, h) 同化常规观测资料的试验。(a-d) 与 (e-h) 分别代表2021年7月20日0600 UTC河南强降雨事件及2021年7月26日1800 UTC台风“烟花”登陆引发强降雨事件的累积降水。
相关成果已分别发表于SCI期刊《Journal of Geophysical Research-Atmospheres》和《Remote Sensing》。
论文信息：
Wang, Y., Chen, H., He, J., Chen, Y., Min, J., 2025. The potential benefits of assimilating future CubeSat-constellation microwave radiances on regional NWP for typhoon and heavy rainfall with a rapid-update convection-permitting 4DEnVar. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 130, e2024JD041746.
Wang, Y., He, J., Chen, Y., Min, J., 2021. The potential impact of assimilating synthetic microwave radiances onboard a future geostationary satellite on the prediction of Typhoon Lekima using the WRF model. Remote Sensing, 13(5), 886.
