地基微波辐射计与GPS无线电探空和GPS/MET的观测对比分析

利用同址GPS无线电探空和GPS气象学(GPS/MET)的观测数据,对微波辐射计反演的气象要素进行了对比分析。与GPS无线电探空结果对比,微波辐射计的温度和水汽密度廓线具有很好的正相关,而微波辐射计相对湿度廓线的正相关系数受到天气的明显影响。微波辐射计和GPS无线电探空的观测结果之间具有系统偏差,该偏差在无降水时较小,而在有降水时较大。这个系统偏差可能与两种探测设备采样方法的差异、微波辐射计反演算法以及降水影响等有关。尤其是降水时,天线罩上形成的液态水将会导致亮温测值的偏高,进而会给反演结果带来较大的系统偏差。降水的影响同样会体现在微波辐射计反演大气整层可降水量上。与GPS无线电探空结果相比,在无降水时,微波辐射计的可降水量偏小,两者的系统偏差在4 mm以内,而在有降水时,微波辐射计的可降水量明显偏大,两者的系统偏差也较大。与GPS/MET的结果相比,微波辐射计的可降水量总体上偏大,在无降水时,微波辐射计的可降水量与GPS/MET的结果具有很好的正相关,两者的系统偏差小于2 mm,而在有降水时,随着雨强的增加,微波辐射计与GPS/MET可降水量之间的相关系数会减小,同时两者的系统偏差会增大。

毫米波雷达与无线电探空对云垂直结构探测的一致性分析

在众多种针对云垂直结构的探测中,毫米波雷达可获取云底、云顶、云厚等完整的云垂直结构信息,并可以连续监测云的垂直剖面变化,是有力的探测手段之一。而无线电探空因其直接的测量优势,能直观、确切地描述大气湿度垂直结构,可将其进一步处理生成云垂直结构信息,并作为一种数据源用于与毫米波雷达云垂直结构探测结果进行比对,以评估毫米波雷达针对云宏观垂直结构的探测性能,为毫米波雷达更好地应用于云探测提供参考。通过获取位于北京南郊观象台的毫米波雷达2014年10月28日至2015年2月17日长达113天连续观测的反射率因子以及探空温、压、湿数据,设计或选取合适的方法对二者进行云边界的计算,并进行云高(包括云底高和云顶高)以及云层数的一致性比对分析。结果认为,除对于高层云的云顶高度毫米波雷达由于探测限制不能探测到10 km以上的云顶,某些时刻与探空产生较大差异外,在云底高度以及中低云的云顶高度上可以与探空观测取得很好的匹配效果,对于云的垂直分层上二者也有较强的一致性。该毫米波雷达具有较为准确并连续刻画10 km以下云垂直结构的能力。

气溶胶激光雷达和无线电探空观测边界层高度的对比分析

利用北京地区2017年11月至2018年1月连续3个月的激光雷达资料和无线电探空数据,按照清洁天、污染天和多云天3种天气条件,对大气边界层高度的计算方法和结果进行对比分析。结果表明,基于激光雷达消光系数的梯度法、标准差法和小波法都能够较好地提取边界层高度。清洁天标准差法计算的边界层高度高于梯度法和小波法,08:00(当地时间,下同)和20:00由无线电探空得到的清洁天边界层高度平均值分别为1176 m和1224 m。污染天标准差法的计算结果要低于梯度法和小波法,污染天无线电探空得到的边界层高度平均值约为956 m,和清洁天相比降低了两百多米,重污染时最低降低至562 m,逆温层高度和PM2.5浓度具有明显的反相关关系。有云时,梯度法和小波法确定的边界层高度和云高非常接近,标准差法计算的结果略低。总体而言,气溶胶激光雷达计算的边界层高度随着污染等级的提高没有明显的降低趋势,相反在重度污染情况下反而有所增加,这可能是由于污染物的不断堆积导致的。梯度法确定的边界层高度易受到污染物传输过程的影响,略高于逆温层高度。另外,激光雷达确定的边界层高度受到残留层影响时,也会高于逆温层。

热带平流层多尺度波动分离方案的研究:多站点高分辨率无线电探空联合分析

利用太平洋地区台风过境期间6个热带气象站的高分辨率无线电探空资料,结合扩展经验正交函数(EEOF)展开,对热带下平流层行星波和重力波扰动进行了分离,给出了一种热带地区提取重力波扰动的新方案。对观测数据做EEOF展开后,选择表征行星尺度波动模态的特征向量和相应权重进行气象要素场的重建。结果显示,在不同的台风过程期间,温度、纬向风和经向风的重建扰动量显示出不同的动力学偏振关系:在准两年振荡(QBO)东风位相时与赤道开尔文波的偏振关系一致,而在准两年振荡西风位相时与混合罗斯贝-重力波(MRG)的偏振关系一致。把行星尺度波动模态从原始观测中剔除,得到新的扰动廓线,对其进行重力波垂直波数谱的谱型拟合。结果发现,与以往方法提取的重力波扰动相比,新方法所得谱型参数中特征垂直波长λ~*在不同时期不同站点变化很小,稳定在1.7 km左右,且低频波数段谱斜率s的数值与理论假设1十分接近。综合其研究结果可以推测,用新方法提取的热带重力波扰动更加符合当前的理论垂直波数谱模型。

邢台地区微波辐射计与无线电探空仪数据对比分析

利用2018年1月至2019年12月河北省中南部地区的微波辐射计和探空数据,将两种探测设备取得的资料在时间和空间上进行点对点匹配,共筛选出187条晴空廓线、1176条云天廓线和12条毛毛雨天廓线,定量分析了各个高度层的晴天、云天和毛毛雨天气条件下两种大气探测设备的温度、相对湿度和水汽密度廓线的相关性及误差情况。结果表明:3种天气条件下的微波辐射计与无线电探空仪温度和水汽密度的相关性整体较好,地基微波辐射计观测的大气参数分布存在不同程度的差异,但是微波辐射计和探空的变化趋势一致性较好,并且无线电探空仪观测的大气参数和微波辐射计反演的温度、相对湿度和水汽密度相关性整体上均呈现低层大气优于高层大气,温度相关性最好,水汽密度次之,相对湿度最低。通过对比各个高度层的拟合程度,发现3.5 km以下的低层大气参数精度更可靠,对于需要间接计算的大气物理量,如K指数、有效位能、积分水汽含量等,使用低层数据计算的大气物理量精度会更好。本文开展的地基微波辐射计反演的大气物理参数与探空仪观测对比研究工作,对提高微波辐射计在大气物理和人工影响天气的探测精度方面具有参考意义。

利用探空产品评估GNSS-PPP估计ZTD精度

无线探空测站可以提供高精度和高垂直分辨率的大气产品。为评估GNSS精密单点定位获得的天顶对流层延迟(ZTD)的精度,将无线探空产品获得的ZTD作为真值,选取中国地区4个IGS观测站及其附近的探空测站2014—2018年的数据进行试算和分析。针对两种产品空间分辨率不一致性问题,利用GNSS气象观测值来弥补探空测站与GNSS测站高程的不匹配。实验结果表明:GNSS气象观测能够较好地弥补探空测站与GNSS测站高程的不一致性;GNSS精密单点定位技术获取的ZTD与探空产品估算的ZTD差值的RMS值小于4cm。

一种新的GPS无线电探空测风系统

一种新的ＧＰＳ无线电探空测风系统ＤａｖｉｄＢ．Ｃａｌｌ（美国大气仪器研究公司）１引言ＧＰＳ－７００是一种新的无线电探空测风系统，用来测量大气压力、温度、湿度（ＭＥＴ资料）及风向风速。这种ＧＰＳｏｎｄｅ＂（无线电探空仪）用转换后的ＧＰＳ（全球定位系统）...

可用于探测大气CO_2垂直廓线的无线传感系统

大气CO_2是一种温室气体,在气候变化等领域起着关键作用。基于NDIR技术研制了可用于探测大气CO_2垂直廓线的无线传感系统。系统采用电调制型的红外辐射光源、双通道探测器并结合超低功耗单片机实现大气CO_2信号的采集与控制。提出采用调制信号周期内扣除信号起伏与背景噪声的方法,使得本系统具有0.29%的相对测量误差。通过分时工作的方式解决了数字式无线电探空仪中高频发射机对CO_2检测电路运算放大器的电磁辐射干扰,进而实现了气象探空仪与小型化的CO_2探测系统的高度集成。通过与地面LI-COR LI7500对比分析,两者表现出较好的一致性,24 h测量数据的相关性达0.89,表明所研制的探测系统的稳定性与准确性。为实现大气CO_2垂直廓线的探测提供一种选择。

山基GPS掩星折射率与探空折射率比较

本文简要阐述了山基GPS掩星数据处理过程,介绍了雾灵山（40.60°N,117.48°E,～2118 m）山基GPS掩星观测实验的基本情况,将雾灵山山基GPS掩星折射率与探空折射率进行了比较.按照山基掩星和无线电探空在空间（经纬度）上相差在2°以内、时间上相差在1.5 h以内的条件,共选出了206个山基掩星折射率廓线样本用于比较分析.山基掩星折射率与探空折射率的个例比较,表明山基掩星折射率廓线合理,且和探空折射率基本一致.统计结果显示,在2100 m以下,山基掩星折射率与探空折射率相对偏差的平均值为-2.0%,标准偏差为7.3%.

探空和毫米波云雷达探测云高一致性的时空匹配原则研究

利用探空检验毫米波云雷达的测云能力时,探空气球的漂移偏差造成二者观测的误差不可忽视.因此,在二者探测云结构对比时,提出筛选二者样本的时间匹配和空间匹配原则,可有效减小探空气球漂移偏差引起的误差.通过分析西安泾河气象站2017年8月17日至2018年12月31日长达508天的探空和毫米波云雷达观测的共406组云底和云顶高度样本,结果表明,同时使用时间和空间匹配原则筛选探空和云雷达的云高样本时,二者观测的相关系数显著提高,有效减小探空漂移引起的误差.二者观测的云底和云顶高度的相关系数分别从未使用时空匹配原则筛选样本的0.70和0.66提高到0.98和0.97,均方根误差分别从未使用的2009 m和2148 m减小到602 m和708 m,平均绝对百分误差分别从未使用的47%和47%降低到14%和9%.筛选样本时仅使用时间匹配原则就可以大幅提高二者观测云底高度的相关系数,平均相关系数从未使用的0.35提高至0.86,时间匹配原则筛选样本对于提高二者观测云底高度的一致性非常有效.在筛选二者观测云顶高度时,必须同时使用时间和空间匹配原则才能有效提高二者观测一致性.无论有没有使用时空匹配原则筛选样本,探空观测到的云底和云顶高度均比云雷达观测到的高.另外,探空和云雷达观测的云底和云顶高度的相关系数不随二者相对距离的增大而减小.研究结果有助于评估毫米波云雷达对云宏观垂直结构的探测能力.

前进中的四川高空气象探测

一、建成高空探测站网。建国前全省仅有重庆沙坪坝测风站一个,建国后,于1952年12月首先在成都建成第一个无线电探空站。经过多年调整,现有探空站8个,小球测风站1个。覆盖面达99.2％以上,基本能满足天气预报的需要。其中成都、重庆、甘孜和西昌等4个探空站参加了 WMO 组织的全球探空实时资料交换。

地基GPS/MET探测水汽等相关参数精度分析

基于对大气中水汽重要性及GPS测量大气水汽优势的双重认识,进入本世纪以来,华东区域各省气象部门联合与测绘院、天文台等其他部门建起了相当规模的GPS气象探测网(GPS/MET)。根据2010年华东区域地基GPS/MET数据,选择与GPS站相距10 km内的无线电探空站资料,对华东区域地基GPS/MET反演的大气整层可降水量(PWV)、大气整层湿延迟(ZWD)和大气整层总延迟(ZTD)进行精度检验,结果表明:(1)GPS/MET反演的PWV与探空结果相比具有很高的一致性,平均误差在1 mm以下,相对误差11.54%;GPS/ZTD反演的精度更高,百分比误差小于1%。(2)反演的各个量与探空资料具有很高的相关性,其中平均相关系数中PWV和ZWD都超过0.98,ZTD为0.977。对GPS/PWV精度按季节进行相关系数分析得,除夏季相关系数为0.927,相对较低,其余季节相关系数均为0.96以上。(3)以本地的无线电探空站资料为基准,与NCEP再分析资料对比发现GPS/PWV的反演精度要优于NCEP再分析场资料反演的大气整层可降水量。因此区域GPS/MET网反演的产品对提高灾害性天气的监测和预报能力,改进数值天气预报精度已显示出广阔的应用前景。

一种中国区GNSS加权平均温度分层格网模型

为了进一步提升大气加权平均温度(T_(m))模型在地基全球卫星导航系统(GNSS)反演可降水量(PWV)中的精度,提出一种中国区GNSS加权平均温度模型:针对中国地势复杂多变,气候多样的环境特征,基于1990—2019年欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析数据集(ERA5),综合考虑T_(m)的季节性变化及长期线性趋势,构建T_(m)的分层格网模型(CT_(m)S);然后以74个无线电探空站提供的2020年气象数据为参考,评估CT_(m)S的精度及可用性,并利用第三代全球T_(m)模型(GT_(m)-III)及全球气压温度(GPT3)模型进行对比验证。结果表明:CT_(m)S模型的均方根偏差(RMSE)均值为4.0 K,较GPT3及GT_(m)-III模型分别提升21.6%及8.0%,且在高海拔地区表现出明显的精度优势;CT_(m)S模型的PWV不确定度均值为0.32mm,相比于GPT3及GT_(m)-III模型分别减少16.6%及6.5%,且在中国西北地区表现出更优的精度及稳定性;提出的模型可为中国地区GNSS实时水汽监测提供参考。

北京气态污染物变化与空中水汽变化的比较研究

气态污染物(SO2、NO2、CO)是形成PM2.5的主要来源。水汽是影响天气变化的关键要素,也是导致霾灾害天气发生的关键因子。水汽的变化是否影响空气中气态污染物的质量浓度变化?该文通过北京2013年地面气态污染物和无线电探空水汽的比较,发现:秋冬春季节PWV变化与SO2、NO2、CO变化呈显著正相关(相关性>0.5),与O3变化呈负相关;这一相关性在降水较多的夏季并不明显。秋冬春季节无线电探空分层水汽与气态污染物变化的比较中,第3、4、5层水汽变化与气态污染物变化的相关性最佳,由此推断:空中水汽层在较为湿润的时候是地表气态污染物(SO2、NO2、CO)无法向上扩散;而O3与大气层水汽相互融合,因而呈现负相关特性。根据这一推断可知:在少雨的秋冬春季节,当空中水汽层较为湿润,地表气态污染物(SO2、NO2、CO)无法向上扩散,因而形成地表霾天气。

国产MWP967KV型地基微波辐射计探测精度

MWP967KV型地基微波辐射计是我国自主研发,拥有完整自主知识产权的新型大气微波遥感探测设备,为了实现国产设备在气象业务中的应用,需对设备的探测精度进行对比分析。利用2015年8月-2018年3月四川盆地南部山区的无线电探空数据和地基微波辐射计数据,分析晴空和有云天气条件下温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线及相关物理参数的精度。结果表明:晴空、层积云和高积云的微波辐射计与探空仪的温度、水汽密度和相对湿度相关系数整体上分别在0.9890,0.9665,0.5868以上,均达到0.01显著性水平。3种参数廓线的相关系数整体均呈地面大于高空,仅温度廓线相关系数达到0.01显著性水平,相对湿度廓线和水汽密度廓线在高空的相关系数未达到0.01显著性水平。3种参数的相关性整体上温度最高,水汽密度次之,相对湿度最低。温度、相对湿度和水汽密度的均方根误差平均值分别为2.8℃,22%和1.38 g·m^-3,温度廓线和相对湿度廓线在层积云和高积云的云中及云上的精度明显降低,均方根误差较云层下温度升高1℃~2℃,相对湿度增大10%~20%。逆温层会影响廓线及物理参数的精度。晴天或云天等大范围相似天气条件下,探空气球飘移距离与温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线偏差的相关性较弱。

基于激光雷达的边界层高度探测研究

将激光雷达与无线电探空的边界层高度做一分析对比,并且对城市与郊区的边界层激光雷达探测结果做一对比分析。结果表明:市区边界层有一典型的日变化特点,早晚比较低,日间有一个低到高、再从高到低的过程;激光雷达探测结果与无线电探空结果比较吻合;市区边界层高度高于郊区。

中国风能开发利用的风环境区划

基于大气边界层气象和气候学理论分析以及中尺度数值模拟,采用秒级探空气象资料和典型地形激光雷达观测资料,依据风能利用高度内总体风能资源开发潜力,划分出9个风环境区。年平均风能环境指数最高的风环境区是北方通风廊道,其次是东北平原,最低的是青藏高原下游地区。发现在稳定大气条件下,风能利用高度内的平均风速垂直变化呈两层分布形态,下层平均风速随高度的增速比上层大2~5倍。下层风速的垂直变化取决于地表特征,上层则受上游大地形造成的局地环流影响,由此形成不同风环境区风能资源特性的差异。最后给出构建不同地形条件下平均风廓线计算方法的建议。结论可为中国风能资源评估理论拓展与数值模拟、风电场选址和适用复杂地形条件的风电机组设计提供科学支撑。

基于无线电探空的武汉大气加权平均温度模型研究

以武汉地区为例,本文推导无线电探空推导的大气加权平均温度模型并对其可靠性进行检验。采用武汉无线电探空数据推算武汉地区的大气加权平均温度计算模型,以此模型计算GPS可降水量,通过与无线电探空结果比较来检验该模型的精确度。在WHDH站GPS可降水量与无线电探空的比较中,两者差值的均方根为3.0mm,两者的相关性达到了0.952。利用中国地壳运动监测网络2002年武汉站GPS数据和武汉地区大气加权平均温度模型推算的可降水量与无线电探空比较,GPS可降水量与无线电探空可降水量在数值上和发展趋势上比较接近,说明了无线电探空的大气加权平均温度模型的可靠性。

基于无线电探空资料反演大气水汽资源的垂直层结特征

利用1999—2009年的探空资料分析北京地区对流层大气水汽资源的垂直层结特征,采用韦伯和指数分布拟合大气水汽密度的概率密度函数。初步结果表明,各层拟合均通过卡方拟合优度检验,拟合相关系数高,精度高,均方根误差小;韦伯和指数拟合平均相关系数分别为0.93、0.95;拟合均方根误差分别为0.009、0.01 g/m3,北京地区大气水汽资源的垂直分布符合指数分布规律;有降水时,对流层水汽密度有一定的垂直层状结构,无降水时,水汽密度随高度增加递减。

微波辐射计反演大气廓线精度及降水预报应用

利用2018年6月—2021年7月陕西西安泾河站MWP967KV型地基微波辐射计反演数据和L波段探空数据,分析晴天和云天(低云、中云、高云)微波辐射计反演的大气温度、相对湿度、水汽密度的精度,探讨相关产品在降水过程中的应用能力。结果表明:晴天和云天微波辐射计与探空的温度相关系数均为0.99,水汽密度相关系数均为0.97,相对湿度相关系数均低于0.50,均达到0.01显著性水平;晴天和云天的温度差异较小,但云天相对湿度均方根误差超过25%,较晴天的19.54%明显偏大,且3种参数均越接近地面反演精度越高。在不同云类型条件下,3类云的温度差异较小,低云相对湿度均方根误差和偏差最大,分别为26.85%和9.51%。对降水个例分析表明:在临近降水发生前空中相对湿度、液态水含量、大气可降水量和液态水路径均明显增长,这可作为降水可能发生的指示因子。降水前1 h大气可降水量达到4 cm,液态水路径达到0.2 mm,可作为判断降水发生的参考阈值。