往返平飘式探空在CMA-MESO三维变分中的同化及对模式预报的影响

往返平飘式探空通过一次探空气球施放实现“上升段-平飘段-下降段”三段观测,其下降段能实现在06时(世界时,下同)和18时自动垂直加密观测大气,具备提升区域高分辨率快速同化循环预报系统在06时和18时的预报技巧潜力。为了实现往返平飘式探空在区域高分辨率模式中的同化,分析其对预报的影响,初步提出了“选取模式层最接近观测”的垂直稀疏化方法来预处理资料,深入分析了稀疏化对同化效果的影响,论证了资料垂直稀疏化对于同化应用的必要性;在此基础上,开展了为期1个月的批量同化影响试验,着重分析了往返平飘式探空在长江中下游区域的组网观测对CMA-MESO模式预报技巧的影响。稀疏化敏感性试验结果表明,同化不稀疏化的往返平飘式探空相比同化传统业务探空,分析和预报误差显著增加,降水预报评分也显著降低,相反,“选取最接近模式层”数据的垂直稀疏化方案能提高模式的分析和预报技巧,表明往返平飘式探空同化前必须进行垂直稀疏化。批量同化试验结果表明,在冷启动时刻(00时和12时,为常规探空释放时刻),同化往返平飘式探空(上升段)相对同化传统业务探空,分析误差和预报误差变化较小。但在暖启动时刻(03、06、09、15、18、21时,无常规探空释放时刻),增加往返平飘式探空下降段数据,相比控制试验,分析场精度提高了约0.4%。此外,0~12 h累计降水预报的ETS评分变化较小,但12~24 h累计降水预报在0.1、1.0、5.0、10.0、25.0 mm量级降水ETS评分提高了约0.5%,在50.0 mm量级的降水ETS评分提高了约2.3%。总体而言,同化往返平飘式探空对于区域高分辨率快速同化循环预报系统在暖启动时刻的降水预报技巧有正贡献。

基于GNSS-RTK定位的无人机L波段探空系统标定方法

随着我国北斗卫星导航探空观测系统升级换代工作逐步推进,降低L波段探空系统测风数据差异的需求尤为迫切。利用无人机GNSS-RTK定位信息研究新的标定方法,相较传统标定手段,避免人为因素干扰、极大的降低测量误差,新的标定方法更加科学有效,对保证测风数据的有效性,提高高空气象观测数据质量具有重要应用意义。

基于L波段探空观测的FY-4A云顶温度产品评估及其在冬季降水相态判识中的应用

利用2019—2021年冬季上海宝山站L波段探空资料对FY-4A云顶温度(CTT)产品进行评估,分析发现,FY-4A的云顶温度产品能够较好地反映单层云的云顶温度,对双层云或多层云的云顶温度则普遍高估(平均高估幅度超过14℃);当探空观测到的云顶高度不超过6 km或云顶温度不低于-20℃时,FY-4A云顶温度产品误差较小,平均偏差约为3℃。根据2021—2022年冬季长三角地区地面站观测的降水现象统计云顶温度与降水相态的关系,并对典型个例进行分析,结果表明,云顶温度低是出现降雪的必要条件之一,绝大部分降雪出现在云顶温度低于-12℃的情况下。FY-4A的云顶温度产品时空分辨率高、精度尚可,可以辅助预报员判识雨雪落区,在雨雪转换过程的预报服务中有较大的应用潜力。

激光雷达和微波辐射计温湿度廓线与探空数据的对比分析

基于西安泾河国家气象站2021年微波辐射计、西安理工大学研制的大气温湿度廓线激光雷达等设备观测数据反演计算0~10 km以下的温湿度,通过与探空资料的对比分别评估了微波辐射计和激光雷达的探测性能。结果表明,二者反演的温度均与探空数据具有较好的一致性,激光雷达反演的温度和探空温度的相关系数为0.997,均方根误差在1.5~2.5 K之间,微波辐射计反演的温度和探空温度的相关系数为0.973,均方根误差在1.5~5.0 K之间;在反演相对湿度方面激光雷达优于微波辐射计,激光雷达反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0.964,均方根误差在5%~15%之间,微波辐射计反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0.632,均方根误差在20%左右。

微波辐射计与探空观测数据对比分析

为了评估RPG-HATPRO微波辐射计的探测性能,文章对比分析了广东省清远市探空观测站的探空观测数据与微波辐射计数据,通过比较不同观测高度、不同天气条件下的数据质量分析仪器性能。结果表明:RPG-HATPRO微波辐射计边界层温度廓线的有效探测高度为2000 m,对流层湿度廓线的有效探测高度为10000 m;微波辐射计的对流层温度数据探测误差分布随高度增加呈曲折上升趋势;降水条件对微波辐射计温度、湿度数据准确性有一定影响,在无降水条件下,微波辐射计湿度数据的准确性更为稳定。研究结果为微波辐射计的更有效应用提供支持。

基于探空的FY-4B/GIIRS温湿廓线检验和订正

以探空资料为基准,对2023年2月—2024年1月风云四号气象卫星B星(FY-4B)干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)温湿廓线产品开展检验评估,分析误差特征,并利用概率密度匹配法(PDF方法)对云天温度廓线进行订正。结果表明:晴天条件下温度平均偏差为-0.3~1 K,均方根误差在2 K以内;湿度平均偏差为0~1.3 g·kg^(-1),均方根误差最大值位于近地层,约为2.1 g·kg^(-1)。云天条件下偏差增大,平均偏差整体呈正值,温度均方根误差为2.2~2.7 K,湿度均方根误差最大值约为3 g·kg^(-1)。12:00(世界时,下同)近地层温度偏差较00:00有所增大;晴天条件下,12:00400 hPa以下的湿度偏差大于00:00;云天条件下,00:00750~950 hPa的湿度偏差大于12:00。云天条件下温湿廓线系统性偏差明显,与质控码为0的样本相比,质控码为1的样本偏冷、偏干加剧,且偏差分布更为离散,温度偏差呈不对称的双峰分布。PDF方法可有效减小FY-4B/GIIRS温度廓线的系统性偏差,订正后,质控码为0和1的样本平均偏差分别由0.74 K和2.07 K下降至-0.03 K和0.01 K,均方根误差分别由1.89 K和3.20 K减小至1.73 K和2.34 K。

基于探空数据的测风激光雷达在黄海西部海岸带的适用性分析

利用2021年4月至2022年12月期间位于黄海西部海岸带青岛国家基本气象站观测场内的多普勒测风激光雷达和L波段气球探空系统(以下简称L波段探空,Lradar),经过观测数据时间和空间相互匹配,以L波段探空测风数据为参照标准,对测风激光雷达探测高度、水平风速和水平风向的探测能力进行对比分析,结果表明:最大探测高度日变化特征与边界层高度日变化较为吻合,每日09:00探测高度最低约1 000 m,17:00则达到探测高度的峰值约1 300 m。在筛选出的共计1 768次二者共同观测时刻中,超过90%测风激光雷达最大观测高度低于2 000 m,不足500 m的时刻约占16%。二者水平风速和水平风向的线性拟合效果较好,相关系数分别高达0.97和0.98,其探测能力在海风和陆风时刻存在微小差异。测风激光雷达水平风速误差随高度和风速大小的变化存在差异,在500 m以下测风激光雷达平均风速明显大于L波段探空测得的平均风速,在500 m至1 500 m误差较小。在4级风及以下,风速误差分布较为集中;5到7级风,风速误差离散程度最大,离散值最多;8级风以上,离散误差明显减少。二者水平风向变化趋势具有较好的一致性,测风激光雷达风向误差以正值为主,即相较于L波段探空顺时针偏转。在低层以偏北和偏南风向为主,在西北(NW)、北西北(NNW)、正南(S)和南东南(SSE)方向上其频率小于L波段探空,在正北(N)、北东北(NNE)、南西南(SSW)和西南(SW)方向上大于L波段探空,高层开始转为偏西风向,在正西(W)方向频率明显大于L波段探空。以上结果表明,测风激光雷达可以较好地刻画出黄海西部海岸带边界层内的风场信息,为后续测风激光雷达在海岸带和海上观测的业务应用提供有效参考。

长沙站一次雷雨天气探空资料分析

为考察2022年5月29日19时雷雨天气对探空观测的影响,文章采用长沙站雷达探空数据、地面观测数据等资料分析,获得以下结论:29日19时探空平均升速为844 m/min,最大升速为1 300 m/min,是该次的最大特点,突出了上升气流的强盛程度;温度较高且较活跃,大气层具有不稳定性,且提供较强持续上升运动的能量;湿度在850~461 hPa无信号,为100%,对应的露点温度差保持为0,风向形成高低层切变线,风速较小,已具有降水条件,且零度层较高不具备产生冰雹的条件。此次雷雨天气是在西南急流、切变线南压、冷暖气流共同作用下产生的,导致整个探空过程在积雨云区进行,产生雷暴致使仪器无信号。且地面降水量从29日19时至30日03时02分累计34.4 mm,达到大雨量级。

永泰县云量与探空层温度露点差的关系分析及其应用

利用2006—2010年永泰测站人工观测的云量和福州探空层的温度露点差,采用统计方法分析云量和各探空层的温度露点差关系。结果表明,随着云量增加,探空层的温度露点差呈减少趋势,925 hPa温度露点差平均值从10.6℃降到2.7℃,500 hPa从30.9℃降到15.3℃,925 hPa低云量则是从8.3℃降到1.6℃,500 hPa从25.7℃降到16.7℃;在信度0.05情况下,总云量和低云量与温度露点差均能通过相关系数显著性检验,总云量与探空层的温度露点差的对应阈值在永泰气象景观等级预报有较高的准确率。

基于锡林浩特探空物理量的强对流天气预警指标研究

利用锡林浩特探空站资料计算的15个物理量和NCEP(1°×1°)资料,研究分析了2011—2015年夏季(6—9月)锡林浩特地区的冰雹、雷暴大风及短时暴雨天气中各物理量及雷达产品的差异。结果表明:850 hPa和500 hPa的θse差更能指示短时暴雨的发生,其值越大越具有更强的不稳定性;冰雹的0℃层高度和-20℃层高度均明显低于短时暴雨;3种强对流天气的-20℃层和0℃层之间的厚度越薄,发生的强对流天气越强;冰雹具有更大的对流层低层垂直风切变,即比较大的低层垂直风切变有利于冰雹的产生和发展。

L波段探空雷达天线故障问题及日常维护保障策略研究

L波段探空雷达是我国高空气象探测业务中不可或缺的重要设备。它的探测范围覆盖了地面至高空30km的区域,可以精准地获取温度、气压、相对湿度、风向和风速等气象要素的数据。这些数据在天气预报,尤其是灾害性天气的预警和防范中起着至关重要的作用。然而,在实际应用过程中,L波段探空雷达可能会出现天线故障等问题。天线故障会影响雷达的正常工作,导致气象数据的准确性下降。鉴于此,本文将在介绍L波段雷达基本组成和原理的基础上,重点分析L波段探空雷达天线故障问题,并提出针对性的保障策略。最后,探讨L波段探空雷达的日常维护问题,以期为同行提供参考和借鉴。

L波段探空雷达常见故障排查及日常维护保障对策

L波段探空雷达是气象观测的重要工具,用于监测高空大气层的状况。概述了L波段探空雷达技术,包括工作原理、功能及其数据的重要性,分析了L波段探空雷达常见故障类型及排查方法,并提出了一系列日常维护保障措施,包括预防性维护策略、定期检测与校准方法、环境因素对雷达性能的影响及应对措施、设备寿命管理和更新换代计划等,旨在推动气象观测技术的进步与发展。

长沙6月22日暴雨天气探空资料分析及应对措施

采用6月22日07:00长沙站及邻近探空数据、天气图、雷达图等分析资料,对暴雨天气进行分析,得出结论:(1)07:00探空受到降水的影响,气压降幅最大为132 hPa,升速最小为188 m/min,最多降低223 m/min。(2)07:00近地面至286 hPa湿度保持在100%,露温差为0,厚度达10 km,外部环境输送了大量水汽至长沙地区,具有良好的、持久的降水条件。(3)07:00存在地面东北风经875 hPa东南风最终至795 hPa西南风的高低风向切变,且风速在500 hPa以下基本小于10 m/s,保持水汽维持在长沙。(4)07:00探空过程是在500 hPa高空槽前、700 hPa切变南侧、850 hPa低涡切变共同影响下进行的。降水量02:00~13:00累计102mm,达到大暴雨级别。探空前,结合地面降水量、雷达回波图判断充气量,保证业务质量。

北斗探空观测应注意操作流程分析

随着科技的进步和气象科学的深入发展,高空大气观测已成为天气预报和气候研究不可或缺的一部分。北斗探空观测系统作为中国在这一领域的重要成就,不仅提高了数据采集的精度和效率,还推动了相关技术和方法的创新。通过对北斗探空系统的深入研究,本文旨在为气象工作者提供一份详尽的操作指南,帮助他们更好地理解和应用这一先进技术,以提升我国气象观测的整体水平。

基于探空数据探讨河套地区层云、层积云降水的物理量特征

基于2019年内蒙古河套地区雷达、卫星探测资料,将降水过程分为层云降水和层积云降水,并基于L波段探空秒数据反演云的垂直结构。得到如下结论:(1)层云降水和层积云降水大多为1~2层云。降水云为1层云时,层云降水和层积云降水的云底均在2.0 km左右;但是,层积云降水的云厚明显大于层云降水。降水云为2层云时,层云降水和层积云降水的云底也均在2.0 km左右;但是,层积云降水的下层云厚度大于层云降水,总厚度也明显大于层云降水,夹层更薄。(2)降水云为层云时,云系的整层可降水量为26.2 mm,总指数为41.91℃,K指数为28.32℃,抬升凝结温度为10.00℃,对流有效位能为59.39 J·kg^(-1),云系稳定。降水云为层积云时,云系的整层可降水量为32.1 mm,总指数为42.03℃,K指数为32.29℃,抬升凝结温度为12.61℃,对流有效位能为103.09 J·kg^(-1),云系比较稳定。比较而言,降水云系为层积云时更多,且整层可降水量更多,更适宜开展人工增雨作业。

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.

基于新型往返式探空观测的大气湍流特征分析

利用2018年6月2日至2019年11月14日,安庆、长沙、赣州、南昌、宜昌、武汉6个站点的往返式探空试验数据,使用Thorpe分析方法计算了湍流层厚度、对数湍流耗散率、Thorpe尺度、浮力频率并进行概率、水平、垂直等分布特征的分析。这些探空数据观测精度较高,且垂直分辨率约为6~10 m,延伸至大约30 km的高度,可以在整个对流层和平流层下部估计湍流。本研究基于湍流特征分析,比较了各个站点之间以及上升段与下降段之间的差异。对数湍流耗散率log_(10)ε(代表ε的量级)分布具有两个模态,分别以-35 m^(2)s^(-3)和-5 m^(2)s^(-3)附近为峰值中心并向两侧递减。对流层的分布相对于平流层更加集中,且对流层的峰值中心的数值略大于平流层中心,这说明平流层的湍流强度稍弱于对流层。从对数湍流耗散率log_(10)ε、Thorpe尺度(L_T)、浮力频率(N~2)三个参数的水平和垂直分布可以看出,湍流强度受L_T与N~2的配置影响,并且对流层与平流层的特征相反。本研究揭示了高分辨率的往返式探空组网观测数据用于自由大气湍流特征研究的潜力,以及其相对于传统探空数据的时空加密观测优势。

基于GNSS掩星资料对往返平飘式探空温度观测的质量评估

同化应用一种新型观测资料前,对新型观测资料开展质量评估必不可少。为了实现往返平飘式探空资料的同化应用,基于GNSS掩星观测资料和ERA-Interim再分析资料,分析评估了往返平飘式探空“上升-平飘-下降”三段观测中温度资料的质量。在平飘段使用Cressman算法对其插值并与掩星干温度进行对比,发现平飘段日间受太阳辐射的加热影响,其温度存在明显的正偏差,夜间则表现为弱的温度负偏差。采用ERA-Interim再分析资料与掩星、往返平飘式探空平飘段资料做交叉对比,进一步验证了上述结果。分析了平飘段与掩星干温度偏差随地方时的变化情况,发现了日间温度偏差的平均范围为7~10℃,夜间为-4~0℃。参照WMO对于温度不确定度的规定,日间温度观测接近边界目标6℃,夜间则符合突破目标。往返平飘式探空上升(下降)段与掩星湿温度资料具有较好的一致性,上升段T_(RS)-T_(RO)的均值范围为-1~1℃,下降段在13 km以下时也为-1~1℃,13 km以上增加到1~3℃。整体而言,往返平飘式探空上升(下降)段温度资料的质量较好,下降段对探空观测具有时空加密的作用,观测质量满足数值天气预报和其他领域的应用。

基于高垂直分辨率探空数据对五种典型下垫面湍流分布特征分析

由于湍流的时空尺度小、变化率大,缺乏大规模的现场观测,导致对全国范围内的大气湍流特征研究甚少。自2011年起,我国开始存储秒级高垂直分辨率探空数据,为深入研究中国各地的湍流特征提供了可能。在用探空资料诊断分析湍流特征时,首先分析了中国地区仪器噪音对分析结果的影响,证实噪音会使对流层平均的湍流耗散率偏小,证明了去除噪音的必要性。在此基础上,采用Thorpe分析法详细分析了湍流的强度(湍流耗散率)与下垫面类型的关系。结果显示,在对流层,全年平均草地的湍流最强,然后依次是旱地作物、水田作物、灌木、荒地。在平流层下层依然受到下垫面的影响,全年平均草地的湍流依旧最强,旱地作物次之。湍流在不同下垫面均表现出明显的季节性,且夏季对流层上层的强度和频率最高。研究结果将有助于理解不同下垫面对流层的湍流特征,为航空器飞行安全保障、大气污染扩散模式、天气预报模式的湍流参数化方案改进提供参考。

加密探空资料在强对流天气过程中的应用分析

强对流天气的发生发展与大气稳定度、水汽条件、高低空冷暖平流和垂直风场配置等关系密切,而这些信息都可从探空资料中获取。利用百色站加密探空资料,分析了百色站2016年6月14—15日出现的强对流大风天气发生发展过程。结果表明:利用探空资料中新增加的各种图形功能和内容,通过气球运动轨迹可分析该区域大气的运动方向和气流上升或下沉的高度、强弱,为系统未来的发展提供预报依据。使用埃玛图可以分析大气层结特性,判断大气静力稳定性及对流不稳定性;根据风随高度变化曲线图中风的演变情况,辅以自动站、雷达和天气图等资料,为探索利用加密探空资料分析预报强对流天气提供了思路。