COSMIC掩星反演数据质量分析

利用2007?2010年的中国探空资料评估GPS掩星探测系统COSMIC (constellation observing system for meteorology, ionosphere, and climate)反演产品, 对比数据在空间上限定掩星事件发生地和探空站的水平距离在100 km以内, 在时间上相差不超过1小时, 对比高度范围为925~10 hPa。对比结果表明, COSMIC反演大气温度略低于探空仪测量值, 平均绝对偏差为?0.08 K, 标准差为1.67 K。两者水汽资料在200 hPa以上高度有系统性偏差; 在200 hPa以下, 比湿的平均偏差约为+0.080 g/kg, 标准差为0.692 g/kg, 水汽压平均相对误差约为+69.6%, 标准差为160.0%, 水汽压存在极端低值的异常情况。通过对全球不同区域6种探空仪的对 比, COSMIC反演产品在700 hPa以下高度显著受背景场影响, 由于背景场误差随区域改变, 因此, 只有在精度要求不高的情况下, COSMIC反演产品才适合用于评估其他资料。     

临近空间卫星探测温度数据的精度评估

为综合分析评估中国区域内临近空间卫星遥感探测的温度数据精度,利用2006年4月至2009年12月的COSMIC掩星探测数据与TIMED/SABER卫星探测数据进行对比分析,计算2种卫星数据之间的平均温度偏差和温度标准差,并统计分析随季节和纬度分布的温度偏差特征。对比统计结果表明,中国区域内2种卫星遥感探测数据的温度随高度变化的特征总体一致;其平均温度偏差均在2K以上,在15km附近偏差较大,在37~57km内平均温度偏差以约0.22K/km的速度随高度递增;同时,平均温度偏差在夏季最小,冬季最大,在35~60km内季节的变化对温度偏差影响较大,且温度偏差随纬度的变化在不同高度范围内呈现不同的分布特征。此次评估综合分析了COSMIC与TIMED/SABER在中国区域内的温度数据精度,能够为临近空间卫星探测数据在国内的应用提供一定的参考依据。     

利用第二类正则变换方法反演COSMIC掩星探测数据

为了验证第二类正则变换(CT2)方法反演折射率的精度,选取2007-2009年1月和7月的气象、电离层和气候观测系统星座(COSMIC)附加相位和振幅数据,利用CT2方法处理得到折射率,并与利用全谱反演(FSI)方法得到的COSMIC折射率数据、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)分析资料折射率进行对比。结果表明,CT2方法反演的折射率、COSMIC折射率以及ECMWF分析资料折射率的平均偏差在1~40km均不超过1%;在1~15km,CT2方法和FSI方法反演的折射率与ECMWF分析资料折射率的平均偏差均在1%以内;CT2方法与ECMWF分析资料折射率偏差的标准差小于FSI方法的。总的来说,CT2方法和FSI方法都具有很高的反演精度,但随着水汽含量的增加,CT2方法和FSI方法的反演精度会降低,并且CT2方法反演的不确定性小于FSI方法。     

GPS掩星折射率的一维变分同化

为了探索GPS掩星观测资料在数值预报模式中的同化应用,利用GPS掩星折射率的一维变分同化技术,将MM5模式输出结果作为背景场,以GPS掩星折射率作为观测值来进行一维变分同化。将同化反演后得到的气压、温度、水汽压廓线与德国地学研究中心（GFZ）公布的气象观测资料进行了对比和分析,得到了较好的比较效果。证实了GPS掩星资料的合理同化对数值预报可进行有效的改进,并提出了下一步的同化方向。     

高空大型无人机下投探空观测资料分析

基于2020年8月2日在南海开展的中国首次高空大型无人机观测试验获取的下投探空观测资料、邻近站点常规探空资料和ERA5再分析资料,通过分析资料间的误差、平均绝对误差、均方根误差、相关系数、标准差和变化趋势,研究了下投探空资料的质量水平及其与ERA5再分析资料间的差异,并讨论了引起下投探空观测误差的原因,结果表明：各组下投探空之间温度一致性最优,好于湿度,明显好于风向风速;以常规探空为标准进行对比,下投探空温度、湿度、风速误差水平接近WMO CIMO的精度要求,风向受探空仪下落速度和下垫面差异影响导致误差较大;ERA5的温度、中下层湿度与下投探空偏差较小,风向相差较大,风速在1 000～2 000 m高度区间偏差较大,下投探空上层湿度明显偏干;探空仪高速下落对湿度、风向、风速测量准确度影响明显,湿度还受传感器测量性能影响,可能受环境温度突变影响.     

地基微波辐射计反演温/湿度廓线的BP神经网络训练方案对比

为提高地基微波辐射计反演大气温/湿度廓线的精度,提出了一种直接利用高垂直分辨率探空资料与地基微波辐射计观测亮温训练反演温/湿度廓线BP神经网络方案.基于地基微波辐射计的观测特点,提出了一种基于微波辐射计地面观测资料和探空资料的观测亮温综合质量控制方案,利用质量控制后的观测亮温训练BP神经网络(OBS-BP),并与基于MonoRTM辐射传输模式模拟亮温训练BP神经网络(SIM-BP)的方法进行了对比.结果表明, OBS-BP反演温度廓线的均方根误差随高度逐渐增大,范围为0.62～2.81 K,偏差范围为-0.67～0.43 K,相关系数随高度的升高逐渐减小,变化范围为0.92～0.99;相对湿度廓线的均方根误差在0～4.75 km随高度升高而增大,在4.75 km以上随高度升高而减小,范围为8.21%～24.37%,偏差范围为-3.87%～4.54%,相关系数随高度升高逐渐减小,变化范围为0.13～0.94.将OBS-BP和SIM-BP反演高时间频次的温/湿度廓线的效果进行了对比,得出OBS-BP的反演结果能更好地反映对流层内大气温/湿度演变过程,相对于利用SIM-BP的反演结果, OBS-BP反演温/湿廓线在各个高度层上均优于SIM-BP,与探空资料具有更好的一致性,更适用于实际观测中地基微波辐射计温/湿度廓线的反演.     

用AMSU资料反演西北太平洋海域大气湿度廓线的研究

采用快速辐射传输模式RTTOV对AMSU所有通道进行水汽廓线的敏感性分析, 并根据模式计算结果逐步剔除相关性小的预报通道, 建立两种水汽廓线反演的统计回归模型;之后利用2006年7月NOAA-16卫星AMSU亮温资料, 计算不同算法下的反演系数矩阵, 回归得出大气水汽廓线。反演廓线经与NCEP 廓线比较, 得到0600UTC 和1800UTC 比湿反演的各层偏差(RMS)分别在1.4g/kg 及1.7g/kg 以内。个例分析发现, 反演廓线与NCEP廓线趋势一致; 反演比湿场可定位台风云区及水汽供应输送带, 具有一定的揭示台风结构的能力。     

利用CrIS红外高光谱卫星数据反演大气温湿度廓线的研究

大气温湿度廓线信息是数值天气预报和气候变化评估等科学研究必不可少的基础数据,利用高光谱卫星数据准确定量地反演高精度的大气温湿度廓线,对提高天气预报和气候预测能力具有重要意义.本文利用搭载在Suomi-NPP(National Polar-orbiting Partnership)卫星上的新一代跨轨红外探测器CrIS(Cross-track Infrared Sounder)的高光谱红外辐射资料,联合欧洲中期天气预报中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)的温湿度廓线再分析资料,利用D-R(Dual-Regression)双回归反演算法进行了大气温湿度廓线的反演研究.并利用上海宝山站点2014-2016年6-9月的实测的大气温湿度廓线探空数据和美国国家海洋与大气管理局NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)官方算法NUCAPS(NOAA Unique Combined Atmospheric Processing System)提供的大气温湿度产品进行了对比与验证.结果表明:基于ECMWF的大气温湿度再分析数据作为背景场的D-R算法反演得到的大气温度廓线的总体BIAS基本保持在±1 K以内,RMSE(root mean square error)在2 K以内,与NUCAPS算法的反演精度相当;在低层,D-R算法的反演精度仍保持在2 K以内,要优于NUCAPS算法(RMSE指标).相对湿度在高度300 hPa以下时与NUCAPS算法反演的精度相当,其RMSE基本在20%以内,BIAS基本在±10%以内,反演结果较好且稳定;但在高于300 hPa时,D-R算法反演的误差明显增大到30%,精度降低.     

GPS探空和飞机探测在2009年春季张家口地区一次降水过程分析中的应用

利用Vaisala RS-92型GPS探空仪加密探测和飞机云物理探测资料, 对2009年春季张家口地区一次层积云降水过程进行了研究。从准饱和区、位势不稳定区以及风场的演变等方面探讨了降水的宏观天气学特征; 从水汽输送、水汽总含量变化, 各高度水汽分布等方面分析了降水的水汽变化特征。同时, 对GPS探空和飞机探测结果进行了对比分析。     

结合激光雷达评估常规探空资料反演青藏高原混合层高度的适用性

利用微脉冲激光雷达探测资料,采用梯度法获取那曲地区夏季的混合层高度序列及日最大混合层高度;利用每日两次(08:00和20:00)的探空资料结合地面最大位温,采用气块法得到雷达探测对应日期的日最大混合层高度(MMH)。通过对比从不同资料得到的MMH,发现08:00探空反演结果与激光雷达结果有较好的一致性(相关系数R为0.85,均方根误差RMSE为0.30 km,平均绝对误差MAE为0.25 km,并通过显著性水平为0.95的t检验);20:00探空反演结果则与激光雷达结果偏差相对较大(R为0.84,RMSE为0.67 km,MAE为0.54 km,未通过t检验)。分析产生偏差的原因发现,探空时刻的残余层、前期的天气变化过程以及对流泡活动或强卷夹过程引起的混合层高度时空变化等都可能是导致20:00高度结果与激光雷达结果不一致的原因,使得20:00探空资料不适合进行最大混合高度的反演。位温廓线的日变化特征也会影响反演结果的准确性,导致08:00探空结果偏高,但可以通过统计订正做修正。     

MODIS近红外资料反演大气水汽总含量

遥感反演大气水汽总含量对于研究水循环、全球气候变化、天气预报、遥感大气校正等具有重要意义。本文考虑了卫星扫描视场角的影响,实现并改进了用MODIS近红外资料反演大气水汽总含量的两通道比值反演模式,并用辐射传输模式定量讨论了误差。结果表明,反演值和探空均方根误差RMS=0.29 g/cm2,相关系数在92%。对月平均水汽分布的比较显示,反演水汽总含量与MODIS产品的分布是一致的,且更为合理。     

掩星折射率和弯角同化对台风预报影响的对比

为研究无线电掩星探测(GPS RO)弯角和折射率同化对数值预报的影响,以2012年17号台风"杰拉华"为例,利用美国国家环境预报中心(NCEP)的业务同化系统(GSI),以NCEP预报场资料为初始场,分别使用一维弯角观测算子和一维折射率观测算子同化弯角和折射率数据,并与观测数据对比,分析比较了同化掩星弯角和折射率资料对台风路径、强度及大气状态变量的影响。结果表明,在完成掩星弯角和折射率资料同化后,台风路径的预报水平得到明显改进,其中同化弯角资料可以使路径误差减少32%,而同化折射率资料只能减少13%,同化2种掩星资料对台风强度预报也有一定的影响,其中同化弯角资料后在前2天预报的台风中心气压更接近于实际情况,而同化折射率资料对预报有负影响。     

散射计风场反演的台风海平面气压场分析

利用QuikSCAT散射计获取的海面风场资料,借助美国华盛顿大学开发的行星边界层（UWPBL）模式,对2006年16个台风个例的海平面气压场进行了反演．通过将反演结果与NCEP海平面气压场及台风报文资料的对比分析表明：反演出的台风海平面气压场准确度较NCEP海平面气压场高;与报文资料相比,台风中心位置偏差不大,一般在1°以内,多数台风中心气压明显偏高,超强台风可偏差几十hPa,而强度较弱的台风则偏差较小,可仅为几hPa以内．     

地基12通道微波辐射计反演大气温湿廓线及估算雷达路径积分衰减

利用TP/WVP-3000型地基微波辐射计12通道亮温观测资料,发展了一套大气温湿及液态水廓线反演算法.首先对近20年历史探空数据进行数据转换、插值等处理后,分无云和有云两种类型,运用MWMOD微波辐射传输模式,计算无云情况下的微波亮温集,根据相对湿度廓线,利用模式的绝热液水含量分析方法,模拟计算出液态水廓线及对应的微波亮温数据集,利用改进BP神经网络计算模型,通过神经网络学习训练,获取代表该地区的神经网络系数,用于反演计算大气温度、水汽密度、相对湿度和液态水廓线.与GPS探空数据对比,反演的大气温度廓线在7 km以下误差均在3 K以内,水汽密度廓线在6 km以下误差均在3 g/m2以内,部分底层廓线的反演值与GPS探空观测接近,获得了较好的反演结果.同时,通过模式分析出云水廓线,弥补GPS探空不足,利用微波辐射计观测进行验证,估算雷达路径积分衰减,用于试验降水雷达反演分析.     

2012年11月福建省多暴雨过程成因分析

为分析2012年11月福建省降水异常偏多的现象,利用统计学和天气学的分析方法,对11月的降水气候特征和下旬3场暴雨的环流形势、影响系统及水汽输送特征进行了分析。整个11月,200 hPa西风急流偏强,在福建省上空有气流的辐散;500 hPa乌拉尔山脊偏强,贝加尔湖槽偏深,有利于冷空气南下;850 hPa为较强西南急流。下旬3场暴雨期间,500 hPa南支槽位于105°～110°E,副高强度偏强;中低层700,850 hPa有切变线和西南急流,850 hPa比湿大于8 g/kg。结果表明,稳定的环流形势、频繁出现的天气系统以及充沛的水汽条件是发生多暴雨现象的主要原因。     

基于微波辐射计的大气温湿廓线遥感探测

利用2010年1-6月甘肃省榆中站(52983)逐日的探空资料和兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)的地基微波辐射计反演资料,对榆中所在的半干旱地区大气的温度和相对湿度的垂直分布特征进行了分析.通过对比探空资料,讨论了微波辐射计的探测性能和反演效果,并对2013年1-3月微波辐射计反演的温度进行了偏差订正.结果表明微波辐射计反演资料与探空资料反映的温湿垂直分布趋势基本一致,温度的拟合效果优于相对湿度.近地层反演效果较好,温度的相关系数大于0.90,相对湿度的相关系数大于0.80,均通过了显著性水平为0.01的相关性检验.距地2~7km之间,微波辐射计反演的温度小于探空观测值,相对湿度大于探空观测值.温度订正效果显著,但仍存在一定的偏差.     

数值预报产品的历史相似订正方法研究

针对数值预报存在误差的基本事实,提出了一套利用历史相似资料订正数值预报的方案,利用2003-2008年T213 L31数值预报产品和1948-2007年的NCEP资料,建立了100～1000 hPa等压面的高度场、温度场、风场、垂直速度场和水汽场的24～240 h预报的24 h变量订正方程.采用24 h变量相关系数和均方根误差两个指标,对2009-2010年的T213,L31高度场和温度场、数值预报产品的试应用订正效果进行了检验.结果表明:以24 h变量相关系数衡量,高度场和温度场预报订正效果都是正面的,预报时效为96～192 h,订正效果最明显;以均方根误差衡量,高度场和温度场预报订正效果同样是显著改进的;订正效果存在区域差异,高度场订正效果高纬度显著,低纬度差一些;温度场订正效果低纬度要显著一些.     

一次暴雨过程中GPS三维层析水汽场的变化特征

利用小尺度GPS网络, 使用蒙特卡罗GPS水汽层析算法获取高时空分辨率的水汽场, 并通过与探空资料对比验证层析水汽场具有理想的精度。结合GPS三维层析水汽场与天津气象雷达资料, 分析2011年7月29日大暴雨过程, 首次给出小尺度水汽场在强对流过程中连续的变化过程以及精细结构。对于局地的对流过程, 三维层析水汽场能够在降水发生前约20分钟捕捉水汽在空中的富集现象并给出相应位置, 对降水预报具有指示作用。对于大范围强降水过程, 水汽场能够明确地给出水汽输送来源的位置和强度, 与天气形势分析和雷达气象分析的结论一致。     

基于地基GPS的暴雨水汽输送分析研究

利用地基GPS大气可降水量资料、常规气象资料和美国国家环境预报中心(National Cholesterol Education Program.NCEP)资料分析了2005年8月22-24日云南一次暴雨期间的水汽输送过程,分析了云南地基GPS立体布局的重要性.结果表明,GPS遥感的大气可降水量与探空观测结果有高度的一致性;地基GPS探测可以获得大气可降水量高频变化的信息;暴雨期间水汽输送主要集中在850～600 hPa之间的各层;立体布局的地基GPS网是监测西南水汽通道的有力手段.     

弱天气尺度下短时强降水环境特征和触发机制研究——以河北省廊坊市为例

利用河北省廊坊市2010—2018年5—8月地面自动站逐时降雨量、加密观测资料和北京探空资料,分析弱天气尺度下廊坊春夏季局地短时强降水时空分布特点、中小尺度触发机制和环境特征参数并归纳预警阈值.结果表明：2010—2018年弱天气尺度下局地短时强降水过程发生13次,且多发生在下午到傍晚和后半夜,大厂回族自治县发生局地短时强降水的次数最多;归纳环境参数的预警阈值,其中850 hPa比湿、700 hPa比湿、850 hPa与500 hPa温差、对流有效位能、K指数、0～6 km垂直风切变和暖云层厚度选取25%分位值作为最低阈值,取值分别是9 g/kg、5 g/kg、23℃、586 J/kg、33℃、4.3 m/s和3.2 km;500 hPa比湿、对流抑制能量和SI指数选取75%分位值作为最高阈值,取值分别是3 g/kg、141 J/kg和-0.4℃;在平直西风环流型和高压脊型两种弱天气尺度环流背景下,廊坊市短时强降水的触发机制主要有地面辐合线、负变压和热力因子.