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

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

[20] 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

[21] 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

[22] 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

[23] 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

[24] 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

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

[26] 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)

[27] 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

[28] 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

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

[30] 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

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

[18] 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

Acknowledgement and Disclaimer

This work was jointly supported by the China Special Fund for Meteorological Research in the Public Interest (No. GYHY201106008 and No. GYHY201406008), project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 91337218, 41475103, and 41375013). The authors would like to acknowledge Prof. Qifeng Lu and Prof. Gang Ma for providing the new regression coefficients for the transmittance parameterization in the fast RTM and the FY-3B MWTS radiance data.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg