南京主要大气污染物季节变化及相关气象分析

为研究南京主要大气复合污染物PM_(2.5)、PM_(10)和O_3四季变化特征及其气象影响因子,利用2013年1月~2015年2月国控点环境监测数据对浓度特征进行统计分析,再利用WRF模式模拟的精细大气边界层气象场,分析气象要素与各污染物的相关性,并建立统计模型.结果表明:PM_(10)、PM_(2.5)冬高夏低,冬季日均值分别为160.6μg/m^3和98.0μg/m^3;日变化特征四季基本一致,但秋冬季最强,夏季最弱,且冬季上午峰值比其余三季延后1~2h.各季大气可吸入颗粒物中细粒子占主导,PM_(2.5)/PM_(10)年均值为0.59;首要污染物为PM_(2.5)、PM_(10)、O_3的年频率分别为51.5%、26.6%和13.5%,PM_(2.5)主导四季AQI的变化,尤其是在重污染的情况下,首要污染物为PM_(2.5)占96%.O_3浓度春末夏初高、秋末冬初低,日变化为单峰式;O_3与边界层高度呈显著正相关,四季相关系数分别为0.500、0.572、0.326、0.323.四季PM_(10)、PM_(2.5)、O_3_8h_max日值逐步回归方程拟合度为40%~65%.

FY-2E晴空风矢同化对台风分析和预报的影响研究

为了研究"二阶差分法"反演的晴空区风矢同化在台风分析和预报中的作用,以1509号台风"灿鸿"和1211号台风"海葵"为例,首先利用WRF-3DVAR系统对晴空风矢进行同化,探讨了晴空风矢的引入对模式初始场的影响。然后利用WRF模式对两个个例分别进行48 h的预报试验。通过对比控制试验和同化试验,结果表明,同化晴空风矢资料能够对初始风场和位势高度场进行合理的调整,在台风周围引导气流的作用下,台风路径与实况更靠近,从而提高了台风路径的预报效果。除此之外,同化晴空风矢对台风强度以及风场预报也有一定的改善作用,还可更准确地预报出降水的落区及雨强,提高降水预报质量。因此,晴空风矢的引入,有利于改善模式的初始场,从而提高WRF模式对台风的预报能力。

车载微波辐射计移动大气走航观测实验及初步应用

地基多通道微波辐射计能够实现大气温湿度廓线参数的实时观测与反演,在大气探测中已经得到广泛的应用。受观测方式和数据反演算法的限制,目前主要应用于地面固定站点上空的大气参数遥感探测,无法实现大气参数的移动观测。尝试将自主研制的地基多通道微波辐射计进行改进并安装在车载平台上,对车载微波辐射计移动大气观测可行性进行了验证。实验结果表明车载微波辐射计移动观测是可行的。利用车载移动走航观测数据,对西安城市热岛效应和对流有效位能(CAPE)进行了分析。结果表明,移动走航观测能够用于观测城市热岛效应,西安中心区域比郊区温度高1.0℃左右,城市中心的大气对流有效位能比郊区高1000~2000 J/kg。

基于交叉-平行法的双偏振雷达差分反射率硬件定标

双偏振天气雷达具有改善测雨精度及识别降水粒子相态的能力,但其系统自身有可能会对差分反射率因子(ZDR)的测量精度产生明显的偏差,从而降低气象产品的可靠度。美国利用升级为双偏振的WSR-88D进行了大量试验,认为需要校正传输信号在发射和接收通道路径上引起的差异。本文根据其试验报告,以我国研制的车载C波段双偏振多普勒雷达作为试验平台,对比分析后得出产生ZDR系统误差的主要来源为:发射通路、接收通路与天线支路。因此,使用交叉与平行法消除测试信号及设备产生的差异影响,对3部分路径重要节点进行测量并计算出水平、垂直两通道的相对偏差值,进而订正ZDR。其中,天线支路偏差值长期稳定,可相应减少测量次数;发射、接收通路的偏差值会随设备运行产生随机变化,需定期进行测量。以体扫模式最高仰角下的干雪为自然目标物的方法来验证定标的效果,结果表明此方法可较好地订正ZDR的系统误差,为今后偏振雷达业务应用提供了一套消除ZDR系统误差的有效方法。

浮尘气溶胶对沙漠大气边界层结构作用的昼夜差异

利用2016年7月塔克拉玛干沙漠腹地每日4次强化探空和地面气象观测数据,对比分析了夏季塔克拉玛干沙漠晴日和浮尘日的大气边界层结构变化及地表辐射收支差异,揭示了浮尘气溶胶对大气边界层结构影响作用的昼夜差异及作用机理。结果表明:(1)夜间晴日和浮尘日稳定边界层高度分别为270 m和360 m;晴日稳定边界层逆温强度达到3.1 K·(100m)^(-1),强于浮尘日的1.6 K·(100m)^(-1);白天晴日对流边界层高度接近3600 m,浮尘日仅达2700 m。(2)夜间浮尘气溶胶的向下长波辐射削弱了地表辐射冷却,抬升稳定边界层高度并减弱其稳定度。(3)白天晴日强的太阳短波净辐射加热沙漠地表,其强烈的感热作用形成了超高对流大气边界层;浮尘气溶胶明显减少了地表短波辐射和感热加热,降低了白天对流边界层高度。塔里木盆地独特的浮尘气溶胶辐射效应对沙漠地区大气边界层结构具有昼夜相反的影响。

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。

基于傅里叶谱分析的天气雷达图像插值方法

针对一种基于傅里叶谱分析原理的天气雷达回波强度图像插值方法,首先介绍了该方法的理论和算法步骤,然后进行了实际个例实验。结果表明:该方法比双线性插值方法能更好地凸显强对流天气情况下强回波区的结构特征,其本质是利用傅里叶谱分析获得产生对流性降水的"积状云"回波强度时空变化的谱特征,并进一步将谱特征用于观测数据离散点拟合、再进行重采样,有利于凸显一些因雷达分辨率低而探测不到的强回波中心。

机载W波段雷达衰减订正方法的不同云型模拟对比研究

为了探讨适用于机载W波段(94 GHz,3.2 mm)测云雷达的衰减订正算法,根据大气和云的毫米波衰减理论,模拟在5种典型参数情况下的非降水云雷达回波强度,基于回波强度Z与云衰减系数kc之间的关系,使用解析法等5种衰减订正算法进行回波订正试验,寻求最优kc-Z关系系数,同时研究改变云液态水含量和云滴数密度(使典型云变成为非典型云)对订正效果的影响。结果表明,W波段kc-Z关系系数a=5.096 5和b=0.491 9适用的云型接近于典型层积云,而逐库类法订正效果优于解析法和迭代法。在使用最佳kc-Z关系系数情况下,5种订正算法对典型云的订正效果都较好,即使云厚增加到典型云厚度的2倍,订正误差仍小于5%。对于改变云液态水含量、云滴数密度、云厚度而表示的非典型云,虽然逐库法订正结果略优于逐库近似2法和逐库近似1法,但效果相近,在云不太厚时订正误差均小于10%。如果用"φ≤10%或20%"来评价其适用范围更广些,优于解析法和迭代法。但逐库类法对云液态水含量较敏感,导致"可订正厚度"减小、误差增大。因此,要尽量做好云型和云液态水含量的估算。

南京雷达数据的一致性分析和订正

运用几何匹配法处理了南京雷达和热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)上搭载的测雨雷达(Precipitation Radar,PR)的反射率因子探测资料,统计分析了2008—2013年共245个时次的匹配数据。以TRMM PR工作多年持续稳定特征为参照,揭示了南京雷达6a的探测资料情况。结果表明,南京雷达和TRMM PR探测降水具有较强的一致性,6a时间里南京雷达存在一定的运行不稳定情况,南京雷达0℃层以下数据存在"3段特征":时段Ⅰ2008年1月—2010年3月,时段Ⅱ2010年3月—2013年5月,时段Ⅲ2013年5—10月。3个时段之间整体回波强度有差异,时段Ⅱ整体回波强度比时段Ⅰ、Ⅲ偏小2—3dB;而3个时段内的回波整体保持相对的稳定,南京雷达与TRMM PR的回波强度差值随回波强度的变化呈线性关系;在中低回波值时TRMM PR比南京雷达大,在中高回波值时南京雷达比TRMM PR大。基于两种雷达回波强度值的拟合关系,对南京雷达的反射率因子进行分段线性订正,有效地改善了南京雷达的一致性:3个时段回波强度的整体差异减小到0.75dB以内;在245个匹配时次和105894个匹配点上南京雷达和TRMM PR的反射率因子的相关系数增大,南京雷达-TRMM PR值的标准差减小。

广州夏季地基微波辐射计红外传感器观云性能分析

为进一步评估地基微波辐射计红外传感器的观云性能,收集了2017、2018两年5—7月布设在广州野外雷电实验基地的一台MWP967KV型地基微波辐射计红外传感器与一台K/LLX502B型激光测云仪观测的云底高度数据,并利用人工观测的天空状况、云状数据进行分类,在不同云类、天空状况下对地基微波辐射计红外传感器云识别和观测云底高度的性能进行分析。结果表明:①地基微波辐射计红外传感器具有良好的云识别能力,准确率达80.4%,由于观测视角的原因,未能识别出有云存在主要发生在"多云"情况下。②地基微波辐射计红外传感器与激光测云仪所测云底高度相关系数为0.63,有着较好的一致性。③因为观测原理不同,地基微波辐射计红外传感器所测云底高度总是高于激光测云仪,且两部仪器在低云阴天时所测的云底高度一致性要优于中、高云多云。综上所述,地基微波辐射计红外传感器用来识别云、观测云底高度具有一定的可行性,尤其是在低云、"阴天"条件下,有着较好的观云性能。

天气雷达反射率资料订正前后在ARPS模式中的同化试验对比

以TRMM/PR反射率资料作参照,对常州、南京天气雷达反射率资料进行一致性订正,再利用中尺度模式ARPS及其数据同化系统ADAS对订正前、后的天气雷达反射率因子进行同化,模拟2013年6月25日和2010年8月24日江苏地区两次暴雨过程。两次暴雨过程均包括3组试验:控制试验和雷达资料订正前、后的同化试验。结果表明:(1)雷达反射率因子的同化很好地改进了模式初始湿度场,使降水预报在分布和强度上更接近实况;(2)雷达资料的订正进一步改进了反射率因子同化试验,并且通过调整初始湿度场和上升运动场(调整作用主要体现在前2~3 h内)改善了对降水的模拟预报,其结果证明雷达反射率因子的订正改善了雷达资料的质量。

星载雷达在评估地基天气雷达非降水回波识别算法效果中的应用

非降水回波识别算法的效果直接影响着雷达数据后续应用(如定量降水估测)的结果,因此对其进行客观定量检验是很重要的。文中所用算法在SWAN系统雷达反射率因子质量控制算法基础上增加了晴空回波识别算法,使用回波延展度因子并增加高度限制来对晴空回波进行识别和去除。使用星载雷达反射率强度数据与非降水回波去除前后的地基雷达数据进行时空匹配,对非降水回波识别算法效果进行客观的直观和定量验证。参照星载雷达观测结果,文中算法针对与降水回波无混叠的超折射回波有很好的识别效果,效果优于存在降水与超折射混叠的情况,当降水回波中存在与超折射回波水平纹理相近的对流降水时,经算法处理后该部分回波会丢失部分信息。针对存在降水与超折射回波混叠的情况,将算法处理前后的地基雷达降水区域反射率因子分别与星载雷达数据进行比较,结果表明经算法处理后的数据更接近星载雷达观测值。评价结果可为算法适用性分析及改进提供依据。

地基微波辐射计遥感人工触发闪电的观测研究

为了深入研究雷电产生的微波热辐射特征,从2016年初夏开始利用地基微波辐射计在中国气象局雷电野外科学实验基地开展了连续4年的观测实验,根据雷电热效应的特征,制定了观测方案,并为地基微波辐射计设置了“引雷观测模式”。结果表明,地基微波辐射计具有对雷电热效应产生响应的能力。2017—2019年,辐射计一共成功捕获了30次人工触发闪电,观测效率逐年增长,平均为71.4%;微波亮温脉冲幅度的最大值约125K。结合其中28次触发事件的雷电流数据,分析了亮温脉冲幅度和雷电流积分量之间的相关性,并发现了最大亮温脉冲幅度与总电流作用积分之间可能存在指数关系。根据亮温观测数据估算了雷电热效应的持续时间,平均约0.5 s,其中25次触发事件的雷电流热效应持续时间与雷电流持续时间变化较为一致,相关系数约0.73。

苏南三部地基雷达反射率因子一致性和偏差订正个例研究

中国新一代天气雷达可以进行较大范围降水的定量估测,但相邻站雷达之间的资料可能存在不一致性而影响组网应用效果。将热带降雨测量卫星TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)上携带的降水雷达PR(Precipitation Radar)作为统一的参照,针对2010年5-8月份长江中下游降水天气期间PR与苏南三部(南京、常州、南通)雷达的7次匹配事件的资料进行一致性分析,并利用经质量控制后得到的比较适宜于对比分析的数据集建立订正关系,进行偏差订正,分析订正效果,并详细比较其中两次事件订正前后地基雷达数据之间的差异。结果表明:(1)南京雷达反射率因子强度比常州雷达低3.5 d B左右,常州比南通低0.9 d B左右,3 km高度的回波强度拼图存在明显不连续;(2)将TRM M PR作为参照,利用预处理后的雷达观测数据样本,计算得出南京、常州、南通各地基雷达与PR的差值,并进行偏差订正后,南京与常州、常州与南通之间的反射率因子差值减小成为0.3和0.2,拼图效果也明显改善。

非相干多普勒激光雷达探测风廓线精度分析

多普勒激光雷达在晴空大气风场探测中具有高精度和高时空分辨率的特点。中国气象局气象探测中心的车载非相干多普勒激光雷达基于高光谱技术,可以进行大气风廓线、水平风场和扇形风场的探测。2011年3月～4月,用该激光雷达在北京南郊观象台与L波段探空雷达进行了同步对比观测,得到50组可对比风廓线数据,平均有效探测高度为6038 m。在能见度较好的情况下,有效探测距离可达10 km;共得到30240对风速风向可对比统计点,风速的相关系数为0.82,系统差、标准差分别为0.586 m、5.38 m/s;风向的相关系数为0.94,系统差、标准差分别为5.93°、37.98°,两者的一致性较好。把5 km高度以下的数据按1000 m一层进行分层,分析各层风速、风向的相关系数、系统差和标准差显示。结果表明在1000～2000 m高度层激光雷达探测风廓线与L波段探空雷达的一致性最好,并对产生原因进行了分析。对于非相干多普勒激光雷达,探测数据的精度同时受到回波信号信噪比及低空气溶胶迅速变化的影响。

基于镜频抑制零差探测的全光纤测风激光雷达系统

相干多普勒测风激光雷达多采用外差技术来获得大气风场在雷达径向方向上的速度大小和正负.本文基于镜频抑制技术,使用全光纤90°相位控制器研制了连续相干多普勒测风激光雷达系统.该系统通过对本振光或接收信号进行相位控制,得到正交的IQ信号,采用镜频抑制技术,探测得到径向风速的大小和正负,相对于使用外差技术的相干多普勒激光雷达系统,该系统具有信噪比更高、雷达存储能力更强、在相同的ADC采样速率下测速范围更大等特点.文中最后通过与风速计的大量对比试验,进一步对连续相干多普勒测风激光雷达系统的数据的可信性进行了验证.实验结果表明,该系统测得的风向正负与风速计完全一致,风速大小的偏差为-0.03m/s,标准差为0.63m/s,具有较高的探测精度.

基于激光遥感技术的硬靶相干测速试验

随着光纤激光技术的快速发展,全光纤相干多普勒激光雷达已逐步应用于大气风场探测业务中。为了更好地发挥相干多普勒激光雷达的效益,必须使激光雷达保障和使用人员更好地了解其基本原理及结构。基于多普勒效应和激光相干原理,以迈克耳逊干涉仪结构为原型,在实验室中搭建了基于532nm可见激光的空间多普勒测速系统,利用频谱处理技术,准确地测得了漫反射转轮的切向速度,直观地展示了激光相干多普勒测速系统的原理、结构及速度反演方法。此外,在532nm相干测速试验的基础上,搭建了基于1550nm激光的全光纤硬靶相干测速实验系统,开展了大量对比观测试验,在转轮速度分别为2.9m/s和4.8m/s时,试验系统与实测转轮速度之间的系统差分别为-0.01m/s和0.04m/s,标准差分别为0.08m/s和0.1m/s,说明了激光测速系统测量数据的可信性。

地基雷达与TRMM/PR的一致性分析

天气雷达对中小尺度灾害性天气具有较强的监测预警能力,对研究中小尺度对流系统的云雨结构、理解降水内部的热力学和动力学过程有很大的帮助。单站点地基雷达受到诸如电磁波衰减、地物干扰等影响,在探测上存在一些限制。为了扩大天气雷达探测区域,需要采用多部天气雷达组网联合探测。然而雷达组网的各雷达之间没有进行统一标定,影响雷达网资料一致性、组网拼图,以及使雷达资料在数值模式同化的应用中受到限制。本文以TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星搭载的经过精确标定的测雨雷达PR(Precipitation Radar)数据产品作为标准参照源,订正地基雷达GR(Ground-based Radar)的反射率因子偏差。为了减小PR与GR之间观测值对比的不一致性,利用最佳配对数据对比法(ABCD, Available Best Comparable Dataset法),对2008年1月至2014年9月间,江苏省六部地基雷达(南京、常州、连云港、南通、徐州、盐城)的反射率因子值进行订正。最后对方法的应用范围、存在的问题及未来展望进行了讨论。

基于距离相关系数和支持向量机回归的PM_(2.5)浓度滚动统计预报方案

针对目前空气质量统计预报方法存在的主要缺陷,本文提出了距离相关系数和支持向量机回归相结合的统计预报方案DC-SVR.利用淮安市2013年1—12月PM_(2.5)观测资料和常规气象观测资料,首先在选入预报当日气象要素的基础上,增加选取前期污染物和气象要素作为预报因子,再采用距离相关系数分季节从预报因子中筛选出重要预报因子,最后采用支持向量机回归对PM_(2.5)浓度值进行逐日滚动统计预报.研究发现,淮安地区气温和气压对PM_(2.5)的距离相关性要高于其他气象要素,夏秋季PM_(2.5)与气象要素的距离相关性较春冬季好.基于距离相关系数和支持向量机回归建立DC-SVR模型,PM_(2.5)的试预报值和实测值的全年相关系数高达0.76,平均偏差仅为1.13μg·m^(-3),平均绝对误差为23.47μg·m^(-3).通过与支持向量机回归、人工神经网络的统计预报效果对比,DC-SVR模型有效降低预报因子维数且能自适应选取最佳参数,预报精度显著优于其他3种统计预报方案,可为业务化预报提供参考.

两湖盆地冬季区域大气颗粒物污染特征及独特的风场和下垫面影响

为认识近年来长江流域中游两湖(湖南-湖北)盆地大气环境变化特征,本文利用两湖盆地2015~2019年冬季近地面PM_(2.5)和PM_(10)观测数据,结合风速、地形和植被指数等资料,探讨两湖盆地冬季大气颗粒物PM_(2.5)和PM_(10)的变化特征及其与风速、地形和下垫面的关联.结果表明:(1)两湖盆地2015~2019年冬季PM_(2.5)污染频发,其中两湖盆地西北部的襄阳和荆门的冬季平均分别多达62 d和61 d出现PM_(2.5)污染(PM_(2.5)>75μg·m^(-3)),襄阳重污染(PM_(2.5)>150μg·m^(-3))多达19 d,表明两湖盆地是长江流域中游地区一个区域性PM_(2.5)污染中心.(2)在空间上,两湖盆地污染呈现出西北重东南轻、城市群污染较重的特征,这主要与冬季风驱动的大气污染物的区域传输和两湖盆地城市地区的强排放有关.(3)近地面风速与PM_(2.5)和PM_(10)地面浓度变化呈现特殊的"U"型非线性关系,PM_(2.5)和PM_(10)浓度拐点值分别为153μg·m^(-3)和210μg·m^(-3),揭示了两湖盆地局地大气颗粒物累积主导了轻/中度污染,大气污染物区域传输决定了重度污染的独特区域特征.(4)两湖盆地冬季PM_(2.5)和PM_(10)地面浓度与地形高度和植被指数均呈显著负相关,反映了两湖盆地地形和城市化下垫面变化的大气环境效应.