地基云雷达与FY-4A卫星云顶高度联合反演方法

基于地基毫米波云雷达与FY-4A卫星对云顶同步观测的特点,分析云雷达垂直顶空观测的云顶高度与FY-4A卫星AGRI载荷通道数据之间关系,提出了地基云雷达与FY-4A卫星云顶高度联合反演方法,实现云雷达安装点周边区域卫星云顶高度的融合反演,并对反演结果进行验证分析。结果表明,AGRI载荷的第11~14通道值与云雷达观测云顶高度呈线性相关,且卫星通道值与云雷达观测云顶高度比值呈现冬季最小、春秋季次之、夏季最大的季节性变化特点;星地融合反演云顶高度与云雷达观测云顶高度相关系数0.84,融合后比融合前均方根误差减小了0.7 km,提高了卫星云顶高度的反演精度。

基于北京多源资料的云宏观特征判识

获取准确的云高及其变化特征,对于揭示天气系统的演变以及改进气候模式具有重要作用。由于不同设备观测云高的不确定性,将锋区要素不连续变化理论引入云高分析中,将云底部、云顶部大气的交界过渡带区域视为云锋区,研究探空、毫米波雷达、风廓线雷达等不同类型设备观测要素在云锋区及云外环境大气的变化特征。对流云和层状云个例研究表明:在云锋区,温湿度及雷达反射率因子随高度的一阶、二阶导数均呈不连续现象(即一阶、二阶导数值在云内外和云锋区表现为不相等),风廓线雷达信噪比垂直梯度也出现突变,因此不同设备观测云高具有较好空间一致性,并得到云底和云顶高度的合理范围和相应判据;相对于层状云,对流云内外温度梯度差异以及云体内反射率因子二阶导数的脉动变化幅度均偏大,因此可作为区分二者的参考指标。

地基遥感观测设备对北京冬奥会期间一次降雪过程的监测应用

北京2022年冬奥会期间,使用北京超大城市综合观测试验7个站点所布设的毫米波云雷达、微波辐射计和风廓线雷达等新型地基遥感观测设备,通过对温度、湿度、风和云的反射率因子的探测反演,对2022-02-13发生的一次降雪全过程进行监测分析。7个站点能够同时监测到降雪云系的移动情况,与地面气象站的观测结果比对发现降水(雪)过程较为吻合,且具备一定的提前优势。

地基遥感联合反演大气边界层高度与ERA5再分析资料比对分析

利用北京国家综合气象探测试验基地超大城市观测试验建设的地基垂直遥感设备(激光气溶胶雷达、微波辐射计及风廓线雷达),使用2021年5—8月的观测资料,根据不同设备的探测优势以及边界层的日变化规律,利用激光气溶胶雷达、微波辐射计、风廓线雷达观测资料进行联合反演,得到全天候大气边界层高度。并将联合反演所得的边界层高度与探空资料计算及ERA5再分析资料提供的全天候大气边界层高度进行比较,发现:联合反演边界层高度与ERA5数据提供的大气边界层高度有较好的一致性;激光气溶胶雷达适用于白天对流边界层的观测,微波辐射计适用于夜间稳定边界层的观测,使用微波辐射计与风廓线雷达联合反演大气边界层高度可以改善弱降雨时单设备的反演结果;联合反演的大气边界层高度结果与单设备反演大气边界层高度均符合大气边界层的日变化规律;得到的联合反演边界层高度与探空数据计算得到的大气边界层高度差值的标准偏差为62 m,相较于ERA5数据提供的一定范围内大气边界层高度均值,联合反演边界层高度能更精准地反映更小范围内的大气边界层高度。

可见光/红外全天空成像仪和云雷达联合反演云高

为解决大部分设备无法单独获取全天空云底高度的问题,基于中国气象局大气探测基地可见光/红外天空成像仪和毫米波云雷达2019年6月的灰度值与云底高度数据,利用辐射传输模式计算地面8~14μm波段向下红外辐射随天顶角的变化关系,并根据红外波段测得的天顶云底灰度值与非天顶位置的天顶角余弦灰度值之间的线性关系,从而反演得到全天空云底高度。结果表明:(1)相比于全天无云的情形,在一天的相同时间时,全天有云时的天顶灰度值较高。(2)当云底高度为2000 m以上且云层较厚时,云底高与红外模块所测灰度值的相关性明显好于云层较薄的低云。(3)2019年8月12日的个例验证结果显示,反演云高与通过云雷达测得的实际云高相关系数为0.956,而与取天顶附近约30°天顶角得到的云高相关系数为0.9508。

面向业务应用的上海地区毫米波云雷达观测质量评估

基于宝山国家基本气象站部署的毫米波云雷达2019年的观测数据,辅以激光雨滴谱、微雨雷达、探空资料、风云四号卫星产品、地面雨量计等多元观测数据,从探测稳定性、探测能力、基数据和产品数据探测合理性等方面开展了毫米波云雷达观测质量评估。结果表明:毫米波云雷达在试验期间仅出现单次软件故障,且基数据全年获取率高于95%,探测稳定性较好;毫米波云雷达各高度最小可测回波强度位于-40~-20 dBZ,并随高度呈现出与理论相符的指数递减;9 km高度以下最小回波强度变化小于2 dB,最小回波探测能力稳定性较高,在降水率达到4~5 mm/h时,毫米波云雷达会出现强衰减导致的虚假晴空区。虽然多部毫米波云雷达的基数据存在差异,但与地面雨滴谱计算回波强度和微型雨雷达观测回波强度具有一致的垂直分布及时间演变特征。毫米波云雷达探测云顶云底高度与探空资料估算云顶云底高度、风云四号卫星反演云顶高度具有一定的一致性。拼接缝和距离旁瓣虚假回波是较为直观且能够对业务化应用产生直接影响的问题。

船载毫米波云雷达观测西太平洋云宏观特征对比分析

2017年10月15日至11月15日,利用"科学"号海洋科学综合考察船安装的两种型号云雷达(HT101、HMBKPS)开展西太平洋云观测试验研究。试验期间定时释放探空仪,利用探空仪的出云及入云高度,开展云雷达云高准确性分析;同船安装一台可见光&热红外双波段天空成像仪获取天顶图像,分析云雷达数据获取率。试验结果表明:两部云雷达云高数据一致性较好,探测云底高度相关系数为0.997,云顶高度相关系数为0.988;云雷达探测云高准确性高,与基于探空识别的云底高度平均偏差分别为130 m(HT101)、72 m(HMBKPS),云顶高度平均偏差分别为310 m(HT101)、190 m(HMBKPS);受海洋性气候及船体摇摆影响,两部云雷达云数据获取率分别为57.8%(HT101)、68.7%(HMBKPS),漏测主要为卷云和淡积云。

毫米波雷达海雾回波特征分析及能见度反演

利用Ka波段扫描式毫米波雷达和自动气象站资料,在福建平潭沿海开展海雾遥感观测试验。对2020年5月至2021年3月试验期间发生的6次海雾过程进行特征分析,并基于毫米波雷达开展了雾区能见度反演。结果表明:毫米波雷达可以有效探测海雾的水平分布和垂直结构,可用于监测海雾的生消演变;在海雾发展旺盛阶段,毫米波雷达反射率因子显示从雾层顶部延伸到地表的丝缕状强回波结构;海雾的雷达反射率因子与前向散射能见度呈负相关,但针对每个海雾过程,二者之间并不遵循明确的通用方程;海雾的雷达反射率因子集中在-30~-10 dBz,频率直方图符合正态分布,雾区回波整体上表现为均匀特征,在雾的生成阶段和消散阶段反射率因子动态范围大,但在持续阶段动态范围小;毫米波雷达反演能见度与前向散射能见度具有较为一致的波动起伏,能够反映雾区能见度变化,但不同的海雾过程呈现出不同的差异。

气象常用表(第三号)可照时数订正

在地面观测业务中观测日照时数时,气象常用表(第三号)可照时数常用于参与计算或作为日照时数有误判定的参考,目前的可照时数由公式直接计算,已不再使用查表方法得出。鉴于气象常用表可照时数在地面观测业务使用中的重要性,订正错误数据可对历史可照时数有关的分析进行修正。利用太阳时角公式编程计算得到12个月的可照时数,与气象常用表(第三号)可照时数表数据对比分析,对出现错误的数据逐步查错并订正。通过查表,订正过的正确可照时数可为出错数据纬度附近的各台站历史可照时数进行修正,也可为可靠的观测结果提供参考。

基于L波段探空的云区边界识别改进算法

利用气象业务中使用的L波段探空数据和毫米波云雷达观测资料,分析探空相对湿度在入云和出云时的变化规律,提出一种基于探空相对湿度阈值与梯度相结合的云区边界识别改进算法,并利用云雷达观测数据对算法识别结果进行验证。利用北京市南郊观象台2019年1—6月层状云样本验证分析,结果表明:改进算法相比相对湿度阈值法,对云区边界识别更加合理;改进算法识别结果与云雷达观测的云底高度相对误差为-1.1%,云顶高度相对误差为3.7%,较单纯利用相对湿度阈值法精度均有明显提高。

从第39届国际气象雷达会议看相控阵天气雷达发展

相控阵多波束快速扫描的特点,成为气象和大气探测领域的关注点。会议上交流了不同类型的短程探测相控阵天气雷达的共同点:径向探测范围大部分为几十千米,峰值发射功率较小(几百瓦量级),采用有源天线体制,采用数字波束形成技术(DBF),一维相控阵(俯仰电扫、方位机械扫描),体扫时间显著缩短。

基于毫米波云雷达的融化层亮带识别算法研究

为研究毫米波(Ka波段)云雷达对融化层亮带的探测能力,文章利用天顶垂直指向云雷达径向速度的梯度特征,结合反射率因子阈值,确定融化层亮带的高度范围,实现对亮带顶部、底部、最大回波强度以及径向速度梯度最大值所在高度的自动提取。结果表明,利用径向速度的梯度特征,可有效对降水过程中的融化层进行识别,算法不易受云内对流活动影响;在融化层内部,反射率因子与径向速度在垂直方向上的突变范围一致;通过与对应观测时刻探空资料的零度层高度进行对比,表明反演的融化层高度与实际情况接近。

基于毫米波云雷达的寒潮过程回波特征分析

文章详细地介绍了安装在北京地区的毫米波云雷达的技术指标,结合地面站气象综合观测资料,对2020-02-13—2020-02-14的1次寒潮天气过程中云的垂直结构特征进行分析,同时对毫米波云雷达回波特征进行详细地分析并得出结论。以期为寒潮期间云的宏观结构和微物理特征的分析和研究提供参考。

ka波段云雷达晴空回波垂直结构及变化特征

利用2017—2019年中国气象局大气探测试验基地Ka波段云雷达资料,结合地面自动气象站、激光云高仪资料,从强度、速度、线性退极化比以及晴空回波高度等方面,分析晴空回波垂直结构和变化特征。基于激光和微波对粒子半径和数密度散射的差异,区分云和晴空回波。结果表明:Ka波段云雷达探测到的晴空回波在边界层主要包含层状湍流回波和点状昆虫回波,且回波顶高在3000m以内。晴空回波强度和高度具有明显的季节和日变化特征,冬季回波顶高较低,夏季回波顶高较高,与地面气温具有很好的相关性,每年的1,2,11,12月几乎没有晴空回波,而7月和8月回波顶平均高度最高。晴空回波反射率因子为-40^-15dBZ,其中层状湍流回波反射率因子概率密度峰值处反射率因子为-35dBZ,点状昆虫回波反射率因子概率密度峰值处反射率因子为-30dBZ。晴空回波垂直移动速度为-1.5^+0.5m·s^-1,整体呈下沉运动。层状湍流回波线性退极化比较点状昆虫回波稍大,一般为-10^-5dB,点状昆虫回波线性退极化比一般为-15^-8dB。

中国5个大气本底站观测的CH4浓度变化规律

甲烷作为大气中仅次于二氧化碳的第二大温室气体,其浓度的增加会加速全球气候变暖。应用M-K突变检测等方法对2009年1月-2013年12月瓦里关(WLG)、临安(LAN)、龙凤山(LFS)、上甸子(SDZ)和2010年7月-2013年12月香格里拉(XGLL)本底站甲烷浓度的时间、空间变化特征及形成原因进行了分析。结果表明,研究时段内临安站点的甲烷体积浓度最高,平均值为1 965×10^(-9);龙凤山站次高,平均值是1 939×10^(-9);上甸子站居中,均值为1 914×10^(-9);瓦里关和香格里拉站的最低,平均值分别是1 864×10^(-9)和1 861×10^(-9)。瓦里关站甲烷浓度年均增长率为0.034%,临安、龙凤山、上甸子和香格里拉本底站的年均增长率分别为0.033%、0.025%、0.018%和0.01%。临安、龙凤山、上甸子均出现浓度突变点,突变点出现的时间与污染过程发生的时间相吻合。季节变化特征表现为:临安站甲烷浓度在7月份达到谷值;龙凤山为"W"型变化;上甸子站在7、8月份CH_4浓度最高,瓦里关季节变化与上甸子类似;而香格里拉站点夏季CH_4浓度受季风的影响较大,表现出明显的单峰。除了瓦里关站点,其它4个站点甲烷浓度的日变化均表现出同样的趋势:午后达到全天最低值,夜间和凌晨的浓度较高;而瓦里关正好相反,于正午达到全天甲烷浓度的峰值,这是由于牧区放牧造成的。

地基可见光/红外全天空成像仪数据融合

采用60m基线的双站可见光成像仪和扫描式红外成像仪构建地基双波段全天空测云系统,双站可见光成像仪根据双站测距原理准确地获取云底高,通过全方位立体扫描获取全天空可见光云图,扫描式红外成像仪基于大气辐射传输原理测量云底亮温,反演云底高度,通过全方位立体扫描获取全天空红外云图。结合双站可见光成像仪测得云底高,对大气温度垂直递减率进行实时订正,提高扫描式红外成像仪反演云底高精度,达到双波段云底高数据融合目的;基于小波变换多分辨率分析的图像融合技术,对全天空可见光和红外云图进行图像融合,提高能见度低、以及雾、霾等天气条件下云量计算准确度;最终实现昼夜云高、云量同时观测。

基于LSTM的地基微波辐射计湿度廓线反演

大气湿度廓线对于研究大气系统的复杂性具有十分重要的作用。地基微波辐射计有着连续观测的特性,能够以高时间分辨率反演出高度至10 km的大气湿度廓线,廓线数据对于气象预报和研究气候系统的变化至关重要。为了提高反演大气湿度廓线的精准度,本文使用时间循环神经网络模型,利用微波辐射计连续探测的信号并使用Ka波段毫米波云雷达数据提高有云时的反演精度,采用LSTM(Long Short-Term Memory)神经网络反演计算大气湿度廓线,用探空仪实测相对湿度验证并分析反演效果。该模型反演的湿度廓线与探空廓线的平均绝对误差为9.80%,均方根误差为13.85%,优于经典的BP(Back Propagation)神经网络模型平均绝对误差11.52%,均方根误差15.66%。通过比较,证明了本文的反演模型利用连续观测的亮温数据能够有效地提高反演精度,特别是对于3~7 km范围内大气湿度廓线分布较为复杂的相对湿度的反演。并验证了该模型加入云观测数据提高了有云时的反演精度。

超大城市观测数据系统平台设计与实现

为收集管理应用新型地基遥感设备观测的海量、多源、实时数据,中国气象局气象探测中心设计并搭建了超大城市观测数据系统平台。系统基于主流Web开发技术和分布式列存储集群方式MySql数据库,具备数据实时传输、监控、存储、分析、显示和共享等功能,实现了新型地基遥感观测数据管理规范化、产品服务多样化、资料共享便捷化。该系统平台既提高了新型地基遥感设备数据的支撑保障能力,同时分钟级廓线数据产品满足了短临天气预报对实时数据的高时效需求。目前,平台已在部分城市中推广应用,为地基遥感设备业务化运行提供全面的平台支持。

激光雷达和毫米波雷达探测海雾回波的对比分析

2019-01-26—2019-02-27,中国气象局气象探测中心在上海市崇明区横沙岛进行了海雾观测试验。文章分析了海雾的微物理形态、激光雷达和毫米波雷达设备的观测原理、实际观测效果,同时对比分析了地基能见度仪和雨滴谱数据相互验证,以及有效探测距离假设等问题。结果表明两类设备在探测海雾观测中可以从不同角度描述雾的物理结构和特点,共同促进海雾的观测能力。

ASC200型地基双波段全天空云量自动观测仪云量比对分析

采用ASC200型地基双波段全天空云量自动观测仪2019年2—5月在中国气象局长沙国家综合气象观测试验基地和上海宝山国家基本气象站的连续观测数据,分别与人工观测云量及器测云量参考标准进行比对,从综合云量、可见光云量及红外云量3方面初步探究其云量观测能力。比对结果显示:该设备长沙站和宝山站综合云量样本与人工云量参考标准差值在±20%以内的样本分别占总量的92.2%和79.4%,长沙站综合云量样本与器测云量参考标准差值在±20%以内的占样本总量的90.5%,差值在±10%以内的占样本总量的86%。结论如下:(1)ASC200综合云量样本与人工及器测云量参考标准一致性良好;(2)验证了可见光云量观测系统在雾霾等天气条件下观测能力较弱,红外云量观测系统对卷云的观测能力较弱;(3)在能见度良好的观测条件下,双波段云量观测系统的云量观测能力优于单一波段云量观测系统。