微波辐射计温湿廓线反演方法改进试验

为提升地基微波辐射计在不同天气条件下, 特别是云天条件下温湿廓线的反演精度, 利用2011年1月—2016年12月中国气象局北京国家综合气象观测试验基地探空数据, 在微波辐射计反演温湿度廓线的过程中通过区分晴天和云天条件并引入全固态Ka波段测云仪云高及云厚信息, 对反演输入亮温进行质量控制和偏差订正, 建立BP神经网络模型, 采用2017年1月—2018年3月微波辐射计探测数据评估检验, 结果表明:在亮温订正前提下, 晴天温度模型、云天温度模型、晴天相对湿度模型和云天相对湿度模型反演结果与探空的相关系数分别为0.99, 0.99, 0.80和0.78, 均方根误差为2.3℃, 2.3℃, 9%和16%, 较微波辐射计自带产品（LV2产品）减小约0.4℃, 0.3℃, 11%和9%, 准确性提升约30%, 28%, 64%和45%;温度模型偏差在±2℃以内、湿度模型偏差在±20%以内的占比分别为68%, 70%和95%, 78%, 较LV2产品分别提高了7%, 5%和27%, 23%, 其中相对湿度改善明显。可见亮温订正、区分天气类型训练反演模型有利于改善地基微波辐射温湿廓线反演精度。     

风廓线雷达反演大气比湿廓线的初步试验

基于湍流散射理论,运用边界层风廓线雷达 (WPR) 联合RASS (Radio Acoustic Sounding System), GPS/PWV (Global Position System/Precipitable Water Vapor) 进行全遥感系统的大气比湿廓线反演试验,并对影响因子进行分析。利用2011年8—9月云南大理综合探测试验数据的反演结果与探空数据进行比较分析,结果表明:WPR联合探空的温度廓线和起始边界比湿 (q₀) 反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线相比具有相同的变化趋势,标准差为0.84 g·kg-1,误差随高度增加呈递增趋势;WPR联合RASS, GPS/PWV数据反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线的标准差为0.85 g·kg-1。参加反演的数据中,折射指数结构常数C_n2与谱宽σ_turb2对反演影响最大,反演算法中大气折射指数梯度M符号的判断对反演精度也有较大影响。     

COSMIC-2掩星反演数据质量分析

为评价COSMIC-2掩星反演数据精度,利用探空站点资料,对比验证了基于COSMIC-2附加相位数据由无线电掩星数据处理软件ROPP计算得到的大气折射率及温湿廓线。实验结果表明:COSMIC-2数据经反演后的大气廓线质量较高,大气折射率相对偏差标准差为1.5%~4.3%,大气温度和相对湿度均方根误差分别为1.3~2.2 K、10%~15%;低纬地区样本精度总体优于中纬地区; 季节性差异不明显,但冬春季样本精度总体略优于夏秋季。反演数据与COSMIC-2二级产品相比,折射率与温度在部分高度层精度更优,相对湿度在总体上精度更优。      

基于径向基神经网络的地基微波辐射计反演算法研究

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL站)2009—2010年的地基微波辐射计亮温资料和榆中站探空资料,建立了应用于地基微波辐射计温度、相对湿度和水汽密度反演的径向基神经网络,并将反演结果与地基微波辐射计自带反演产品进行了对比,探究了径向基神经网络在地基微波辐射计气象要素反演算法本地化的应用效果。结果表明:径向基神经网络反演的温度、相对湿度和水汽密度的均方根误差最大值分别为2.72 K、22.32%和0.73 g·m^-3,在所有高度层上径向基神经网络的反演结果均优于微波辐射计,反演产品对2—10 km、1—7 km、0—3 km的大气温度、相对湿度和水汽密度廓线的反演均有明显改善,径向基神经网络能够应用于地基微波辐射计气象要素的反演算法的本地化。     

基于奇异值分解的气象数据推测

以中国662个气象台站的2004—2013年逐日平均气温、平均相对湿度、日照时数和气温日较差4个气象要素为研究对象,使用奇异值分解方法来推测缺失气象数据。为降低随机的不利影响,将10年的逐日气象数据做平均。分别采用奇异值分解的相对误差和相似度矩阵来证实气象数据的近似低秩性,并探讨气象要素之间的相关。分析主要的基向量,设计3组推测试验。第1组试验随机选取6个气象台站的数据用于测试,其余台站用于训练,以获得5个最佳的基向量。随机选取每个测试台站的12个观测值,再由所选取的基向量来推测未知值。平均气温、平均相对湿度、日照时数和气温日较差的平均推测误差分别为8.00%、7.83%、17.17%和10.82%。在第2组试验中,随机选取70%的气象台站用于训练,其余气象台站用于验证推测性能。试验结果表明基向量的数目可选为5—15,随着基向量或观测值数量的增加,推测性能也随之改善。第3组试验,根据10个台站1952年下半年的气象观测数据,推测上半年的未观测值,试验结果合理可靠。      

COSMIC反演大气温湿廓线与模式客观分析场的比较

利用2009年不同季节COSMIC湿反演的大气温度和相对湿度廓线数据,分别与时、空相匹配的ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,欧洲中尺度天气预报中心)、NCEP(National Centers for Environmental Prediction,美国环境预报中心)模式客观分析场和无线电探空观测数据,进行全球范围的比较分析.初步研究表明,无论夏季还是冬季,各种资料源之间相互比较的偏差和标准差分布相似,与季节无关.就温度而言,三种资料源的温度水平、垂直分布都很接近,ECMWF模式数据比NCEP不论是温度廓线还是湿度廓线都更接近COSMIC反演值.模式的水汽客观分析场在对流层基本上都比无线电探空观测值偏湿,对流层中高层在大部分海洋地区也比COSMIC反演场偏湿.COSMIC反演的相对湿度相对于无线电探空整层偏大,具有明显正偏差,在300 hPa偏差达最大值(约30%).     

多普勒雷达PPI资料在数值模式MM5中的应用

利用多普勒天气雷达观测的回波强度资料,估测大气的湿度值。假定回波强度大于4 0dBz的区域,相对湿度为1 0 0 % ,小于2 0dBz的区域相对湿度为90 % ,2 0～4 0dBz区域的相对湿度按线性变化求取。对应各点的温度值由MM5控制试验得出。然后通过迭代处理,求出对应各点的露点温度,通过以上步骤把雷达观测的回波强度值转换为模式中直接使用的物理变量,用于模式计算。为了验证该方法的可行性,进行了模拟试验,个例选用2 0 0 1年7月1 3日安徽全椒暴雨过程。背景场采用T2 1 3资料,加上常规探空,地面资料,通过分析形成控制试验的初始场。将安徽合肥新一代天气雷达观测的回波强度按上述方法加入到MM5中,形成敏感试验的初始场。水平网格为1 0 3×1 0 3,格距为1 0km ,垂直分33层,中心位置为31 0 0°N、1 1 7 6 6°E。试验结果表明,加入雷达资料后降水中心位置预报有明显改进。说明上述方法是可行的。     

0-10 KM TEMPERATURE AND HUMIDITY PROFILES RETRIEVAL FROM GROUND-BASED MICROWAVE RADIOMETER

Deviation exists between measured and simulated microwave radiometer sounding data. The bias results in low-accuracy atmospheric temperature and humidity profiles simulated by Back Propagation artificial neural network models. This paper evaluated a retrieving atmospheric temperature and humidity profiles method by adopting an input data adjustment-based Back Propagation artificial neural networks model. First, the sounding data acquired at a Nanjing meteorological site in June 2014 are inputted into the MonoRTM Radiative transfer model to simulate atmospheric downwelling radiance at the 22 spectral channels from 22.234GHz to 58.8GHz, and we performed a comparison and analysis of the real observed data; an adjustment model for the measured microwave radiometer sounding data was built. Second, we simulated the sounding data of the 22 channels using the sounding data acquired at the site from 2011 to 2013. Based on the simulated rightness temperature data and the sounding data, BP neural network-based models were trained for the retrieval of atmospheric temperature, water vapor density and relative humidity profiles. Finally, we applied the adjustment model to the microwave radiometer sounding data collected in July 2014, generating the corrected data. After that, we inputted the corrected data into the BP neural network regression model to predict the atmospheric temperature, vapor density and relative humidity profile at 58 high levels from 0 to 10 km. We evaluated our model’s effect by comparing its output with the real measured data and the microwave radiometer’s own second-level product. The experiments showed that the inversion model improves atmospheric temperature and humidity profile retrieval accuracy; the atmospheric temperature RMS error is between 1K and 2.0K; the water vapor density’s RMS error is between 0.2 g/m3 and 1.93g/m3; and the relative humidity’s RMS error is between 2.5% and 18.6%.     

温湿统计平衡约束关系对GRAPES全球湿度分析的作用

为改进GRAPES全球三维变分同化系统(GRAPES-3DVar)的湿度分析,借鉴Hólm等(2002)的思想,在背景误差协方差结构中引入湿度与温度的统计平衡约束关系。通过扣除湿度变化中与温度有关的平衡部分获取非平衡拟相对湿度,并引入非线性对称变换对其做标准化处理,将处理后的变量作为新的湿度控制变量。统计结果表明,温湿统计平衡约束主要出现在中高纬度对流层中层相对湿度大于80%的区域,与大尺度抬升凝结加热有关;新的湿度控制变量能满足无偏、高斯分布特征。单点理想观测试验结果表明,新的湿度分析具备了流依赖特征,并能有效地抑制负水汽与超饱和水汽的出现。同化循环与预报试验结果表明,新方案给出的湿度分析的偏差和均方根误差均有所减小。而针对降水预报的检验结果表明,引入新方案后的0.1-10 mm降水预报,在ETS评分没有显著降低的情况下,BIAS评分更靠近1,降水空报有所减缓。然而60-84 h的25 mm以上的降水漏报现象更为明显,表明湿度同化分析方案还有改进空间。通过引入温湿统计平衡约束关系,完善了GRAPES-3DVar分析框架,为全球湿度分析的持续改进奠定了坚实基础。      

中国东部大气温湿廓线特征及其对辐射收支计算影响的分析

辐射平衡是气候决定性因素之一, 温湿廓线对辐射计算有重要影响。利用中国东部地区1960—2008年74个探空站资料, 将SBDART（Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer）辐射传输模式自带的大气温湿廓线和探空测得的实际大气温湿廓线进行对比, 并代入SBDART模式中, 分别计算晴空条件下不同温湿廓线对辐射通量的影响。结果表明:（1）中国东部地区的大气温湿廓线有明显的区域和季节特点;（2）模式地面向下辐射通量与实际相比有较明显差异, 尤其是在东北地区的冬季、中东部地区的夏季和华南地区的冬季, 差值达20—35 W/m2, 相对误差达2.01%—3.18%;（3）在东北地区的冬季、中东部地区的冬季以及华南地区的夏、冬季, 模式计算的大气顶向上辐射通量与实际相比差值达10—22 W/m2, 相对误差可达3.67%—8.94%;（4）模式与实际辐射加热率的差值在0.03—0.29 K/d。研究表明, 模式自带的大气温湿廓线区域和季节划分并不够细致, 不足以代表中国东部地区各个区域及季节的温湿特点。建立一套中国东部地区的大气标准廓线可以为辐射模拟提供更准确的输入量。      

Estimating heat fluxes by merging profile formulae and the energy budget with a variational technique

A variational technique (VT) is applied to estimate surface sensible and latent heat fluxes based on observations of air temperature, wind speed, and humidity, respectively, at three heights (1 m, 4 m, and 10 m), and the surface energy and radiation budgets by the surface energy and radiation system (SERBS). The method fully uses all information provided by the measurements of air temperature, wind, and humidity profiles, the surface energy budget, and the similarity profile formulae as well. Data collected at Feixi experiment station installed by the China Heavy Rain Experiment and Study (HeRES) Program are used to test the method. Results show that the proposed technique can overcome the well-known unstablility problem that occurs when the Bowen method becomes singular; in comparison with the profile method, it reduces both the sensitivities of latent heat fluxes to observational errors in humidity and those of sensible heat fluxes to observational errors in temperature, while the estimated heat fluxes approximately satisfy the surface energy budget. Therefore, the variational technique is more reliable and stable than the two conventional methods in estimating surface sensible and latent heat fluxes.     

自动气象站温湿度传感器更换的影响评估

选取湖北省自动观测记录较长的38个站作为被检站,每个被检站选取3个邻近站,统计相对湿度、水汽压序列与邻近站的相关系数、平均值及方差变化情况,分析由人工观测改变为自动气象站观测后,两者存在的差异,并对其中4个国家基准气候站2003—2011年自动观测和同期人工观测进行对比,得到这4个站9年内每次更换温湿度传感器对相对湿度、水汽压记录的影响情况。结果表明:对比自动观测与人工观测两个序列,被检站与对应邻近站的相对湿度、水汽压的相关系数呈减小趋势,两种观测差值的平均值和方差差异显著;温湿度传感器的更换易产生相对湿度和水汽压记录的跳变;温湿度传感器的检定示值误差是加剧自动观测与人工观测序列显著差异的重要因素;改进观测方法,完善自动气象站检定规程,是自动观测与人工观测序列均一性的重要保证。     

风云三号气象卫星掩星大气产品精度的初步检验

风云三号气象卫星C星于北京时间2013年9月23日成功发射,其上搭载了中国第一个以掩星方式探测中性大气和电离层大气的民用新型有效载荷——全球导航卫星掩星探测仪(Global Navigation Satellite System Occultation Sounder, GNOS)。GNOS可以接收GPS(Global Positioning System)导航卫星和中国北斗导航卫星信号,进而得到全球范围内的中性大气和电离层大气的探测结果。利用常规无线电探空资料,对GNOS接收GPS信号的掩星探测大气产品(包括折射率、密度、温度以及湿度廓线)进行检验,结果表明:在近地面至25 km垂直范围内,GNOS掩星大气产品折射率廓线和干大气密度廓线的平均偏差在0.5%左右,标准偏差在2%左右;温度廓线的平均偏差约为0.5 K,标准偏差约为2 K;水汽廓线的标准偏差在6 km 以下为0.25—1.0 g/kg。对于风云卫星首次尝试的掩星观测技术,GNOS掩星产品的精度基本达到预定目标,在未来还有改进的空间。     

降水对地基微波辐射计反演误差的影响

利用武汉站高时间(3h)、高空间垂直(30m)分辨率探空资料和MP-3000A型地基微波辐射计资料,分析了降水对地基微波辐射计反演误差的影响,并对微波辐射计和探空的要素廓线进行了对比分析。结果表明,降水对两种设备的温度廓线和水汽密度廓线的相关性无明显影响,但对相对湿度廓线的相关性有较为明显的影响,其相关性在有降水时好于无降水时;整体上,微波辐射计的廓线误差在降水时大于无降水时,其温度、相对湿度和水汽密度廓线的平均偏差均值分别在1.0～2.5℃,6%～15%和0.08～1.75g.m-3之间,对应的均方差均值分别在1.3～1.6℃,14%～17%和1.28～1.85 g.m-3之间。另外,将不同高度上同时刻微波辐射计和探空的资料进行点对点对比发现,降水会严重破坏两种资料的正相关性,导致大部分高度上的廓线呈负相关,同时也明显增加了温度和水汽密度的平均偏差和均方差。     

The Capability of Atmospheric Profile Retrieval from Satellite High Resolution Infrared Sounder Radiances

ＴｈｅＣａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＰｒｏｆｉｌｅＲｅｔｒｉｅｖａｌｆｒｏｍＳａｔｅｌｌｉｔｅＨｉｇｈＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＩｎｆｒａｒｅｄＳｏｕｎｄｅｒＲａｄｉａｎｃｅｓＬｉＪｕｎ（李俊）（Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｉｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏ...     

TK 2GPS人影探空火箭与L波段探空数据差异性分析

开展TK-2GPS人影探空火箭探测数据的分析检验,对于了解试验仪器的适用性和数据可靠性及其在人影中的应用前景非常重要。利用TK-2GPS人影探空火箭和L波段探空资料,采用平均偏差、均方根误差和相关系数等分析方法,对两种探空的温度、相对湿度、风向及风速等要素的差异性和变化特征进行了对比分析,并对可能造成差异的原因进行了探讨。结果表明:探空火箭与L波段探空同要素间均呈显著的正相关,通过了0.05及以上显著性检验。温度、风速平均偏差和离散度较小,相关性最好;相对湿度的平均偏差虽大,但相关性较好;风向在各高度层的离散度较大。两种探空的温度、风速垂直廓线变化趋势一致性高;相对湿度垂直廓线变化趋势存在一定差异,前者相对湿度较后者明显偏小。随水平探测距离的增加,探空火箭探测数据相对L波段探空的偏差值有所增大。通过相关分析建立的相对湿度订正方程,能很好地对探空火箭的相对湿度进行订正。     

INVERSION OF MOISTURE PROFILES BY A NONLINEAR ITERATIVE PHYSICAL RETRIEVAL*

The Advanced TIROS-N Operational Vertical Sounder(ATOVS) measurements are used to generate the atmospheric parameters,such as temperature and moisture profiles,under both clear and cloudy situations.This paper describes briefly the nonlinear iterative physical retrieval method.By using this retrieval scheme,an experiment has been carried out to retrieve the moisture profiles from ATOVS measurements on the NOAA-16 satellite for July of 2002.ATOVS profile retrieval results are evaluated by root mean square(RMS) differences with respect to RAdiosonde OBservation(RAOB) profiles.The accuracy of the retrieval is about 15%-23% for the relative humidity profile in this study.     

云对地基微波辐射计反演湿度廓线的影响

利用中国气象局大气探测试验基地的L波段探空数据和微波辐射计观测数据,采用MonoRTM辐射传输模型作为正演亮温模型,BP (back propagation) 神经网络作为反演工具,在由亮温反演大气湿度廓线的过程中,添加与样本匹配的云底高度和云厚度信息,建立新的反演模型,使新反演模型得到的反演湿度廓线和未添加云信息的反演湿度廓线分别与探空数据进行对比,获取两种反演方法各高度层的均方根误差,分析云信息对反演大气湿度廓线的影响。对比结果表明:未添加云信息时,测试样本的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.685,而添加云信息后,相关系数平均值为0.805。相比未添加云信息的反演廓线,添加云信息之后多数高度层的均方根误差均有不同程度减小,而在有云以上高度层表现尤为明显。     

LAPS上海本地化及其在局地对流天气中的应用研究

本文首先基于地面自动站、探空、雷达和卫星资料,开展局地分析预报系统(Local Analysis and Prediction System,LAPS)上海本地化研究,并结合2010—2014年夏季6个局地对流天气个例对其性能进行检验评估。结果表明:雷达径向风资料对LAPS风速分析影响较大,使分析场风速廓线与探空廓线的均方根误差缩小约7.66%;风云卫星资料能够改善LAPS温度和相对湿度,使分析场温度、相对湿度廓线与探空廓线的均方根误差分别缩小约9.09%和14.01%;探空气球飘移对本文LAPS分析场检验影响不明显。进一步将LAPS分析场用于2011年8月13日、2014年8月4日两次局地对流个例分析表明:LAPS高时空分辨率的分析场能够反映中小尺度天气系统的时空变化,在天气尺度背景并不十分有利于对流生成的情况下,热岛、海陆风环流的形成和持续对上海夏季局地对流天气的发生和发展起到关键作用。     

Development of an Observation Processing Package for Data Assimilation in KIAPS

A new observation processing system, the Korea Institute of Atmospheric Prediction Systems (KIAPS) Package for Observation Processing (KPOP), has been developed to provide optimal observation datasets to the data assimilation (DA) system for the Korean Integrated Model, KIM. This paper presents the KPOP’s conceptual design, how the principal modules have been developed, and some of their preliminary results. Currently, the KPOP is capable of processing almost all observation types used by the Korea Meteorological Administration (KMA) and some new observation types that have a positive impact in other operational centers. We have developed an adaptive bias correction (BC) method that only uses the background of the analysis time and selects the best observations through the consecutive iteration of BC and quality control (QC); it has been verified that this method will be the best suited for the KIAPS DA system until the development of variational BC (VarBC) has been completed. The requirement of considering the radiosonde balloon drift in the DA according to the increase of spatial resolution of the NWP model was accounted for using a balloon drift estimation method that considers the pressure difference and wind speed; thus the distance error was less than 1% in the sample test. Some kind of widely used methods were tested for height adjustment of the SURFACE observation, and a new method for temperature adjustment was outlined that used the correlation between temperature and relative humidity. In addition, three types of map projection were compared: the cubed-sphere (CS), equidistance (ED), and equirectangular (ER) projection for thinning. Data denial experiments were conducted to investigate how the KPOP affected the quality of the analysis fields in the three-dimensional variational data assimilation system (3D-Var). Qualified observations produced by the KPOP had a positive impact by reducing the analysis error.