测风激光雷达与风廓线雷达的探测性能评估及数据融合

测风激光雷达和风廓线雷达作为L波段探空测风的有效补充,均可以提供高时空分辨率的大气风场信息,然而由于工作原理和适用条件存在明显差异,在探测性能上各有优缺点,单一设备的探测数据已不能满足精细化预报的要求。本研究使用2020年1—5月北京南郊观象台的L波段探空资料对同址观测的测风激光雷达和风廓线雷达进行了数据质量评估,结果表明测风激光雷达与探空的一致性较高,U、V分量的相关系数分别为0.97和0.98,均方根误差分别为1.1和0.95 m·s^(-1),然而在2 km以上数据获取率较低且偏差较大;风廓线雷达与探空相比,U、V分量的相关系数分别为0.94和0.93,均方根误差分别为2.94和2.91 m·s^(-1),风廓线雷达的探测距离虽然更远,但在0.5 km以下和6 km以上的测量偏差较大。考虑到两种测风雷达在不同探测高度上的性能优缺点,提出分段曲面拟合法对两者的水平风资料进行融合处理,并选取个例对融合效果进行验证,结果表明,融合后的风廓线与融合前相比,风向和风速的一致性均得到明显提升。

三峡地基遥感垂直观测系统温湿廓线的误差分析与订正方法探讨

三峡地基遥感垂直观测系统是中国气象局“补短板工程”的先行试点,用于监测三峡库区大气垂直廓线的精细结构及演变,其中大气温湿廓线通过微波辐射计反演得到,评估大气温湿廓线的反演偏差并提高其精度对发挥好垂直观测系统在三峡库区的精密监测作用具有重要意义。利用2022年11月—2023年6月三峡微波辐射计和同址探空、自动气象站、毫米波测云仪等探测资料,评估了三种天气条件下(晴天、云天、雨天)微波辐射计83个探测高度层温湿度的反演偏差,提出对83个高度层重新分组与探空建立线性回归的微波辐射计温湿度订正方法;评估了订正前后的精度变化并以一次雨雪天气过程的探测结果讨论了订正方法的适用性。结果表明:(1)三种天气条件下微波辐射计和探空温度一致性均较好,多数高度层平均偏差在2℃以内。(2)晴天所有高度层微波辐射计探测湿度均高于探空探测;云天和雨天6 km以上高度层探测湿度均方根误差达30%。(3)高度层重新分组后建立的订正关系能明显提升微波辐射计探测的温湿廓线精度。(4)以一次雨雪天气过程探测为例,订正后的微波辐射计探测的温湿廓线与实况更接近。

基于数字档案的江西降水量数据集研制与应用

为实现馆藏气象档案资源管理与应用效益最大化,对气象数字档案进行梳理挑取、质量控制、数据融合,新生成长序列、高分辨率降水量数据文件,建立了江西1954—2020年分钟、小时、16时段年最大降水量数据集。分析评估表明:1)R60文件填补了A6、A7文件中119站年的数据空白,A6、A7文件弥补了R60文件中22站年的数据缺失,融合后有29个台站小时降水量数据前推了1 a以上。2)1963年开始分钟降水数据的正确率稳定在88%以上,人工观测期间订正率在0.2%左右,2005年自动化观测后分钟数据的完整性和质量明显提高。3)年最大降水量数据集增加了150 min极值的挑取,数据序列长度比R15文件平均前推了14 a。4)计算机挑取的15个时段年最大降水过程与人工挑取的一致率达89%,平均相关系数达0.95。该数据集提高了江西降水量数据的完整性和质量,而且新挑取的5—20 min短时段年最大值更客观和精确,弥补了人工挑取的不足。

江西省闪电定位资料与人工观测雷暴日的对比分析

利用江西省81个气象站1984—2013年雷暴日观测资料和2010—2019年闪电定位资料,对比分析了3—19 km半径下闪电日数与雷暴日数的关系。结果表明,全省范围内闪电日数与雷暴日数相等的监测半径置信区间为10.1—11.5 km,监测半径为10 km和11 km时全省闪电日数与雷暴日数差异不显著,相对偏差最小。聚类分析表明,全省闪电日数与雷暴日数相等的半径可分为5个区域:R1—R5,对应闪电日数与雷暴日数相等的半径均值分别为14.5、9.4、9.6、10.5、10.2 km。

丹徒国家基本气象站迁站气温资料的对比分析

选取丹徒国家基本气象站新、旧2个地址2015年1月—2017年6月的对比观测资料,根据气候季节划分,对新旧址各季度平均气温、最高气温、最低气温和气温日较差进行均值比较和t检验分析。结果表明,新址全季度、晴日和雨日各季度的季平均气温、季最高气温和季最低气温基本均低于旧址,季气温日较差和季总降水量则偏高,均在2015年差异更明显;晴日各气温数据变化情况与全季度基本一致,且差异更为明显,春季气温日变化最大且稳定性较差,季最低气温和季气温日较差差异相对突出;雨日各气温数据差异不明显,降水对2个地址各气温数据差异的影响程度较无降水情况明显偏弱。下垫面性质和周边环境是导致新旧址气温存在差异的最主要原因。

不同地面雨量监测方法对比及联合观测研究

为研究不同地面降雨观测仪器监测降雨过程始末时刻及雨量的差异,利用激光雨滴谱仪、压电式雨量计和翻斗式雨量计获取降雨资料,采用最小时间间隔法划分降雨事件并根据各仪器数据重叠关系分类。结果表明:激光雨滴谱仪能准确监测降雨始末时刻,但对降雨量整体性高估;翻斗式雨量计不能准确测量降雨始末时刻,且微量降雨、前后浸润、间断时段损失分别占降雨总量的3.43%、8.00%、1.65%;压电式雨量计测雨过程中面板积水会导致精度下降。因此,建议综合翻斗式雨量计的雨量和激光雨滴谱仪的降雨始末时刻信息,以得到较准确的降雨事件过程。

基于风云卫星遥感资料的中国青藏高原积雪分布研究

文章以中国青藏高原地区为研究区,通过对1990-2019年气象站实测雪深数据(简称“实测雪深”)和卫星遥感反演雪深数据(简称“遥感雪深”)互补应用,分析实测雪深与遥感雪深的差值情况,评估遥感雪深的精度;通过多种方法对遥感雪深进行订正,形成质量最优的长时间序列遥感雪深订正数据集;总结积雪的时空变化典型趋势和特征,揭示在全球气候变暖过程中,雪深对时间变化的响应,以期为青藏高原雪灾防御工作中对积雪资料的应用提供参考。

大连区域气象自动站数据治理

文章对2010—2020年大连222个区域气象自动站数据进行梳理,结合自动站质控算法,完成对数据的清洗,实现对自动站温度、降水要素的质量控制,建立质控后的区域自动站基础数据库。通过决策材料进一步人工订正了基础数据库。完善近10年区域气象自动站数据治理的算法和评估体系,为以后区域气象自动站数据的准确性、完整性提供了保障。

合肥地区风廓线雷达资料评估初探

风廓线雷达作为一种新型测风雷达,能够连续提供大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常数等气象要素随高度的分布,具有时空分辨率高、连续性好和实时性好等特点,是进行高空气象探测的重要设备。而雷达数据的质量是决定资料是否能够投入业务使用的基本前提。通过欧洲中期天气预报中心(ECWMF)第五代再分析资料(ERA5)与气球探空资料比对,验证了ERA5再分析资料在安徽区域的适用性,并利用其对没有气球探空资料的合肥和巢湖两地的风廓线雷达资料进行了评估。结果表明:(1)ERA5再分析资料与气球探空资料显著相关,多项指标均表明ERA5再分析资料可以作为评估基准,利用其对无气球探空资料区域的风廓线雷达进行评估具有可行性;(2)大气湍流强度对风廓线雷达最大探测高度影响明显,依季节划分最大探测高度分别为春季2.7km、夏季4.5km、秋季3.6 km、冬季2km;(3)经评估,合肥地区风廓线雷达资料在数据相关性、偏差、均方根误差等方面u分量数据质量好于v分量。依季节划分,数据质量由高到低排序依次是冬、夏、春、秋。其中,春、夏、冬数据质量较好,可以同化入数值预报模式,而秋季v分量数据需要进行偏差订正以及质量控制后再使用。

基于均一化数据的1960—2021年中国蒸发皿蒸发量时空变化特征

基于序列均一性多元分析(MASH)和Climatol均一化方法,对1960—2021年中国573个气象站逐月蒸发皿蒸发量(PE)观测数据进行非均一化检验与订正,通过对比两种方法检测到的非均一性台站数、断点数、订正幅度等,定量评估均一化结果的不确定性。基于等权重集合均一化逐月蒸发皿蒸发量序列数据集揭示了近60年中国年、季节蒸发皿蒸发量的时、空演变特征。结果表明:MASH和Climatol均能有效检测出逐月序列中的非均一性断点,前者检测到的非均一性台站数较少、断点数较多但订正幅度较小。集合均一化序列表明:1960—2021年中国平均的冬、秋季蒸发皿蒸发量增大速率分别为0.27和1.10 mm/(10 a),春、夏季和全年的下降速率分别为8.38、9.83和16.83 mm/(10 a)。订正后蒸发皿蒸发量在春、夏季和全年大部分观测站呈下降趋势,分别占81.7%、80.8%和80.3%,冬、秋季多呈上升趋势,分别占57.1%和60.4%。冬季在东北、青藏高原东部、华南、西南(云南除外)地区呈上升趋势;春季除华东沿海、陕西南部、川渝北部及湖北西部等地区外,其他大部分地区均呈下降趋势;夏季大部分地区呈下降趋势,特别是华北以南的东部地区;秋季除东北西北部、新疆西北部、内蒙古中部延伸至青藏高原东部一带呈下降趋势外,其他地区呈上升趋势;全年在新疆西北部、内蒙古中部、山东、河北南部及河南、云南中部等地区呈下降趋势。与订正前相比,冬、夏季变化趋弱,春、秋季和全年变化趋强;季节、年变化趋势范围均缩小,下降速率小于10 mm/(10 a)或上升速率大于30 mm/(10 a)的站数均减少,大尺度变化趋势的空间一致性趋好。春、秋、冬季及全年蒸发皿蒸发量分别在1977、2018和2020、2020及1972年存在突变,夏季不存在突变。

地基微波辐射计温湿资料的误差分析和订正研究

为综合评估地基微波辐射计(以下简称辐射计)温湿探测性能、提高温湿廓线精度,利用2021年3—8月北京辐射计观测、探空和ERA5再分析等资料,分析不同天气条件下(晴天、云天、雨天)辐射计温湿度探测性能,利用探空数据和修正后的ERA5数据对辐射计温湿廓线进行检验,并基于线性偏差订正方法对辐射计温度、相对湿度进行订正。结果表明:(1)辐射计温度在晴天、云天与探空温度具有较好的一致性,而其在降雨天气较探空温度高;辐射计相对湿度在晴天高于探空,云天和雨天低于探空。雨天探空数据对辐射计温、湿度的线性偏差订正效果优于晴天、云天。(2)ERA5相对湿度在4 km以上高度与探空存在明显偏差,其温度与探空温度的相关性高于相对湿度。(3)探空数据修正后的ERA5数据能较好提升辐射计温湿廓线精度,且在雨天效果优于晴云天。垂直方向上,随着高度增加辐射计温、湿度订正效果更明显。(4)采用探空数据和修正后的ERA5数据对订正后的辐射计温湿数据进行误差分析,结果表明晴天和云天条件下辐射计与探空、辐射计与修正后ERA5数据的误差(平均误差BIAS和均方根误差RMSE)廓线垂直分布特征相似。雨天条件下两者在中高层(7—10 km)有明显差异,其中温度RMSE相差4 K,相对湿度RMSE相差20%。

区域气象站日气温极值延长方法研究与误差分析

区域气象站由于建站时间短,难以提供具有气候统计学意义的气象资料,因此对区域站短序列气象要素进行延长是部分区域气象服务(如农业保险气象指数产品开发)的需求。为此,采用单元线性回归、逐步回归、神经网络三种建模方案,基于浙江省66个国家站气压、气温、相对湿度、风速、日照等具有天气意义的气象要素,对浙江省100个随机选取的区域站逐日最低/高气温开展延长方法的探究,并对模型的估计误差进行分析。结果表明,相较于传统单元线性回归,利用多因子的逐步回归和神经网络能有效提高延长数据的准确性。神经网络由于能描述非线性统计关系,估计的准确性优于基于线性统计的逐步回归的准确性。三种建模方案的误差分析显示:逐日最低气温的估计误差在68月较小、12月次年2月较大,逐日最高气温的估计误差在12月次年2月较小、35月较大;样本数的增加对模型的估计准确性有一定提升作用;较高海拔区域站逐日最低/高气温的估计误差,高于较低海拔区域站的估计误差。

多源融合实况分析1km网格降水产品在广东省暴雨过程中的准确性评估

中国国家气象信息中心研制的多源融合实况分析1 km网格降水(简称为ART_(1) km降水)产品可为灾害性天气监测预警、智能网格预报、智慧气象服务等提供更精细的数据支撑。选取广东省2019-2022年5-8月的20例致灾暴雨过程,利用未融合制作ART_(1) km降水产品的区域站和水文站等两类独立站的降水资料,评估ART_(1)km降水产品在暴雨过程中的准确性。结果表明:ART_(1) km降水产品成功反映了广东省暴雨过程的降水落区、强度和变化趋势,且在珠三角、粤东东部和粤北北部表现最佳。降水越强,两类独立站的ART_(1) km降水和观测降水的相关性越高,但均方根误差和平均值误差也越大。降水不分级时,全省约60%的独立站的ART_(1) km降水和观测降水的相关系数≥0.8,超90%的独立站的均方根误差在[1.0,5.0]mm范围内,超60%的独立站的平均值误差在±0.1 mm内。降水分级后,当小时降水较弱(<5 mm),全省大部分独立站的相关系数<0.5、均方根误差在[1.0,5.0]mm范围内、平均值误差在[0.0,0.5]mm范围内;当小时降水较强(≥20 mm),全省42%~56%的独立站的相关系数≥0.5,大部分独立站的均方根误差≥10 mm、平均值误差<0 mm(且当小时降水≥50 mm,平均值误差<-10 mm)。两类独立站的ART_(1) km降水总体表现为低估,更多的站点观测融入制作ART_(1) km降水产品,将有助于提升该产品的质量。

自研制天空成像仪云量提取算法研究

云在大气的能量分配、辐射传输、水循环以及极端天气的形成过程中有着不可忽视的作用。云量指云遮蔽天空的成数,是云最重要的宏观物理特征之一,对于云的研究具有重要意义。针对项目组成员自行研制的天空成像仪进行云量提取算法的开发和应用,经过实验对比,将天空成像仪拍摄图像根据灰度分为黑屏、较暗和较亮3类,并基于分类结果采用传统红蓝比阈值法与全局阈值法相结合的方法进行云量提取。根据云量提取结果,2021年成都地区云量年均值为0.69,月均值0.55~0.85,春夏季相较于秋冬季云量较低,且云量日变化特征存在一定差异。

基于改进三次样条插值的探空资料质控研究

由于L波段探空资料存在缺测及稀疏、零散的数据,造成信息量在时空分布上的不均匀性。考虑到参与插补计算的权重因子个数和插补半径对探空观测数据影响较大,在三次样条插值基础上将插补半径和参与计算权重因子个数作为约束条件引入算法中,以被插值点±40gpm为插值半径,取有效因子个数≥3个,提出了改进的三次样条插补算法。通过交叉验证分时段对插补结果进行检验评估,气温AE在±0.1℃之间,RMSE值小于0.08;相对湿度AE在-1.0%~+0.7%之间,RMSE值小于0.3;风速数据AE在±0.6m/s之间,RMSE值小于0.2,表明改进三次样条插补算法对探空资料的质控效果在时间和空间上一致性较好。在晴空条件下相对湿度的插补效果优于有降水天气,气温和风速的插补效果不受晴空条件和降水条件的影响。

重庆强降水过程QPE/FY-4A估测降水精度研究

为检验风云四号A星气象卫星(FY-4A)定量降水估测(Quantitative Precipitation Estimation,QPE)产品在重庆地区的精度,针对重庆发生的两次区域暴雨过程,利用区域自动气象站实测降水资料,分析了QPE产品对强降水过程估测的时空偏差特征,并对其进行优化处理。结果表明:FY-4A卫星QPE产品能反映强降水的空间分布和强度,对其强度和落区变化趋势有一定的指示性;整体看,估测降水强度、范围均较实况偏大,估测强降水位置与实况有一定偏差,估测降水持续时间偏长。优化后的QPE产品与实测降水在强度和范围上基本保持一致,均方根误差均小于10,其估测准确率进一步提高。

廊坊地基微波辐射计大气温湿廓线反演产品评估分析

利用2017—2020年廊坊市大厂县QFW-6000型微波辐射计和北京探空资料,对08时和20时2个时次共737组有效样本垂直方向的气温、湿度进行对比检验。结果表明:(1)整层气温均方根误差在5℃以内,相对湿度均方根误差为20%~30%,气温的相关系数明显高于相对湿度,即前者的探测精度更高。(2)1 km以下08时和20时温度和相对湿度的误差差异显著,08时误差均小于20时,1 km以上气温误差稳定在3℃左右,相对湿度误差廓线随高度先增大后减小。(3)夏秋季温度误差总体小于春季和冬季,但夏季贴地层误差明显大于其他季节,而相对湿度误差在冬季更为稳定。(4)晴天微波辐射计的探测精度明显优于云天和雨天,且随着云量的增多,探测精度逐渐下降。(5)降雨量级的差异对微波辐射计的探测精度产生不同影响,雨量越大,温度和相对湿度的误差越大;小雨时温度的相关系数在贴地层以上为0.60~0.90,但整层相对湿度的相关系数普遍在0.50以下,中雨及以上的降雨出现时,08时和20时温度的相关系数表现出显著差异,而相对湿度的相关系数在大雨及以上时波动最大,表现出极不稳定的探测性能。

国家级地面气象无人值守业务运行故障及处理方法

【目的】通过分析国家级地面气象无人值守业务运行故障,提出各类故障应急处理方法。【方法】收集整理青海海西无人值守业务运行故障记录,分析原因、处理方法,并进行归纳总结。【结果】得出国家级地面气象无人值守业务电源故障、仪器设备故障、软件故障应急处理方法。【结论】方便业务人员查阅、掌握各类故障应急处理方法,及时排除故障,提高维护保障能力,确保无人值守业务稳定运行,为气候分析、科学研究和气象服务工作提供可靠的数据支撑。

地基35 GHz测云雷达回波强度的衰减订正研究

为了订正大气和云对毫米波雷达信号的衰减,选取了层状云、降水性层状云及对流云个例,进行了衰减订正试验.根据雷达反射率因子Z与衰减系数k的经验关系,采用分级逐库订正法进行订正.结果表明,对于回波强度比较弱的层状云来说,订正后数据可靠性较高;对于降水回波来说,雨水及传播路径中的丰富水汽都会造成毫米波信号的严重衰减,因此降水云的衰减订正难度大.经过订正后,虽然还存在误差,但对毫米波雷达数据的质量有明显改善.

中国L波段探空湿度观测资料的质量评估及偏差订正

L波段探空观测资料无论在天气预报还是数值预报中均为最基本和最重要的一类数据,而其湿度观测资料的质量对同化分析及降水预报有直接影响。通过用L波段探空湿度观测资料与不同类型的其他观测反演的湿度资料互校及与NCEP、GRAPES、EC等不同模式分析场为背景的湿度场比较,评估中国L波段探空湿度观测资料的质量状况,对探空湿度资料的质量有了新的认识,为更好地使用该资料提供依据。研究发现中国L波段探空湿度观测资料存在偏干的现象,特别是当背景场湿度大于60%时,观测湿度偏低更加明显。通过分析其偏差特征,找出了适合中国L波段探空湿度观测资料偏差特点的分段函数订正方法。个例试验表明,对探空湿度观测资料的偏差订正后,观测偏差明显减小,订正效果非常显著;模式降水强度预报能力有一定的提高。从连续试验检验的降水预报评分(TS)和预报偏差(Bias)看,中雨和暴雨的预报在探空湿度观测偏差订正后都表现出正效果。