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Cite this article: Weng, F. Z., X. W. Yu, Y. H. Duan, J. Yang, and J. J. Wang, 2020: Advanced Radiative Transfer Modeling System (ARMS): A new-generation satellite observation operator developed for numerical weather prediction and remote sensing applications. Adv. Atmos. Sci., 37(2), 131−136, https:///10.1007/s00376-019-9170-2. Download: 本期嘉宾   美国气象学会会士 中国气象科学研究院卫星研究与应用联合中心主任 翁富忠 教授 封面故事 运筹帷幄，决胜千里 ——先进辐射传输模拟系统ARMS ● 精彩看点 翁富忠教授带领的卫星团队在CRTM和RTTOV等快速辐射传输模式的基础上，优化模块、融入近年来的重要研究进展，研发了中国第一代快速辐射传输模式ARMS，并已初步与美国CRTM和欧洲RTTOV模式形成三足鼎立，共同成为支撑产品研发和卫星资料数据同化等相关应用的核心技术。ARMS的研发和应用，将为我国风云卫星发展提供关键理论技术，并为中国气象局数值预报系统提供重要技术支撑。  《大气科学进展》2020年第2期封面 “不识庐山真面目， 只缘身在此山中”。 当我们仅仅依靠常规手段对大气进行观测，就如以管窥豹，无法观其全貌。 有了气象卫星这颗天眼，我们就能通过卫星遥感技术，掌握地球上的风云变化。 “会当凌绝顶， 一览众山小”。 “运筹帷幄之中， 决胜千里之外”。 辐射传输模式将卫星观测与大气、地面和海洋环境变量结合起来，为我们的气象服务保驾护航。  ● 观测算子问题 天气预报如何更准？ 数值天气预报提高了天气预报准确率、能预测未来更长时间的天气，是气象事业的核心技术。 数值天气预报的实质，是求解控制大气运动的偏微分方程组的初边值问题。利用数值模式做天气预报时，预报误差来源于初边值的误差和模式误差两个方面。资料同化的目的之一就是提高初值的质量，进而改进预报效果。而辐射传输模式是联系卫星观测与大气、地面和海洋环境变量的纽带，是支撑数值天气预报模式和遥感应用不可或缺的观测算子。 “一直以来，国内的卫星资料同化和参数反演工作都依赖于国外发展建立的美国快速辐射传输模式（CRTM — Community Radiative Transfer Model)和欧洲快速辐射传输模式（RTTOV — Radiative Transfer for the TIROS Operational Vertical Sounder）。随着中国卫星事业的快速发展和搭载仪器越来越多样化，欧美的快速辐射传输模式已不能很好地满足我国卫星遥感应用的需求。” ●同化框架为什么重要？ 资料同化是利用一切可以获得并且可用的信息与初猜场进行有效的融合，尽可能更准确地估计某一时刻的大气状态。其核心问题是如何进行初猜场与多种资料的有效融合，为数值天气预报提供好的初值。 资料同化利用时空采样不规则的观测资料，给数值预报模式提供一个更精确的真实大气状态的描述-分析场，从而改善数值模式的预报效果。随着对卫星辐射率资料同化研究和应用的不断进步，在变分资料同化系统中，利用辐射传输模式，合理同化气象卫星红外和微波辐射观测资料和常规资料，可以得到更精确的分析场。 “寸辖制轮”，资料同化系统中许多细节问题处理的合理性和正确性，决定了资料同化结果的好坏。 “为了有效地在变分同化系统中引入站点资料、场地试验资料、各种卫星观测资料，就需要搭建一个好的同化框架，才能有效解决关键技术问题，做好质量控制，检验和提高观测算子的精确性，从而最大限度地提取观测资料中有关大气状态的信息，得到最精确的分析场。把分析场作为预报模式的初始场，得到的数值天气和短期气候预报效果有显著提高。” ● 先进辐射传输模拟系统ARMS 新一代中国风云卫星在空间、频谱和时间分辨率上观测到的全球大气信息，大大超过了以前的仪器。风云卫星提供的数据量巨大，并且需要解决许多科学问题才能最有效地利用这些观察结果，这也是数值天气预报和资料同化领域面临的新机遇和新挑战。 为了加速风云卫星数据在数值天气预报模式中的应用，中国气象局翁富忠教授带领的卫星团队自主研发了先进辐射传输系统——Advanced Radiative transfer Modeling System (ARMS),作为新一代观测算子。ARMS在美国快速辐射传输模式（CRTM — Community Radiative Transfer Model)和欧洲快速辐射传输模式（RTTOV — Radiative Transfer for the TIROS Operational Vertical Sounder TOVS）的基础上优化组合，并融入了最新的科学研究成果。  Fig 1. 辐射传输模拟示意图 （翁富忠 提供） ARMS具有以下几个方面的特点 使用离散坐标矢量辐射传输法作为核心求解方案，在大气散射和发射下中求解斯托克斯辐亮度矢量； 发展灵活的软件接口以涵盖各种对辐射传输模式的需求与应用； 包括更多的大气与地表散射介质模型以满足未来卫星资料同化和反演的需求。   Fig 2. 光谱学特征 （翁富忠 提供）  “不同于CRTM和RTTOV，ARMS使用极化二流近似和矢量离散坐标法作为辐射传输模式的核心求解方案，在散射和发射大气下求解斯托克斯辐射分量。ARMS针对国产气象卫星仪器的光谱响应函数，设计了精确的快速大气透射率计算方案，建立了完整的大气光谱数据集，实现快速吸收系数的计算。此外，ARMS发展和建立了完整的气溶胶、云粒子散射数据库，实现在全天候条件下，红外及微波大气探测仪的快速高精度的辐射传输计算，并可扩展到可见光及紫外波段以实现更多仪器的应用需求。同时，ARMS完善了海洋、陆面发射率理论模型和数据集，并着重发展红外陆面及海冰红外和微波发射率理论模型和数据集以增强“三极”地区复杂地表状况下的应用能力。”  Fig 3. （a）ARMS高光谱红外大气探测器的模拟准确度，以及（b）ARMS算法和CRTM算法间的差异。（翁富忠 提供） ARMS现在正与中国气象局自主研发的数值预报系统——四维变分全球/区域同化预报系统（GRAPES-4DVar）集成，以同化微波和红外测深仪数据。在对每种仪器类别的ARMS模拟不确定性进行充分表征之后 ，将对偏差校正方案进行完善。 “我们必须填补有关地表比辐射率的知识空白。我们会将ARMS集成到耦合GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)同化系统中；同时，我们也在进一步改进ARMS，算法中将包括大气分子的瑞利散射和旋转拉曼散射。另一方面，尽管ARMS已准备好同化从卫星探测仪器观测到的辐射数据，但前提是亟需提高卫星测深仪的模拟精度。” 免费全文链接： http://link./10.1007/s00376-019-9170-2 人物简介 翁富忠 美国气象学会会士,中国气象局特聘教授、博导，中国气象科学研究院卫星研究与应用联合中心主任，中国气象卫星战略咨询委员会委员。在美国国家海洋与大气管理局（NOAA）工作多年，曾任美国卫星气象和气候处主任，兼美国卫星资料同化联合中心（JCSDA）常务主任，主持数值天气预报中的卫星同化工作。他先后荣获多项美国国家级奖如2000年NOAA戴维约翰逊奖，2005年度美国商务部金奖获，NOAA一等奖。领导发展的美国NOAA/NASA/DoD通用辐射传输模式（Community Radiative Transfer Model, CRTM），被世界上广泛应用于卫星资料同化，仪器定标和遥感应用中。在CRTM方面的成就获得了2009年美国国家海洋大气管理局局长的科学与技术奖。在国际期刊上发表论文297篇，文章引用次数高达5686次且H指数为40。 文字整理：金 玲 策划：石傲兰 校对：林 征 排版制作：金 玲 审核：Ms. Zhou ✬《大气科学进展》✬ |
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