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.     

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.     

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.     

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.     

利用探空秒数据估算北京地区日最大混合层高度

研究利用北京地区L波段探空秒数据和地面日最大位温,采用气块法反演北京地区日最大混合层高度(MMH)的可行性。将08时探空秒数据以及常规探空数据反演结果分别与对应的微脉冲激光雷达反演结果相比较,发现前者与激光雷达反演结果的一致性好于后者,常规探空数据垂直空间分辨率低可能是导致其反演结果误差较大的原因。分别用春夏秋冬的探空秒数据反演结果与激光雷达反演结果相比较,发现春夏秋反演结果的一致性较好,而冬季较差。利用08时探空秒数据结合地面日最大位温,采用气块法反演北京地区2010—2017年的MMH,发现MMH每年均表现出春夏秋冬逐次递减的分布特征。通过对长期资料的统计分析发现,北京地区日地面最高气温与850 hPa温度差定义的热力稳定度与MMH之间存在较强的正相关性。     

AMSR-E被动微波土壤水分与降雨率时空相关性分析研究

地表土壤水分和降水具有高度相关性,是2个密切相关的地-气相互作用参量.采用同时反演获取的土壤水分和大气降水数据来研究土壤水分的变化情况,定量理解降水和土壤水分之间的物理联系,进而可以获得对反演算法改进有用的信息.采用被动微波辐射计AMSR-E反演获得的全球地表土壤水分和降雨率数据作为研究对象,一共收集了2005年10月1日至2006年10月31日之间共395 d的AMSR-E全球日土壤水分产品和升、降轨道瞬时降雨率数据.把降雨率轨道产品经过等积割圆柱投影并重采样到同日土壤水分产品相当的25 km分辨率EASE-Grid格点上.针对土壤水分和投影后得到的日降雨率数据进行每2,8,16 d的时间维平均,在空间维进行3×3、5×5、7×7格点的重采样,经时间序列对比,分析了降水对土壤水分反演的影响及其时空相关特性,并对反演参数间弱相关性出现的原因进行了探讨,这对于发现微波土壤水分和大气降雨算法的不足,提供其改进方向具有重要的指导意义.     

水库对局地气候影响的数值模拟研究

大型水库建设改变了上游地区的地形高度和地表特征,必将对周边地区的局地气候产生影响.利用高分辨率边界层模式模拟研究了在高山峡谷地区由于水库建设可能导致的局地气候变化.结果表明:高山峡谷地区的水库将导致附近地区在冬季增温,增温幅度可达0.4～0.85℃,使春、夏、秋季降温,最大降温幅度可达2℃,但水库对附近地区气温的影响范围较小,影响温度0.1℃的水平范围约为2.5km,影响高度约500m;水库对气温影响的日变化规律冬季和其它季节不同,冬季使全天增温,白天增温幅度大,夜间增温幅度小,其余季节在夜间使气温增加,在白天使气温下降,夜间增温和白天降温的转换时刻大约在上午8时和晚间21时;在冬、春、夏和秋季,水库附近的相对湿度可分别增加约29.8%,37.2%,13.3%和20.3%,影响范围小于3km;水库将使附近的地面风速有明显增加,水库附近风速增加的幅度小于0.5m/s.     

基于CALIPSO卫星数据的全球大气边界层高度时空分布特征

通过CALIPSO卫星观测数据利用改进的最大标准差方法反演了全球范围2009年1月-2014年12月的行星边界层(PBL)高度.针对CALIPSO卫星获得的PBL高度,利用SACOL站NIES激光雷达和ECMWF PBL高度数据进行了验证.结果表明,CALIPSO卫星数据与NIES激光雷达数据的相关性为0.83, ECMWF与NIES激光雷达数据的相关性为0.41,均通过95%的显著性水平检验.全球陆地PBL高度以及季节变化趋势都明显高于海洋,且呈现相反的变化趋势,陆地PBL高度最大值发生在夏季,最小值出现在冬季,而水面上则相反;中国区域PBL高度常年存在两个高值中心,分别位于青藏高原和沿海地区;冬季北美和亚洲东部海岸沿线地区的PBL高度比周围海洋PBL高度明显偏高;CALIPSO卫星获得的全球平均PBL高度75%集中在距地面2km以内的范围,集中在0.5～0.75 km的最多.     

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 formeteorology,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。     

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。     

MODIS近红外/红外通道反演大气水汽含量及比较

对中分辨率成像光谱仪MODIS(moderate resolution imaging spectrometer)反演大气水汽含量的算法过程作了推导和分析,并用TERRA-MODIS数据反演了大气水汽含量.对MODIS近红外、红外通道反演大气水汽含量结果和地面探空数据进行了比较分析.得到了以下主要结论:在晴空区域,两者反演的结果一致性较好;在有云区域,红外通道受云污染导致反演失效,而近红外通道可以很好地完成反演.结果表明,近红外反演方法是可行的.对MODIS近红外通道反演存在的局限性也作了讨论.     

气象卫星遥感陆表温度产品在公路路面温度监测中的应用

 使用FY-2G和Himawari-8卫星反演陆表温度产品,以天津境内津蓟高速和山西境内京昆高速有交通站观测的路段为试验对象,开展了卫星反演陆表温度产品在公路路面温度监测中的适用性及应用方法研究。卫星遥感陆表温度能够较好地反映出公路路面温度的日变化特征和逐日变化趋势,两者之间具有较好的相关性。使用线性回归方法,建立了卫星陆表温度的订正模型,并对实时卫星陆表温度产品进行滚动订正,大大降低了卫星反演陆表温度与实际路面温度之间的偏差。夏季时段平均绝对偏差由订正前的6.98℃降低至2.57℃,冬季时段由订正前的3.84℃降低至1.62℃。该方法在2017年5月18日京津冀周边地区一次高温过程路面温度的监测分析中具有较好的应用效果。     

毫米波云雷达与地基微波辐射计联合反演云微物理参数

使用地基微波辐射计与毫米波云雷达进行主被动遥感联合探测,从理论上能够更准确地反演云微物理参数。分别以2010年7月于广东阳江和2015年3月于江苏南京进行的联合观测试验所获取的数据为例,对其中的层状云、层积云个例进行联合反演微物理参数的试验和分析,获取云演变过程中微物理参数和其他环境场物理量的变化特征。结果表明:1云雷达-微波辐射计联合反演法反演的云微物理参数与基于雷达反射率因子的经验法有较好的一致性,与实测经验值相比,结果比较可靠;2在层状云发展初始阶段,凝结增长作用在云体中上部位置起主要作用,碰并作用主要导致云滴粒子的显著增长和云层垂直方向的延展;在垂直上升速度较大的层积云中,云滴粒子通过碰并作用增长;3低层湿区高度与大范围层状云系出现的高度较为一致,抬升作用和水汽通量的辐合为云的产生提供了动力和水汽条件。     

广汉机场冬季低能见度类型及气象要素对比分析

根据广汉机场2011-2016年冬季(12-次年1月)能见度以及气象要素的常规观测资料,对低于1 600 m的低能见度事件进行分型,并对比分析不同类型低能见度事件的变化特征,以及能见度与气象要素之间的对应关系.结果表明:辐射冷却是广汉机场冬季低能见度事件发生的主要机制,其中晴空辐射型与阴天辐射-平流型发生频率累计达到62%,平均起始能见度均低于800 m,而阴天平流型与雨天蒸发型发生频率相对偏低,且平均起始能见度均高于1 000 m.低能见度日数的日变化特征:晴空辐射型表现为"一高一低",其他为"两高一低".相对湿度对低能见度的形成起关键作用,低于800 m的低能见度事件对应相对湿度均大于91%,其中晴空辐射型的相对湿度最集中,范围在94%～97%,阴天平流型的相对湿度最分散,范围为86%～97%.其他各气象要素在不同类型低能见度事件中所起的指示作用不同.基础能见度越低,在夜间长波辐射冷却或者平流、蒸发作用下,起始能见度低于1 600 m的概率就越大.     

基于LS-SVM方法的晴空逐时太阳辐射模型

利用浙江省杭州和椒江两站2003-2005年的晴空逐时气象数据,采用最小二乘支持向量机方法(LS-SVM),建立了晴空逐时太阳辐射模型.模型的输入因子为逐时天文辐射、气温、气压、水汽压、能见度和风速等要素,输出因子为逐时太阳辐射.模型数据分为2部分,其中2003年的数据用于训练建模,2004-2005年的数据用于模型的评估.结果表明,LS-SVM方法能够很好地模拟气象要素对太阳辐射的非线性影响,建立的太阳辐射模型精度较高,模型的解释性方差R2为0.950 5,均方根误差ERMS-0.159 0 MJ·m-2,平均误差EMB和平均绝对误差EMAB分别为0.005 3和0.124 1 MJ·m-2.根据浙江省68个气象站2005-12-15T14:00的气象要素,估算出的太阳辐射为1.39～2.24 MJ.m-2.基于LS-SVM方法的晴空逐时太阳辐射模型具有很好的学习推广能力,利用常规的气象观测资料,即可模拟出具有相似气候背景下的晴空逐时太阳辐射,为太阳辐射遥感反演提供地面数据.     

陆地晴空水汽柱含量的MODIS反演方法研究

基于红外辐射传输方程,结合反演水汽的差分吸收技术和传统的通道比值法,利用中心波长均位于940 nm附近的MODIS水汽吸收通道(17通道和18通道)的比值对垂直大气柱水汽总含量进行反演.在地基水汽观测点区域,利用新方法对卫星反演结果与微波辐射计观测数据进行比较并加以修正,修正后的新方法的反演精度和微波辐射计相当,两者相关系数R=88.2%,标准偏差SD=0.29 cm.同时,选择台湾海峡作为研究区域,通过2008年7月24日的近红外MODIS资料,运用新的通道比值法进行水汽含量的反演加以验证,并和MOD07产品进行了比较,两者相关系数R=88.1%,标准偏差SD=0.36 cm.结果表明修正后的新通道比值法的结果比传统的通道比值法精度有一定提高.     

泰安市PM10浓度变化特征及与气象因素的关系分析

根据泰安市2004-2007年PM10浓度资料和同期气象观测资料,分析PM10浓度的时间变化特征,通过相关分析得到影响PM10浓度的主要气象因素包括降水量、风速、相对湿度和气温.分析PM10浓度与各气象要素的关系:不同等级的降水对PM10污染有一定的清除作用,小于10 mm以下降水的湿沉降作用要好于10 mm以上的降水,特别是5-10 mm降水,PM10变化量最大,冬季降雨沉降效率最高;春季PM10与风速呈正相关,其他季节则相反;相对湿度小于40%时,PM10浓度与湿度呈正相关,相对湿度大于60%时,PM10浓度与湿度呈反相关;春季PM10浓度与温度的相关性要好于其他季节.     

长沙市MODIS气溶胶光学厚度与PM_(2.5)浓度的相关性研究

利用MODIS数据研究区域大气PM_(2.5)浓度分布是环境动态监测的有效方法。获取美国NASA发布的分辨率为3km的MOD光学厚度产品;提取2016年1月至2017年7月期间长沙市10个大气监测站点的PM_(2.5)浓度数据进行相关性分析,建立PM_(2.5)浓度与AOD之间的线性、幂函数以及指数函数3种相关性模型;引入湿度影响因子建立大气PM_(2.5)浓度订正模型,采用PM_(2.5)浓度订正模型订正PM_(2.5)浓度。结果表明:湿度订正提高了PM_(2.5)与AOD相关性,幂函数相关性模型的方差值相对其他2种模型较好,运用幂函数相关性模型研究长沙市MODIS气溶胶光学厚度与PM_(2.5)浓度的相关性较好。     

上海地区臭氧垂直分布特征分析

对2007年5月至2009年12月期间上海市宝山国家气候观象台的臭氧探空观测数据分析表明, 臭氧的垂直分布主要受光化学和动力输送作用影响控制。光化学作用对臭氧分布的影响在边界层和平流层中上层非常明显。边界层内臭氧浓度呈正梯度变化, 受气温、辐射、水汽等因素的影响, 造成边界层臭氧浓度夏季最高、冬季最低的季节变化。在26 km以上的平流层中上层, 光化学作用使得夏季平流层中上层臭氧浓度最高, 冬季反之。动力输送过程对于对流层上层至平流层低层10~17 km高度影响显著, 平流层-对流层交换使得春季该层臭氧浓度最高。     

1991年～2018年呼伦湖区域气候特征及其对水域面积的影响

本文收集呼伦湖周边3个气象观测站1991年～2018年共28年的气象观测资料,采用Mann-Kendall趋势和突变检验法、线性回归分析主要气象因子的变化;利用该期间每隔3年共10期Landsat数据,通过MNDWI指数提取呼伦湖水域面积变化;利用Pearson相关系数法探究各气象因子间及其与水域面积的相关性。结果表明：呼伦湖区域夏季气温变化率为0.043 8℃·a^-1,冬季气温变化率-0.108℃·a^-1,出现冬季气温降低、夏季气温升高的两极化趋势,但年均气温变化不显著;降水量变化率-0.296 3 mm·a^-1,但降低趋势不显著;相对湿度变化率-0.204 8%/a,降低极显著;蒸发量变化率2.271 8 mm·a^-1,显著上升;总体呈现暖干化趋势。呼伦湖水域面积变化分为3个阶段,1991年～1997年为基本稳定期,变化率0.63%;1997年～2012年为持续萎缩期,变化率-24.77%;2012年～2018年为恢复期,水域面积增加16.43%;南岸水域明显恢复,东北部附属小湖水域面积消失。夏...