Assimilation of Chinese Fengyun-3B Microwave Temperature Sounder radiances into the Global GRAPES system with an improved cloud detection threshold

Abstract

Fengyun-3B (FY-3B) is the second polar-orbiting satellite in the new Fengyun-three series. This paper describes the assimilation of the FY-3B Microwave Temperature Sounder (MWTS) radiances in the Chinese Numerical Weather prediction system – the Global and Regional Assimilation and PrEdiction System (GRAPES). A quality control procedure for the assimilation of the FY-3B MWTS radiance was proposed. Extensive monitoring before assimilation shows that the observations of channel 4 are notably contaminated. Channels 2 and 3 are used in this research. A cloud detection algorithm with an improved cloud-detection threshold is determined and incorporated into the impact experiments. The clear field-of-view (FOV) percentage increased from 42% to 57% with the new threshold. In addition, the newly added FOVs are located in the clear region, as demonstrated by the cloud liquid water path data from NOAA-18. The impact of the MWTS radiances on the prediction of GRAPES was researched. The observation biases of FY-3B MWTS O-B (differences between satellite observations and model simulations) significantly decreased after an empirical bias correction procedure. After assimilation, the residual biases are small. The assimilation of the FY-3B MWTS radiances shows a positive impact in the Northern Hemisphere and a neutral impact in the Southern Hemisphere.

Keywords

Fengyun-3B (FY-3B) / MWTS / quality control / GRAPES

References

[1] Ahn M H, Kim M J, Chung C Y, Suh A S (2003). Operational implementation of the ATOVS processing procedure in KMA and its validation. Adv Atmos Sci, 20(3): 398–414

[2] Andersson E, Pailleux J, Thepaut J N, Eyre J R, McNally A P, Kelly G A, Courtier P (1994). Use of cloud-cleared radiances in three-four-dimensional variational data assimilation. Q J R Meteorol Soc, 120(517): 627–653

[3] Baker N L, Daley R (2000). Observation and background adjoint sensitivity in the adaptive observation-targeting problem. Q J R Meteorol Soc, 126(565): 1431–1454

[4] Bouttier F, Kelly G (2001). Observing-system experiments in the ECMWF 4D-Var data assimilation system. Q J R Meteorol Soc, 127(574): 1469–1488

[5] Cardinali C (2009). Monitoring observation impact on short-range forecast. Q J R Meteorol Soc, 135(638): 239–250

[6] Chen D H, Xue J S, Yang X S, Zhang H L, Shen X S, Hu J L, Wang Y, Ji L R, Chen J B (2008). New generation of multi-scale NWP system (GRAPES): general scientific design. Chin Sci Bull, 53(22): 3433–3445

[7] Courtier P, Thépaut J N, Hollingsworth A (1994). A strategy for operational implementation of 4D-Var using an incremental approach. Q J R Meteorol Soc, 120(519): 1367–1387

[8] Courtier P, Andersson E, Heckley W, Vasiljevic D, Hamrud M, Hollingsworth A, Rabier F, Fisher M, Pailleux J (1998). The ECMWF implementation of three-dimensional variational assimilation  (3D-Var).  I:  formulation.  Q  J  R  Meteorol  Soc,  124:  1783–1807<?Pub Caret?>

[9] Derber J C, Wu W S (1998). The use of TOVS cloud-cleared radiances in the NCEP SSI analysis system. Mon Weather Rev, 126(8): 2287–2299

[10] Dong C H, Yang J, Yang Z D, Lu N M, Shi J M, Zhang P, Liu Y J, Cai B, Zhang W (2009). An overview of a new Chinese weather satellite FY-3A. Bull Am Meteorol Soc, 90(10): 1531–1544

[11] Du M B, Yang Y M, Yang Y H, Zhang J, Zhu X (2012). Bias correction for FY-3A microwave sounding data with its application to typhoon track forecast. Journal of Applied Meteorological Science, 23(1): 89–95 (in Chinese)

[12] English S J, Renshaw R J, Dibben P C, Smith A J, Rayer P J, Poulsen C, Saunders F W, Eyre J R (2000). A comparison of the impact of TOVS and ATOVS satellite sounding data on the accuracy of numerical weather forecasts. Q J R Meteorol Soc, 126(569): 2911–2931

[13] Eyre J R (1997). Variational assimilation of remotely-sensed observations of the atmosphere. J Meteorol Soc Jpn, 75(1b): 331–338

[14] Ferraro R R, Weng F Z, Grody N C, Zhao L M, Meng H, Kongoli C, Pellegrino P, Qiu S, Dean C (2005). NOAA operational hydrological products derived from the advanced microwave sounding unit. IEEE Trans Geosci Rem Sens, 43(5): 1036–1049

[15] Fourrié N, Doerenbecher A, Bergot T, Joly A (2002). Adjoint sensitivity of the forecast to TOVS observations. Q J R Meteorol Soc, 128(586): 2759–2777

[16] Gelaro R, Langland R H, Pellerin S, Todling R (2010). The THORPEX observation impact intercomparison experiment. Mon Weather Rev, 138(11): 4009–4025

[17] Grody N, Zhao J, Ferraro R, Weng F, Boers R (2001). Determination of precipitable water and cloud liquid water over oceans from the NOAA 15 advanced microwave sounding unit. Journal of Geophysical Research: Atmospheres (1984–2012), 106(D3): 2943–2953

[18] Harris B A, Kelly G (2001). A satellite radiance-bias correction scheme for data assimilation. Q J R Meteorol Soc, 127(574): 1453–1468

[19] Langland R H, Baker A L (2004). Estimation of observation impact using the NRL atmospheric variational data assimilation adjoint system. Tellus, Ser A, Dyn Meterol Oceanogr, 56(3): 189–201

[20] Lansante J R (1996). Resistant, robust and non-parametric techniques for the analysis of climate data: theory and examples, including applications to historical radiosonde station data. Int J Climatol, 16(11): 1197–1226

[21] Li J, Zou X (2013). A quality control procedure for FY-3A MWTS measurements with emphasis on cloud detection using VIRR cloud fraction. J Atmos Ocean Technol, 30(8): 1704–1715

[22] Li J, Zou X (2014). Impact of FY-3A MWTS radiances on prediction in GRAPES with comparison of two quality control schemes. Front Earth Sci, 8(2): 251–263

[23] Li Y, Rong Z, Zheng Z, Liu J, Zhang L, Zhang L, Hu X, Zhang Y, Sun L (2009). Post launch site calibration of visible and near-infrared channels of FY-3A visible and infrared radiometers. Optics and precision engineering, 17(12): 2966–2974

[24] Liu R (2011). FY-3B Satellite Delivered to CMA. Aerospace China, 2: 10

[25] Liu Z Q, Zhang F Y, Wu X B, Xue J S (2007). A regional ATOVS radiance-bias correction scheme for radiance assimilation. Acta Meteorologica Sinica, 65(1): 113–123 (in Chinese)

[26] Lu Q, Bell W (2012). Evaluation of FY-3B data and an assessment of passband  shifts  in AMSU-A  and  MSU  during  the  period  1978‒2012. Interim report of Visiting Scientist mission NWP_11_05, Document NWPSAF-EC-VS-023, Version 0.1, 28

[27] McNally A P, Derber J C, Wu W, Katz B B (2000). The use of TOVS level-1b radiances in the NCEP SSI analysis system. Q J R Meteorol Soc, 126(563): 689–724

[28] Navon I M, Legler D M (1987). Conjugate gradient methods for large scale minimization in meteorology. Mon Weather Rev, 115(8): 1479–1502

[29] Okamoto K, Kazumori M, Owada H (2005). The assimilation of ATOVS radiances in the JMA global analysis system. J Meteorol Soc Jpn, 83(2): 201–217

[30] Parrish D F, Derber J C (1992). The National Meteorological Centers spectral statistical interpolation analysis system. Mon Weather Rev, 120(8): 1747–1763

[31] QSS Group, Inc. (2005). Microwave Surface and Precipitation Products System (MSPPS) Users’ Manual (UM). NOAA, NESDIS. 28–29

[32] Saunders R W, Matricardi M, Brunel P (1999). An improved fast radiative transfer model for assimilation of satellite radiance observations. Q J R Meteorol Soc, 125(556): 1407–1425

[33] Van Delst P (2011). CRTM: v2.0 User Guide. Joint Center for Satellite Data Assimilation, Camp Springs, Maryland, USA

[34] Wang X, Zou X (2012). Quality assessments of Chinese FengYun-3B Microwave Temperature Sounder (MWTS) measurements. IEEE Trans Geosci Rem Sens, 50(12): 4875–4884

[35] Weng F, Grody N C (1994). Retrieval of cloud liquid water using the special sensor microwave imager (SSM/I). J Geophys Res, 99(D12): 25535–25551

[36] Wu W S, Purser R J, Parrish D F (2002). Three-dimensional variational analysis with spatially inhomogeneous covariances. Mon Weather Rev, 130(12): 2905–2916

[37] Xue J S, Chen D H (2008). Numerical Prediction System Design and Application  of  Science  GRAPES.  Beijing:  Science  Press  (in Chinese)

[38] Xue J S, Zhuang S Y, Zhu G F, Zhang H, Liu Z Q, Liu Y, Zhuang Z R (2008). Scientific design and preliminary results of three-dimensional variational data assimilation system of GRAPES. Chin Sci Bull, 53(22): 3446–3457

[39] Yang J, Dong C H, Lu N M, Yang Z D, Shi J M, Zhang P, Liu Y J, Cai B (2009). FY-3A: the new generation polar-orbiting meteorological satellite of China. Acta Meteorologica Sinica, 67(4): 501–509 (in Chinese)

[40] Yang Y M, Du M B, Zhang J (2013). FY-3A satellite microwave data assimilation experiments in tropical cyclone forecast. Journal of Tropical Meteorology, 19(3): 297–304  (in Chinese)

[41] You R, Gu S Y, Guo Y, Wu X B, Yang H, Chen W X (2012). Long-term calibration and accuracy assessment of the FengYun-3 microwave temperature sounder radiance measurements. IEEE Trans Geosci Rem Sens, 50(12): 4854–4859

[42] Zapotocny T H, Jung J A, Le Marshall J F, Treadon R E (2007). A two-season impact study of satellite and in situ data in the NCEP global data assimilation system. Weather Forecast, 22(4): 887–909

[43] Zhang P, Yang J, Dong C H, Lu N M, Yang Z D, Shi J M (2009). General introduction on payloads, ground segment and data application of Fengyun 3A. Front Earth Sci, 3(3): 367–373

[44] Zou X, Wang X, Weng F, Guan L (2011). Assessments of Chinese FengYun Microwave Temperature Sounder (MWTS) measurements for weather and climate applications. J Atmos Ocean Technol, 28(10): 1206–1227

[45] Zou X, Zeng Z (2006). A quality control procedure for GPS radio occultation data. J Geophys Res, 111(D2): D02112

Rights & permissions

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg