地基北斗大气水汽反演及其精度分析

本文研究了基于北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)的大气水汽反演技术及其精度分析。大气水汽是气象演变中的重要参数,对降水、天气系统演变和全球气候变化等具有重要影响。传统的大气水汽探测方法存在成本高、时空分辨率低等问题。因此,本文利用北斗三号地球静止轨道(GEO)卫星播发的PPP-B2b信号,采用实时精密单点定位技术,实现了台站处分布式高时效、高精度对流层延迟解算和大气水汽含量反演。在上海、河池和海口三个地区进行了水汽试验,并利用同址探空和GPS水汽数据进行试验数据准确性比对评估分析。结果表明,实时水汽产品的平均RMS在3 mm左右,与目前准业务运行的GPS水汽产品精度相当。该研究为大气水汽含量反演、水汽业务建设提供了重要的参考依据,对于中小尺度极端强对流天气系统监测、台风监测和短临预报具有重要的应用价值。

BDS锚碇浮标监测海洋大气水汽初步探究

精细化、动态化监测海洋大气水汽含量对全球海洋气候相关研究具有重要意义。为探究基于北斗卫星导航系统(BDS)的锚碇浮标平台在海洋水汽探测应用中的潜力,本研究利用白龙浮标搭载的测量型接收机,分别在岸基静态模式和海面动态模式下,对获取的BDS和全球定位系统(GPS)观测数据进行精密单点定位处理,并进行大气可降水量(PWV)反演,同时以欧洲中期天气预报中心第五代全球气候再分析数据集(ERA5)获取的PWV为参考值进行精度评估。结果表明:岸基静态模式下利用BDS观测值反演的PWV精度为0.7 mm,GPS反演的PWV精度为0.6 mm。海面动态模式下利用BDS观测值反演的PWV精度为1.2 mm,GPS反演的PWV精度为2.0 mm,与岸基静态模式探测的水汽产品精度基本相符。初步证明了利用BDS锚碇浮标在海洋动态观测条件下进行水汽含量监测的可行性,但仍需更长期更充分的观测以进一步验证。

基于CORS网数据的河南“7·20”特大暴雨期间大气水汽分布特征分析

河南“7·20”特大暴雨导致了严重的城市内涝和多起地质灾害。大气水汽是发生极端降雨的主要驱动力之一,分析“7·20”特大暴雨期间大气水汽的时空变化,有助于提高对降雨-水汽区域性作用机制的认识。利用河南CORS网中8个GNSS测站的观测数据,反演了暴雨前后(7月17—24日)时间分辨率为5 min的PWV数据,在此基础上与基于ERA-5再分析数据通过积分求得的PWV值进行了对比,并结合实际降雨量分析了暴雨期间水汽的时空分布特征。结果表明:GNSS-PWV的偏差和均方根误差分别为0.4、2.3 mm;暴雨前3 d内PWV值呈现快速上升趋势,并在暴雨前3 h达到最大值,在7月22日后逐渐减少到正常范围;GNSS-PWV的变化趋势与实际降雨过程基本符合。研究结果可为基于GNSS观测数据的实时全天候气象预警工作提供一定的理论基础。

基于连续运营基准站实时反演大气水汽的应用研究

依托连续运行基准站系统实时解算出因大气水汽影响产生的误差,由误差数据反演大气水汽含量,有得到的水汽含量数据与常规大气探测方法探测数据进行对比,分析各种探测方法的优缺点与精度,通过对比得出基于连续运营基准站实时反演大气的方法较常规大气探测有精度高、成本低、全天候、时效性高等特点,此研究可为基于连续运营基准站观测水汽在全天候气象预报工作中提供一定的理论基础。

长沙大气水汽、降水中稳定同位素季节变化及与水汽输送关系

基于2010年1月至2012年12月长沙降水事件同位素资料和搭载在Aura卫星上的TES观测仪所反演的2010年3月至2011年12月全球日大气中HDO、H2O资料,对长沙大气水汽、降水中稳定同位素的变化特征以及它们的关系,不同水汽来源及输送强度变化对降水中同位素的影响进行了研究。结果表明:水汽中同位素值随高度增加而贫化,水汽中同位素较降水中同位素大为贫化,降水中同位素为冬春富集、夏秋贫化,水汽中同位素则表现出春夏富集、秋冬贫化,水汽、降水中同位素存在着较大波动。通过对长沙冬、夏季所有降水事件的水汽输送轨迹的分析发现:夏季降水的水汽主要来源于西南季风和东南季风输送的海洋性气团,降水中同位素贫化;冬季降水的水汽主要来源于西风带输送的大陆性气团,降水中同位素富集。另外,长沙2010~2012年夏季的水汽输送通量与降水同位素的关系再次证明环流效应是可信的。

银川地区大气水汽、云液态水含量特性的初步分析

基于双通道微波辐射计资料和地面常规气象资料,分析了银川地区不同季节大气水汽含量和云液态水含量的日变化特征及各个时次的降水分布。结果表明,在银川地区,一年观测期内的大气水汽含量逐月变化与多年(1951-2010年)平均降水量逐月变化的相关性较好,相关系数达0.94;大气水汽含量的高值区出现在中午到傍晚时段,低值区出现在日出前后。春、夏、秋季夜间的云液态水含量大于白天;云液态水含量的高值区出现在日出前和傍晚,这种情况在夏、秋季尤为明显;云液态水含量和大气水汽两者间的日变化相关性不显著。

用GMS5卫星反演水汽场分析中国西北地区大气水汽分布的气候特征

卫星遥感资料具有反演大气水汽含量的能力。由于山区降水一般随高度增加,而海拔高的地区大气柱的厚度比海拔低的地区薄,整层水汽含量少,使得大气总水汽含量与降水的分布在复杂地形情况下不吻合。为此,引入用卫星反演的单位大气柱水汽含量,较好地反映了降水的空间分布特征。分析结果表明,在云水条件上,西北地区东部具备了较好的实施人工增雨(雪)的条件,尤其在春、夏季,实施人工增雨(雪)的云水条件更加优越。

针对MODIS近红外数据反演大气水汽含量研究

遥感反演大气水汽含量对进行天气预报、遥感大气校正、气候变化及水循环等研究具有重要意义。首先,通过对大气辐射传输方程的推导,改进了三通道算法;然后,模拟了在不同传感器视角条件下,大气水汽含量与MO-D IS 17、18、19通道大气透过率之间的关系,解决了传感器视角问题,提出了针对MOD IS数据的大气水汽含量计算方法;最后,在IDL 6.0环境下,编程实现了该方法,并对2003年6月14日的一景图像进行了反演,结果表明,本文提出的方法是可行的。

地基微波遥感大气水汽总量的普适性回归反演

本文利用不同季节、经纬度和海拔高度的历史探空资料为样本,用回归分析和岭回归分析相结合建立了适用于全球各地的双波长地基微波辐射计遥感晴空大气水汽总量的回归方程.多种数值检验表明,所提出的反演关系式的精度较高能提供实际应用.同时,将20.6和31.65GHz及22.2和35.0GHz两组频率对的结果作了比较.

青藏高原探空大气水汽偏差及订正方法研究

水汽是大气的主要成分和降水的主要物质来源。青藏高原大气水汽分布对区域天气和气候有很大影响,为了探讨探空观测的大气水汽总量(R)资料的可靠性,本文以地基GPS遥感的大气水汽总量(G)为参照标准,对拉萨(1999～2010年)和那曲(2003年)的R进行对比分析和偏差(R-G)订正。结果表明:近10多年拉萨站R比G明显偏小,偏小程度随使用不同的探空仪而异。GZZ-2型机械探空仪和GTS-1型电子探空仪多年平均的PW偏差分别为-8.8%和-3.9%,随机误差分别为17.6%和13.6%。近10多年PW偏差变化呈减少趋势,这与探空仪性能改进有关。分析发现,青藏高原PW偏差具有明显季节变化和日变化特征,夏季比冬季明显,1200UTC比0000UTC明显。拉萨站GZZ-2型和GTS-1型探空仪在1200UTC多年平均的PW偏差分别为-15.8%和-7.3%,在0000UTC分别为-1.6%和-0.4%。那曲站GZZ-2型探空仪在1200UTC和0000UTC的PW偏差分别为-12.4%和-0.3%。分析还表明,太阳辐射加热与气温的日变化和季节变化是造成高原PW偏差日变化和季节变化的重要原因。据此,提出了高原PW偏差的订正方法,并以拉萨和那曲站为例进行PW偏差订正,订正后的PW系统偏差显著减少,随机误差也相应得到了改善。

一次西南涡持续暴雨的GPS大气水汽总量特征

利用成都地区地基GPS遥感的大气水汽总量资料(GPS-PWV)、NCEP再分析资料、自动站降水量资料和探空站比湿资料,对2010年7月15—18日发生在四川盆地东北部的一次持续性暴雨的水汽变化特征进行综合分析,重点探究这次大暴雨的影响系统(西南涡)发生、发展前后GPS-PWV的演变特征及其与降水的关系。结果表明:降水发生时,GPS-PWV通常在短时间内有急剧的上升,并在西南涡形成前达到最大值;西南涡完全形成时,GPS-PWV急升结束;西南涡东移,GPS-PWV继续下降到最低,降水趋于结束。与水汽通量散度相比较,水汽散度垂直通量能更好地描述暴雨过程中的强上升、辐合辐散运动以及水汽输送情况,它与GPS-PWV变化趋势基本一致。因此,GPS-PWV的急升与陡降对大暴雨的形成与减弱有一定指示意义。

基于MODIS近红外数据的贵州高原大气水汽反演研究

根据MODIS卫星第18和19波段的波段特征,首先从理论上证明从这两个波段表观反射率的比值反演大气可降水量的可行性,其次利用MODTRAN模型按照中纬度冬季和夏季两种大气模式对该比值与大气水汽的关系进行模拟,并建立了反演大气水汽的公式。利用贵州地区高空探测数据对反演公式进行验证,并与EOS发布的MODIS近红外水汽反演结果进行比较,发现该公式的反演结果更接近实际探测的结果。由于在反演过程中不必考虑地表覆盖和反射率的差异,摆脱了传统的根据查找表反演水汽的方式,并且直接由18、19波段表观反射率的比值计算大气可降水量,相对于传统算法更易于业务化运行。

利用地基北斗站反演大气水汽总量的精度检验

采用上海市气象局建立的北斗气象站的2014年观测数据和我国自主研发的精密导航数据处理软件PANDA(position and navigation data analysist)实现了基于北斗数据的大气水汽总量(precipitable water vapor,PWV)反演,并将利用北斗卫星信号解算的大气水汽总量(W_(BD))结果与目前较为成熟的GPS卫星反演结果(W_(GPW))和无线电探空反演结果(W_(Radio))进行对比,研究表明:反演的W_(BD)与W_(GPS)的均方根误差均低于3.5 mm,反演的W_(BD)与W_(Radio)的均方根误差为3.6 mm,两种对比方式的相关系数均在0.95以上,反演方法以及地理位置的差异对于反演结果有一定影响;反演的W_(BD)能够很好地反映出大气中水汽的变化特征,对于气象短时临近预报、气候分析有指示作用。

北京地区单双频地基GPS大气水汽遥测试验与研究

该文对北京地区单双频地基GPS大气水汽监测网布网依据、单频与双频地基GPS测量数据解算技术应用、GAMIT和Bernese地基GPS数据分析处理软件应用、远程遥控GPS数据采集与通讯系统、资料分析与数值同化应用等方面的工作进展进行简要介绍,重点讨论了单双频地基GPS大气水汽资料的解算技术及其应用效果。结果表明:在北京天气敏感区通过单双频地基GPS接收机合理组网布局,可构建并利用高分辨率电离层延迟订正技术将单频接收机的大气水汽监测精度提高到实用水平,为强降水天气预报提供有价值的产品。

利用MODIS影像反演大气水汽含量的方法研究

目前,利用MOD IS近红外波段反演大气水汽含量主要采用两通道比值加权法和三通道比值加权法,为了对比研究这两种的方法,本文结合四川地区MOD IS影像,采用两通道比值法和三通道比值法分别获得17、18、19近红外通道大气水汽值,然后对两通道比值法和三通道比值法计算的三个近红外通道大气水汽值取加权平均,分别得到该地区加权平均大气水汽含量。对子区域(成都地区)MOD IS的两种加权平均大气水汽含量与同时同地SONDE大气水汽含量进行对比分析,实验结果表明:用MOD IS近红外波段反演大气水汽含量拟采用三通道比值加权法。

地基微波辐射仪监测的张掖大气水汽含量与雨强的关系

地基微波遥感具有反演大气水汽的能力,其具有的高时间分辨率,为分析降水过程的水汽含量变化提供了新的手段。用2005年6～7月的微波反演的水汽含量,分析了张掖降水过程的大气水汽含量变化情况。结果表明:张掖甘州降水发生的前提是大气水汽含量需达到某一阈值(夏季为27 mm),而且雨强与大气水汽含量在时间上呈同步分布,这种分布结构与中国东部季风气候区的情况存在差异,后者雨强的峰值滞后于大气水汽含量几小时。

地基微波辐射计在遥测大气水汽特征及降水分析中的应用

利用山西太原的地基多通道微波辐射计资料,结合探空和自动站降水数据,研究不同天气背景下大气水汽总量(V)、积分液态水含量(L)和水汽密度(VD)的分布特征和演变规律,并探讨微波辐射计资料在降水分析中的应用。结果显示:1—6月V、L呈增大趋势,非降水日V、L相对较小,降水日,V和L明显增大;VD垂直廓线特征显示,1—6月VD均呈逐渐增大趋势,最大值出现在距地面500 m高度以内,降水日VD值明显大于非降水日,且VD随高度升高有减小趋势,降水天气背景下水汽主要在1~2 km高度范围内增大积聚,且高值区厚度较大;V的日变化曲线呈现2个峰值,分别出现在早晨(06—08时,北京时,下同)和夜间(22—23时),谷值一般出现在午后(12—16时);初夏季节降水前1 h,V、L通常会有明显增大,一般V>10 mm,L>0.3 mm,V、L的平均跃增量分别为7 mm和0.6 mm,V、L的迅速增大预示着测站上空水汽的迅速聚集,可作为降水可能发生的指示因子。

基于岸基实测数据的FY-3A近红外通道海洋大气水汽反演

利用全自动太阳光度计(CE-318)野外定点长时间序列现场观测数据,验证传统大气水汽反演算法,结果表明,反演结果精度较低,不适于该研究区域大气水汽含量反演.因而给出了近红外波段大气水汽含量探测的原理,对自主卫星FY-3A中分辨率成像光谱仪MERSI(Medium Resolution Spectral Imager)反演大气水汽含量算法作了推导、分析.基于长时间序列现场观测数据集,建立了局地化的FY-3A海洋大气水汽反演算法,并用于研究区实际大气水汽含量反演.通过双通道比值法和三通道比值法反演结果与现场实测数据比较,得出以下结论:模型受下垫面反射率影响较大;三通道比值法较双通道比值法反演结果精度更高,双通道比值法误差为16.1%,三通道比值法误差为14.3%;实测数据验证和改进后算法精度更高.

地基GPS遥感大气水汽总量中的“静力延迟”和“湿延迟”

介绍了静力延迟和湿延迟概念的由来 ,推导了由对流层延迟计算水汽总量的一般公式 ;与李延兴等提出的新模型进行了对比 ,对其相应的观点提出讨论意见。认为国际上通用的AN模型比较严密地求解了对流层大气水汽总量 ,不存在与“真值”相比偏小的问题。

大气水汽变化及其反馈效应研究进展

大气水汽变化的反馈作用是影响平衡气候系统敏感性的最大反馈作用之一,能够放大其他温室气体增暖的效应,并可能导致极端天气气候事件的发生趋多趋强。因此,全面分析大气水汽的时空分布特征及其长期变化趋势,评估大气水汽反馈的区域气候效应,对于我们深入认识和理解全球变暖背景下区域气候响应的机理具有重要意义。综合国内外最新研究,已基本能够确定水汽反馈效应为一种使得全球增暖加快近一倍的强烈正反馈,并已能够估计其大致变化范围,但是此估计仍存在较大不确定性。随着卫星和探空技术的发展,目前已有的长期水汽资料日趋丰富,但资料之间也存在一些不确定性问题,同时单个资料本身也存在非均一性问题。最新的气候系统模式已能够大致模拟大气水汽的反馈效应,但近年的进展速度却并不令人乐观。我国的水汽观测和水汽反馈效应的研究也已取得长足进步,可以基本确定为水汽变化与地面温度存在正反馈关系,而与降水的关系虽然也较为密切,但因区域气候变化仍存在较大的不一致性。