NUMERICAL STUDY OF REMOTE SENSING OF CLOUD LIQUID WATER CONTENT BY SPACE-BORNE COMBINED RADAR-RADIOMETER

A retrieval method of microwave(MW)space-borne remote sensing of cloud liquid water content by the combined radar-radiometer is suggested.A three-layer cloud model is chosen to represent the typical stratified precipitating cloud.The retrieval method mainly follows our previously suggested scheme with some modifications.Numerical comparative study shows that in space-borne remote sensing of cloud liquid water content by the combined method is much better than by radar only;Also the retrieval accuracy of cloud liquid water content may be improved when using the three-layer cloud model in the combined method.

An airborne microwave radiometer and measurements of cloud liquid water

A single-channel (9.5 mm) airborne microwaveradiometer with one antenna is developed. The retrievalmethods and primary observation results of cloud liquidwater and super-cooled cloud liquid water are discussed. Theaircraft experiments show that the cloud liquid water andsuper-cooled liquid water can be sensitively monitored atsome level of accuracy by the radiometer. The results ofcloud liquid water content are reasonable and correspondwell with the surface radar echo intensity. The design of theairborne radiometer and its retrieval methods are feasible,giving it application value.

机载微波辐射计测云中液态含水量

文中介绍了 2 0 0 1～ 2 0 0 2年 4～ 7月吉林省人工增雨期间 ,在中国首次进行的机载对空微波辐射计外场飞行观测试验。观测结果表明 ,仪器可以灵敏地探测出层状云中垂直路径积分云液态水和过冷水含量及其变化 ,揭示了在层状云中嵌入的对流区中有丰富的垂直积分过冷水含量 ,量级可达 10 3 g/m2 。与地面雷达PPI回波强度呈正相关。本文还根据飞机上升 (或下降 )过程的探测数据 ,给出了水平均匀的层状云液态含水量的垂直廓线的实例 ,并进一步讨论了这种方法的应用前景。

机载微波辐射计测云中液态水含量(Ⅱ):反演方法

介绍了机载对空微波辐射计探测云中路径积分液态水含量(L)的辐射传输原理和反演方法;根据吉林省长春市的历史探空资料和典型的层状云液水垂直分布模式,得到该地区4～7月各月随高度而变化的反演公式系数的表达式,并给出了反演误差的数值模拟检验结果:在地面反演值对"真值"的统计相对偏差是15%～25%,在6km高度处为5%～10%,表明该方法已具有实用可接受的精度。此外,为减少由于回归样本中云液水廓线的"失真"给反演造成的误差,本文在对探空廓线作诊断建立云液水廓线时,引入了实际目测最低云底高的信息。数值模拟比较表明,该措施行之有效,使对流层中下层几乎所有高度上L反演值的精度提高了5%～20%,观测高度越低,精度提高的越多。

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。

地基微波辐射计探测在黄河上游人工增雨中的应用

利用2003、2004年夏秋季在青海省河南县的地基双频段微波辐射计连续观测资料，在实施系统探测实验以进行辐射亮温值（TB（23．87），TB（31．65））与大气汽态总水汽含量（Q）和云中积分液态水含量（L）值反演处理的基础上，分析了黄河上游河曲地区的云水特征，并进行了降水预测及人工增雨作业指标的探讨。结果表明：在黄河上游河曲地区，7—9月纯晴天无云天气条件下，L值基本为0，表明了统计回归反演的显著性。多云条件下Q值和L值分别在3．76～4．75g·cm^-2、227．34～859．42g·m^-2的范围内。可降水云天气，Q值在5．23～8．65g·cm^-2间，L值在421．18～1016．37g·m^-2的范围内；积雨云个例分析表明，在降雨开始前近5小时的降雨酝酿期内，Q及L的增加有明显的波动，但在对流云出现并发展时，Q和L总是急剧上升，在降雨前达到一峰值；由河南站和西安站的Q、L值比较差异可以看出，Q、L值受水汽输送、地形等因素的影响，黄河上游河曲地区的人工增雨潜力有显著的优势；所计算出的降水预测阈值。可作为该地区人工增雨作业指标的参考。

西太平洋赤道海域上空可降水和云液态水的遥感分析

根据1985—1989年中国科学院组织的西太平洋热带海域(0—5°N,110—150°E)综合考察过程中船载双通道微波辐射计五年累计获得的22599组观测资料,以及NOAA极轨卫星资料,综合分析了该海域中水汽总量和云液态水的统计特征及其年际变化,水汽场的整层与下层关系,可降水的日变化及空间分布等特征.指出了某些与陆地上不同的特点,为气候及海上边界层研究提供了有意义的观测事实.同时,给出了五年中辐射计探测与探空测值的统计比较结果.

机载微波辐射计反演云液水含量的云物理方法

用一维层状云模式产生云样本,通过统计回归求得机载对空微波辐射计测云中路径积分液态水含量的反演系数,与用历史探空统计资料作相对湿度诊断产生云样本的反演方法进行了比较,并通过因素分析、数值模拟检验等方法对机载微波辐射计的探测误差进行估计。对2001年7月8日的个例分析表明,用云模式得到的统计样本,由于加入了对层状云物理过程的考虑,较为符合当天的实际天气情况,在一定程度上减小了由于背景大气条件、云温、云内含水量的垂直分布等的不确定性所引起的反演误差。对反演精度的数值模拟检验表明,各高度层的均方根相对误差在9.5%-12.7%之间,反演精度在所有高度上都高于原方法。对探测误差的因素分析表明,与仪器漂移及背景场引起的误差相比,由云液水垂直分布的不确定所引起的误差是不可忽略的。因此为进一步提高反演精度,根据实际宏观观测资料,对云模式产生的大量样本进行筛选,从中选取与实际云况较为符合的云样本进行拟合,结果表明,采用这一措施可以使反演精度得到进一步改善。

降水云中液水含量的空基遥感

在建立不同降水云垂直结构模式的基础上 ,利用矢量微波辐射传输模式进行空基云雨遥感的数值试验。结果表明 :星载微波辐射计 6 9GHz通道对降水云的冰层很不敏感 ,而对降水云柱总液水含量 (LWC)非常敏感 ;辐射亮温 (Tb)随LWC呈单调变化关系 ;进一步考查这个频率下Tb 的两个极化分量差ΔTb( =Tbv -Tbh)和LWC的关系发现 ,不同云结构 (对流云和层状云 )对ΔTb LWC关系影响较小。研究分析表明 ,6 9GHz的v。

利用地基双通道微波辐射计遥感青藏高原大气云水特征

利用 1 997年春季西宁市地基双通道 ( 2 2 .2 35和 35.3GHz)微波辐射计观测的资料 ,分析了不同月份、不同天气条件下的大气总含水量 ( V)和云中液态水积分含量 ( L)的分布规律。结果表明 ,在相同天气条件下 ,L 值 3～ 5月均呈逐渐递增的趋势 ,增加幅度一般为 2 0 %～ 4 0 % ,V值变化幅度很小 ;春季高原 L值大约只有 V的1 %。与河北省的资料进行对比后发现 ,L 值基本相当 ,而 V值高原只有平原地区的30 %～ 50 %。

地基微波辐射计资料在降水分析中的应用

利用武汉MP-3000A型地基微波辐射计,采集降水前大气水汽含量和云液态水含量数据,结合历史观测的气象资料,详细分析了降水前一小时大气水汽含量、云液态水含量的分布和演变与降水的关系,结果表明:1)大雨开始前一刻对应的V(大气水汽含量)值≥6.5 cm,中雨对应的V值接近6 cm,小雨对应的V值在5～6 cm之间;2)V值超过5 cm,L(云液态水含量)值超过1 mm可以作为判断降水临近的一个参考指标;3)降水开始前一小时,大气水汽含量的增长大致分为平稳增长和先增长到一个峰值然后下降,在临近降水前5～10 min又再次跃增这两种情况;4)将各量级降水前一小时的L、V值去除背景值后可发现,L值的大小、波动范围及波动趋势基本无变化;V值的大小和波动范围有所减小,但其波动趋势无明显变化;5)将数据做FFT变换后,V、L值在第一个转折点处表现出的不同特征可作为判断降水临近的一个指标。

地基微波辐射计反演的青藏高原东侧甘孜大气温湿廓线分析

微波辐射计能够获取分钟级别的大气温湿廓线,可以弥补气象探空在时间分辨率上的不足。本文利用青藏高原东侧甘孜站2017年8—10月并址观测的微波辐射计和探空资料,对微波辐射计反演大气廓线的精度进行分析,并利用这些廓线探讨甘孜大气热力和云水变化特征。分析结果显示,总体上微波辐射计反演参量与探空观测之间具有高相关系数,微波辐射计反演的温度、相对湿度和水汽密度与探空观测的偏差分别为1.3℃、-2%和0.71g·m^-3,相应的均方差分别为2.9℃、20%和1.08g·m^-3,非强降水对微波辐射计观测质量的影响较小。微波辐射计与探空的温度偏差在多数高度层上小于2℃,能够达到气象业务的偏差要求。非雨天时微波辐射计与探空的相对湿度偏差在多数高度层上约为10%,雨天时相对湿度偏差在3.5km以下小于5%。基于甘孜微波辐射计资料的统计分析发现,甘孜大气具有白天干热、夜间湿冷的日变化特征,云液态水含量白天较小、夜间较大,而且白天低层云发展较弱、云底较高,夜间低层云发展较强、云底较低。云液态水含量在云天和雨天具有相似的垂直结构,云液态水含量随高度增加先快速增大,然后在一定高度内波动变化,之后又快速变小,能够较好地指示入云和出云的特征。此外,云天低层云的云体主要处在0.1-2.5km高度,而雨天低层云的云体分布高度范围更大为0-3.5km高度。这些分析结果表明,微波辐射计反演大气廓线在甘孜具有可用性,能为定量研究云特征提供科学数据。

一次降水过程云液态水和降水演变特征的综合观测分析

利用IP/WVP-3000地基微波辐射计、多普勒雷达结合卫星及地面雨量计等多种遥感观测资料,对2007年6月30日北京地区的一次积层混合云降水过程的云液态水和降水的分布及演变特征进行了综合观测分析。分析表明:降水开始前,辐射计液态水含量有明显增加,地面降水的产生滞后于液态水含量增加一段时间,利用这种现象,可用于提前预测云系正处于降水产生的发展阶段,应用于人工增雨作业。在相同时间对同一位置进行探测的雷达和辐射计资料显示,雷达回波垂直分布趋势与辐射计液态水的垂直分布趋势有着较好的对应关系。此外空中液态水分布,特别是低层液态水的分布,与地面降雨的产生有着直接的关系。

西太平洋热带海域的水汽和云的变化特性

本文依据1987年9—11月西太平洋热带海域海洋大气综合考察中双波长微波辐射计观测系统和红外窗区辐射计所得到的观测资料,分析研究了考察海域的水汽和云的变化特性,得到了一些有意义的结果。双波长微波辐射计观测系统可以获得水汽场的动态变化和云中液态水的演变;西太平洋海域的个例显示出辐合区的垂直气柱水汽含量比非辐合区的明显大的特征;用红外亮度温度可以近似估计晴空大气垂直气柱水汽含量。

云雷达联合微波辐射计反演混合性降水层云液态水含量的方法研究

单独利用云雷达反演液态含水量（LWC）廓线,由于降水粒子与冰相粒子的影响,反演结果误差较大。单独利用微波辐射计反演LWC廓线,由于无法得到云的垂直结构,结果也不理想。在云雷达联合微波辐射计反演暖云LWC廓线方法的基础上,根据回波强度区分云滴粒子与降水粒子,根据温度区分云滴粒子与冰相粒子,建立粒子分布模型,提出了利用云雷达回波强度数据与微波辐射计液态水路径数据（LWP）联合反演混合性降水层云LWC廓线的算法,基于2014年6月6日与7日两次混合性层云降水个例,联合反演LWC廓线,分析了该联合反演算法的稳定性和合理性,结论如下：（1）与直接用单一Z-LWC经验关系的方法相比,根据联合反演算法,剔除回波强度中的冰相粒子信息,区分云滴粒子和降水粒子,并采用不同Z-LWC经验关系的方法更加合理。（2）影响联合反演算法的7个参数（非降水粒子Z-LWC经验关系的系数a1与b1等）中,降水粒子Z-LWC经验关系系数a2与b2的改变对联合反演算法结果影响稍大,偏差在20%～30%左右,而其他参数的改变对结果的影响很小,偏差小于5%,联合反演算法的稳定性较好。（3）联合反演得到的LWC廓线与微波辐射计输出的LWC廓线相比,廓线分布更为合理。

基于神经网络的水汽/液水含量反演方法研究

地基微波辐射计频段上接收的辐射亮温与描述天气和气候的物理量大气中水汽总量和云中液态水总量并非是完全线性关系,而这种非线性问题可被神经网络算法解决。利用郑州地区的历史探空资料模拟计算24 GHz和35 GHz双通道的亮温值及地面的温度、气压和相对湿度构成输入向量,同一探空资料计算出来的大气中水汽总量和云中液态水总量作为输出向量训练BP神经网络,把验证样本输入到训练好的网络中进行仿真,结果显示与探空计算作为真值的的大气中水汽总量和云中液态水总量进行对比检测发现两者有很好的相关性,其相关系数分别为0.953 82和0.934 75,验证了方法的有效性。

微波辐射计反演大气温湿度廓线与降水相关性分析

利用辽宁省阜新蒙古族自治县QFW-6000型地基微波辐射计和邻近探空资料,对微波辐射计反演精度进行评估,分析云中积分液态水含量、积分水汽含量与降水量的变化特征。结果表明:微波辐射计的反演参量与探空资料具有高相关性,反演的相对湿度基本大于探空测量的相对湿度,近地面与高层的误差在5%以内。基于云中积分液态水含量与降水量的统计分析发现,降水开始前存在明显跃增,云中积分液态水含量会快速增大到1 mm以上,随着降水的持续,云中积分液态水含量一直维持在2 mm以上,当降水结束,云中积分液态水含量迅速回落至0.2 mm以下。积分液态水和积分水汽含量为雨天>云天>晴天,积分水汽含量在不同天气下具有相似的垂直结构,均表现出随高度升高递减的变化趋势,水汽在高空的递减速率相对较慢,到近地层递减速率明显加快;云中积分液态水含量在云天和晴天的垂直分布结构相似,最大值分别为0.15 g·m-3和0.10 g·m-3,均位于1 km高度处;雨天云中积分液态水含量具有两个峰值区间,分别位于1.0 km和2.5 km高度处。云中积分液态水含量和积分水汽含量呈现白天高值而夜间及清晨低值的日变化特征,云底高度则呈相反的变化趋势。

基于云雷达和微波辐射计反演混合云液态水含量的算法

液态水含量（LWC）是重要的云微物理参数，为反演得到混合云的LWC廓线，分析和总结Z—LWC经验关系，根据冰相粒子与温度的分布模型，剔除冰相粒子对z的贡献，提出联合反演混合云LWC垂直廓线的方法。利用2013年4—8月，在广东三水和四川理塘外场试验数据，分析雷达反演的液态水总量与微波辐射计LWP数据的相关性，确定数据的可用性，并利用联合反演算法进行混合云的LWC的反演试验，结论如下：反演算法由于引入微波辐射计LWP数据，减小由于Z—LWC关系的实际变化而带来的误差。

基于微波辐射计的宁夏六盘山西侧大气水汽变化特征

采用隆德气象站2 a德制微波辐射计与同期1 h降水量资料,利用统计法分析了六盘山脉西侧大气水汽含量以及云液态水含量的时间分布特征,并分析了92次不同降水性质、不同降水量级的降水个例,得到降水前跃增时间的变化特征。剔除降水背景结果统计表明:(1)六盘山西侧大气水汽含量和云液态水含量有明显的季节变化,其中夏季是大气水汽含量最多的季节,平均为23.44 mm,占年均水汽含量的47.7%。(2)大气水汽含量和云液态水含量日变化呈一谷一峰分布,春、夏、秋三季均在午后出现最大峰值,冬季在11:00出现峰值;大气水汽含量低值区春、夏、秋季出现在日出前后,冬季出现在22:00。(3)87.0%的降水个例在降水发生之前大气水汽含量都在12.00 mm以上,且其值随着降水的量级增大而增大。(4)降水前云液态水含量发生明显跃增现象,春、夏季表现强,根据降水性质及降水量级不同,降水前跃增时间也不同。研究结论对把握人影作业时机具有一定的参考价值。

微波辐射计观测数据在降水预报中的应用

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2007~2010年夏季地基12通道微波辐射计观测数据,对半干旱区降水前和非降水过程的水汽含量和云液态水含量的变化特征进行分析。结果表明：（1）水汽含量达到2.20 cm可以作为半干旱区降水预报的阈值。水汽含量随时间变化比较平缓,变率约为0.06 cm/h,且降水前24 h内水汽含量均〉2.20 cm;或者水汽含量开始较小,但降水前水汽含量随时间出现拐点,之后变率开始增加,可达0.19 cm/h以上,进而使水汽含量〉2.20 cm。这2种情况均可预报可能有降水产生;（2）云液态水含量达到0.20 mm可以作为降水预报的阈值,且降水前云液态水含量随时间变化出现拐点,之后变率开始增加,可以预报1 h后可能有降水。