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.     

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.     

星载微波辐射计遥感大气温度廓线的数值模拟

为了充分了解微波被动遥感大气温度廓线的能力,为星载微波辐射计研制及今后的资料解释提供必要的技术基础,开展了采用50～60 GHz氧气吸收带内的7个通道反演大气温度廓线的数值模拟研究.利用微波辐射传输模型模拟了微波辐射计各通道亮度温度,在此基础上建立了大气温度廓线的统计反演方案.统计反演的数值试验表明,50～60 GHz微波通道对大气温度廓线有一定的遥感反演能力.     

MP-3000微波辐射计气候资料数据质量控制方法研究

MP-3000A微波辐射计作为一种新的探空仪器,可以获得较高分辨率的大气温湿等参数的垂直分布情况。利用北京探空数据、塘沽国家基本观测站地面数据对微波辐射计获得的温度、湿度廓线进行了对比分析。     

成都地基微波辐射计反演大气温湿性能的分析

利用3年RPG HATPRO-G4地基微波辐射计和L波段探空数据,比较微波辐射计反演和探空观测的气温、相对湿度差异.结果表明:气温的相关性较相对湿度的相关性更好.3年气温不同高度平均误差在1℃以内,相对湿度平均误差最大可达19%.四季中,冬季气温和相对湿度数据,春、夏季的气温数据均可直接使用,其他季节的气温或相对湿度数据需订正后才能使用.在4 km以下,降雨发生时,微波辐射计反演的气温较探空数据偏高3℃以上,数据必须订正后才能使用.相对湿度除非晴空(特指多云/阴天等无雨状况)和冬季以外,其他时段均需要订正.相对湿度数据主要订正高度位于4～8 km处;晴空时,还需对300 m以下进行10%～20%的正订正.     

高光谱红外探测仪温湿度廓线在华东地区的真实性检验

卫星高光谱红外资料可提供高时空分辨率的温湿度廓线信息,是数值天气预报模式重要的数据源.高光谱红外大气探测仪的温湿度产品资料的质量控制和观测误差描述是同化应用效果的关键.探空资料是对温湿度垂直信息的直接测量,具有较高精度,而汛期加密探空观测(北京时14:00)具有与AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)卫星过境时间相匹配的优势,可以较好地验证AIRS反演的廓线产品精度.研究选取中国华东地区,利用2015年夏季的加密探空资料与AIRS反演产品进行时空匹配处理.研究结果表明,AIRS反演的温度廓线精度较高,整体RMSE分布区间为[1.02℃,2.49℃];而湿度廓线整体上呈现低层偏干高层偏湿现象,RMSE分布区间为[12.91%,23.43%];AIRS和AMSU(Advanced Microwave Sounding Unit)联合反演产品中,随着云覆盖范围的增加,温湿度廓线反演精度逐渐降低,但整体上依然保证一定精度,其为将来开展有云覆盖条件下的卫星资料同化应用提供依据.     

基于PSO-BP神经网络的探空湿度太阳辐射误差修正

采用计算流体动力学(CFD)软件仿真太阳辐射偏干误差可获得无线探空仪的湿度修正因子,提高了湿度廓线的精度,有助于提升天气预报、气候预测及气象灾害预报预警能力。但湿度修正因子存在明显的时空分布特性,采用CFD方法对每条湿度廓线进行修正计算量庞大。针对这一问题,以CFD软件仿真出典型气压、太阳辐射量和太阳高度角下的温度误差作为数据样本,通过粒子群优化(PSO)的BP神经网络构建预测模型,对探空湿度太阳辐射温度误差进行预测,并利用饱和水汽压逼近公式推算湿度测量的修正因子。研究结果表明,以南京探空站某一天的探空数据作为测试对象,CFD计算和PSO-BP预测的湿度测量太阳辐射误差吻合度较好,说明PSO-BP神经网络预测方法能够对湿度廓线的太阳辐射偏干误差进行有效修正,而且可显著提高修正效率。     

支持向量机方法反演温湿廓线

为提高温湿廓线反演效率,提出了一种基于支持向量机(SVM)反演大气温湿廓线的方法。利用欧洲中期天气预报中心(ECMW F)的RTTOV-8-7前向辐射传输模式和60L-SD廓线集生成了AM SU模拟亮温资料,对模拟亮温资料进行温湿廓线反演试验。试验发现:相对于多元统计回归反演方法,地面至10 hPa层次温度反演平均均方根误差减少了11.5%,温度反演误差分布与权重函数峰值能量高度层分布的密集区域基本一致;水汽反演优于统计反演方法较多,在地面,SVM水汽反演误差减少了39.9%。反演实验说明,SVM可以较好地描写温湿廓线反演中非线性映射关系。分别比较模拟亮温中加入1、2、3倍噪声的情况,发现该方法反演温湿廓线均具有较好的抗噪声作用。     

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。     

地基微波辐射计资料质量定量分析

为了评估新型气象遥测设备微波辐射计对气球探空的气象业务可替代性和民航机场气象服务中对局地中小尺度系统监测预警的适用性,利用2015年6—12月在昆明试验的北京爱尔达电子公司的HTG-4型微波辐射计温湿数据,以同址气球探空作为基准,经时空同步方法处理数据后,采用分时次和分天气类型的方法并结合航空气象服务的需求,进行辐射计资料质量的定量分析,并对添加云雷达信息前后的辐射计数据进行了质量改善分析.结果表明:(1)辐射计低层探测温湿数据优于高层,温度数据优于湿度数据.(2)温度数据与气球探空相关性好,相关系数可达0.998,整体平均偏差为0.8℃.(3)汛期14:00低层探测误差较大,20:00探测效果优于08:00.在易成云的高度上辐射计遥感测值会受影响.(4)温度、相对湿度、水汽密度的相关系数在4种天气类型下均大于0.812,误差均较小,廓线一致性好,但对逆温层的识别效果较差.因探测原理的差异,辐射计的局部湿度特性敏感性不如气球探空.(5)加入云信息后,相对湿度数据相关系数从0.899提高至0.929,温度数据相关系数从0.996提高至0.997,辐射计温湿数据高层改善更明显.若在气象业务中使用加入云信息后的辐射计温湿数据,除了能有效地补充气球探空时空分辨率的限制外,还能显著提高温湿数据精度,为民航机场气象服务增加一种解决途径.     

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。     

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.     

微波辐射计探测滨海新区大气温湿参数垂直分布

对大气中水汽含量和云中液态水含量及其降水特性的测量研究至关重要。目前,针对液态云水路径和可降水量的直接观测较少。利用MP_3000A微波辐射计探测滨海新区大气重要参数垂直分布情况,可以连续得到从地面到10km高度上高分辨率的温度、相对湿度和水汽廓线以及较低分辨率的液态水廓线。     

干旱半干旱区不同下垫面边界层特征分析

选取干旱半干旱区具有不同下垫面特征的黄土高原和河西走廊代表站点2006-2013年的探空资料,对其边界层高度、边界层内的位温、比湿、风速等特征量在不同时间、不同高度的变化特点进行了比较分析,结果表明07:15两地区边界层高度多在300～600 m,且黄土高原地区要高于河西走廊地区;19:15两地区边界层高度多在200～500 m左右,且河西走廊地区要高于黄土高原地区.两地区边界层高度的变化均呈现出一定的周期性,在每年4、5月份左右达到峰值.黄土高原地区位温及其随高度递增率整体大于河西走廊地区;黄土高原地区比湿整体大于河西走廊地区;河西走廊地区风速廓线随高度变化差异大于黄土高原地区.各特征参数随着高度的增加,差异逐渐减小,说明下垫面对边界层特征的影响在近地层表现得尤为明显.     

基于卫星红外遥感的云顶高度反演算法综述

针对近年来利用卫星可见和红外波段遥感数据反演云顶高度的算法,对国内外研究进展和存在的问题进行综述。首先,主要介绍以红外窗区和CO_2吸收技术为主的红外波段反演算法;在此基础上,进一步介绍目前相关国家和地区的业务算法,对这些方法在实际应用中的优缺点予以评述,提出针对中国地区云顶高度反演的解决方案。将来,有发展前途的方法为基于红外分裂窗的查算表法,利用静止卫星的分裂窗数据及极轨卫星云廓线雷达数据,建立基于分裂窗亮温差和11μm通道亮温的云顶高度查算表,根据分裂窗亮温差和11μm亮温查表得到云顶高度。     

日全食对地基GPS和微波辐射计气象观测影响分析

利用2009年7月22日日全食前后地基GPS/MET水汽监测和微波辐射计观测的资料,分析日全食对温度、相对湿度、液态水含量、水汽密度廓线、地面温度、气压、水汽总量、液态水总量、云底高度、以及GPS探测的大气可降水汽总量等气象观测量的影响.同一站点日全食发生前后资料对比、以及位于日全食带和非全食带不同站点的同时资料对比分析显示:在两种设备的气象观测中,日食最为直接影响的是200 m以下近地层的温度和相对湿度,并对1 000 m以下区间温度和相对湿度形成明显的扰动;对于气压、水汽和液态水总量的影响较弱,对云底高度的影响不明显.     

改进的G矩阵模型法在全极化综合孔径辐射计中的应用

反演成像是综合孔径微波辐射计的一项关键内容,但反演过程是欠定的,不能提供一个确定解. 针对综合孔径辐射计中常用反演算法: G 矩阵模型法存在较大反演误差的问题,提出了一种改进的 G 矩阵模型法应用于FPIR系统中. 仿真结果表明,与传统的 G 矩阵模型法相比,改进的 G 矩阵模型法能有效地降低FPIR系统图像反演误差,以获取高精确度的观测场景的亮温分布满足FPIR系统探测海面风场、土壤湿度等应用需求.      

FY-3A/MWRI数据反演半干旱地区土壤湿度的研究

为了监测半干旱地区干旱化范围和干旱程度, 探讨了一种利用卫星微波遥感反演土壤湿度的方法。根据陆表和大气辐射传输模式模拟植被覆盖地表微波亮温和土壤湿度的关系, 建立土壤湿度的对数三次多项式的反演算法。利用中国气象卫星(FY-3A)搭载的微波成像仪(MWRI)的亮温资料,反演得到吉林通榆地区农田和草地的土壤湿度, 并与地面实测结果进行对比, 其均方根误差农田为0.003 cm³/cm³, 草地为0.005 cm³/cm³, 反演精度较高。本方法可以应用于可以获得更多资料的FY-3B卫星, 结合改进的辐射传输模式获取不同地表类型的辐射特征, 期望未来可进行区域试验的反演研究。     

黄土高原半干旱地区气溶胶特性

利用2006年8月～2007年7月兰州大学半干旱气候与环境观测站CE-318数据产品,对气溶胶光学厚度,大气可降水量及Angstrom波长指数的日变化及季节变化特征进行了分析.同时分析了常规温压湿资料、PW及Angstrom波长指数与气溶胶光学厚度的关系.对CE-318反演得到的PW与微波辐射计由神经网络算法得到的水汽总量进行了相关性分析,认为二者对水汽总量测量能力相当.     

对流层风廓线雷达资料质量分析

为了检验对流层风廓线雷达观测数据的准确性,利用2014年6-7月咸宁的对流层风廓线雷达和GPS移动探空资料,以GPS探空观测值为参考,对对流层风廓线雷达的观测质量进行对比分析,定义两者风向偏差在15°以内或风速偏差在3m/s以下的样本为有效样本,通过比较有效样本占总样本数的比值来判断风向和风速数据的质量。结果表明:降水量对风场影响不明显,风速和风向有效样本数的变化不同,比较时段内,风向数据的质量优于风速,降水提高了风向数据的质量;1~10km高度,风向数据的质量较好,而降水将提高该数据的质量;8km高度以下,风速数据的质量较好,降水对该数据的质量起反效果。总体来说,除近地层(1km以下)外,风速值越大,风向数据的质量越好,降水对高层风向数据的质量有正贡献。