高频探空温度和风速的质量控制方法研究

针对中国高分辨率探空资料,本文提出了一种计算气候学界限值的方法以满足业务中对资料进行质量控制的需求.首先在垂直方向上将整个大气划分为64层,将落在每层范围内的观测数据都收集到一起进行排序并计算百分位,在此基础上通过比较不同百分位廓线值来获得气候学界限值.除了业务台站,本文还使用了TIPEX-Ⅲ的探空数据来验证本方法在科学试验数据中的应用效果.评估表明,应用气候学界限值可以有效检测到业务站和试验站观测数据中的粗大误差;百分位廓线则可以清晰的体现出探空观测的整体变化特征并揭示出误差的整体分布范围.     

杭州飞机气象观测资料处理及质量分析

为了更好地将全球共享的飞机气象观测资料(AMDAR资料)应用于本地气象业务,解决由AMDAR资料时空分布不均匀带来的应用不便的问题,利用2019年4月至2020年5月杭州地区获取的AMDAR资料,在质量控制处理基础上提出一种新的提取AMDAR廓线数据的处理方法,将机场周边一定时间和空间范围内的飞机探测资料视作探空气球漂移至不同位置的观测,垂直方向采用插值算法实现廓线数据均匀分布,并利用中值滤波算法对廓线做进一步质控。最终提取的AMDAR廓线数据与杭州探空数据进行了对比误差分析。结果表明：温度、风速和风向的总体平均偏差分别为-0.83℃、0.02 m/s、0.47°,均方根误差分别为1.93℃、2.02 m/s、25.05°,AMDAR温度廓线数据整体偏小,且相对暖湿的季节比相对干冷的季节偏小更加明显,AMDAR风廓线数据无明显系统误差,数据质量较好;温度和风速对比误差在2000 m及以上高度范围随高度增加而增大,但风向的对比误差相反;环境风速越大,风速的对比误差越大,风向的对比误差却越小;AMDAR廓线数据与探空数据具有较好的一致性,但在02:00—06:00以及5000 m以上高度缺...     

风廓线仪与气球测风资料的对比分析

利用风廓线仪和气球同步探测风场资料对比,分析了风廓线仪探测风场资料的可靠性。结果表明：在稳定天气过程中,由于风廓线仪的探测盲区和地物杂波的影响,自地面至高空200m范围内,廓线仪探测的风向、风速与气球探测的风向风速值有一定偏差,200m高度以上风廓线仪和气球探空所测得的风场廓线具有很好的相关性;在复杂天气过程中风场廓线形状出现较大偏差,主要原因是由于气球探空资料在各高度层之间的整体连续性方面存在明显不足,而风廓线仪的观测资料无论在各高度层之间还是整体连续性方面都明显好于气球探空。这与在较高海拔地区,气球观测期间的大气局部不稳定有关。由于气球在经过某高度层时的取值明显受到当时大气层局部小湍流活动或者较强的下沉或上升气流影响,使气球经过该点时的位移与其相邻两点之间出现明显的飘逸,从而造成气球在某个高度范围内的风资料观测值出现较大偏离。但由于探空气球的资料不连续,无法准确判断气流扰动情况,而风廓线仪获取的不同高度上的风资料是10min内的平均观测值,一般不受小范围的空气扰动而出现较大偏离,另外,风廓线仪的观测是连续的,每组观测值之间只存在10min的时间差,通过对前后几组数据的对比分析,可以明显看出当时气流的扰动情况。因此,风廓线仪探测在资料的连续性和分析气流扰动情况,尤其是大尺度湍流活动方面更有探空气球不可替代的作用,风廓线仪观测资料的可靠性具有良好的应用价值。     

长安风廓线雷达测风资料的可靠性验证

利用2014—2015年陕西西安泾河站L波段探空数据和ERA-Interim再分析资料,与同期长安站风廓线雷达数据进行对比分析,确定风廓线雷达数据的可靠性。结果显示风廓线雷达资料与L波段探空资料、ERA-interim再分析资料整体上相关性较好,相关系数随高度的增高而增大,在1 500~2 500 m之间达到显著相关。不同时刻数据对比结果显示风廓线雷达白天观测结果整体上优于夜间。从平均状态来看,风廓线雷达在描述平均态过程中与探空和再分析资料基本一致,即风廓线雷达数据可用于实际应用和研究。     

基于一维变分算法的地基微波辐射计遥感大气温湿廓线研究

为研究地基微波辐射计遥感温、湿度廓线的一维变分算法的反演能力,用北京地区2010—2011年00和12时(世界时)的多通道地基微波辐射计亮温资料进行试验。首先,利用同时次的地面观测资料、红外亮温(由地基微波辐射计自带红外传感器测得)及探空观测数据,给出提取无云样本的方案,得到432个无云样本;再以辐射传输模式计算得到的模拟亮温为参考,对无云条件下的观测亮温进行质量控制;然后利用探空数据进行模拟试验,结果发现,一维变分算法对3 km以下的温度廓线有较大调整。使反演结果更加接近探空,而对湿度廓线在0—10 km都有不同程度的优化;最后利用一维变分算法对地基微波辐射计观测亮温进行大气温湿廓线反演,将结果与探空对比可以看出,温度廓线的均方根误差小于2.9 K,绝对湿度的均方根误差小于0.47 g/m~3;进一步与地基微波辐射计自带神经网络的反演结果比较表明,一维变分的反演结果更接近实际大气。     

ERA5再分析数据在微波辐射计数据反演中的初步应用

为了研究ERA5再分析资料在微波辐射计数据反演中的应用效果,利用探空和ERA5作为训练样本分别训练得到两个神经网络,对微波辐射计观测数据进行反演。并以探空资料作为参考分别统计基于探空和ERA5再分析资料反演得到的数据的相关系数、绝对偏差和均方根误差,用于评估ERA5再分析资料在微波辐射计数据反演中的应用效果。结果表明：基于ERA5和探空反演的温度廓线与探空的相关系数分别为0.988、0.99,绝对偏差分别为2.402 ℃、2.607 ℃。反演水汽与探空的相关系数分别为0.975、0.979,绝对偏差分别为0.412 g/m3、0.369 g/m3。反演的相对湿度相关系数分别为0.663、0.696,绝对偏差分别为15.587%、13.976%。反演的积分水汽总量相关系数分别为0.959、0.968,绝对偏差分别为0.258 cm、0.227 cm。从结果来看,基于ERA5资料反演的温度、水汽资料与利用探空反演的结果相差较小,温度廓线反演效果优于相对湿度廓线。     

大气红外探测器(AIRS)温、湿廓线反演产品及边界层高度在黄土高原的验证

利用黄土高原地区加强观测期探空资料和大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder,AIRS)反演的温度、相对湿度廓线资料,评估了AIRS反演产品在黄土高原的适用性,以及利用AIRS温度廓线计算边界层高度的可行性。结果表明,各种边界层高度计算方法相关性显著,平均高度差异一般不超过200 m;Richardson数临界值的选取对确定边界层高度的影响不大。AIRS反演的大气温度和相对湿度均能很好地反映环境温湿的变化;温度平均偏差在±1 K以内,均方根误差一般不超过2 K;AIRS反演的地面气温误差相对较大,平均偏差和均方根误差分别为-1.68 K和3.32 K,并且会影响边界层高度的确定;AIRS相对湿度平均偏差在±10%以内,均方根误差不超过20%。利用Parcel法估计的边界层高度结果显示,根据AIRS反演的温度廓线确定的AIRS边界层高度低于利用探空观测资料确定的边界层高度,但能较好地再现边界层高度的变化,在没有探空数据时,可以用AIRS反演的温度廓线确定边界层高度。     

利用TOVS资料计算我国东南地区的太阳直接辐射和散射辐射

根据多次散射理论--离散纵标法，将极轨卫星产品资料（TOVS资料）作为初始资料，利用中分辨率大气传输模式MODTRAN3分别计算出晴空和有云情况下5个层次的观测波段的太阳直接辐射和散射辐射，与国家一级探空探测的大气温、湿廓线计算出的辐射值进行比较。发现晴空状况下基本一致，有云时存在一定误差，表明由卫星的TOVS资料估算我国东部地区的晴空辐射资料，可以弥补我国辐射资料的不足。     

MP-3000A微波辐射计探测原理及误差分析

MP-3000A微波辐射计是一种新型35通道微波辐射计。相对于探空和GPS水汽探测,它可以连续得到从地面到10km高度上高分辨率的温度、相对湿度和水汽廓线以及较低分辨率的液态水廓线。廓线从0m～10km共58个数据层,利用探测区域的历史探空资料和神经网络算法正向模拟微波辐射量,从而得出温湿廓线。本文介绍了MP-3000A微波辐射计的主要功能、工作原理和误差来源。     

多普勒雷达风廓线资料可用性评估

利用阳江大气探测基地拥有多普勒雷达、L波段探空雷达和地面观测站于一体的条件,将多普勒雷达高密度的VAD风廓线资料与L波段雷达资料进行对比,分析其相关性,得出多普勒VAD风廓线资料在探测资料齐全时,与L波段雷达资料变化趋势一致;一般情况,多普勒风廓线探测值比同一层的探空风偏小;多普勒风廓线RMS误差资料代表多普勒风廓线资料与探空资料的一种差异趋势。     

基于一维变分算法的红外高光谱(IASI)卫星遥感大气温湿廓线研究

大气温湿度廓线是大气重要参数,在数值天气预报及天气预警中具有重要的应用价值。为获得高精度的大气温度与水汽混合比廓线数据,研究了基于Metop-A/IASI红外高光谱资料的大气温度与水汽混合比廓线变分反演方法。利用IASI高光谱传感器温度和水汽探测通道资料,结合CRTM模式和WRF模式预报技术,使用一维变分方法,研究了卫星资料质量控制、背景误差协方差本地化、观测误差协方差计算等方法,构建了大气温度及水汽混合比廓线变分反演系统,并在北京、青岛、沈阳3个地区开展了反演试验。以探空为标准的反演结果对比显示,使用WRF模式预报值作为背景场,温度的平均误差绝对值小于0.6 K,均方根误差为0.89 K;水汽混合比的平均误差绝对值小于0.021 g/kg,均方根误差为0.02 g/kg。试验结果表明:基于一维变分方法,可以利用Metop-A/IASI红外高光谱资料进行大气温度与水汽混合比廓线高精度探测。     

雷达VAD风廓线资料质量控制研究

多普勒天气雷达VAD（Velocity Azimuth Display）风廓线资料可以提供高时间分辨率的高空风场信息。本文针对中国雷达VAD风廓线资料，设计发展了面向资料同化应用的NMIC（国家气象信息中心）质量控制方案，该方案改进了NCEP（国家环境预报中心）方案中存在的问题。利用2020年2—8月的L波段秒级探空风场资料，分别对比质量控制前、经过NCEP质量控制方案、以及经过NMIC质量控制方案的VAD风廓线资料，统计分析结果表明经过NMIC质量控制方案的VAD风廓线资料最接近观测，准确度最高，并且在各个高度上其偏差和均方根误差最小，充分说明了NMIC质量控制方案的有效性。相对背景场偏差分析表明，经过NMIC质量控制方案的VAD资料偏差和均方根误差最小，与背景场的偏差更接近高斯分布，更能满足资料同化的要求。本文的研究有助于推进VAD风廓线资料在数值预报科研和业务中的应用。     

上海组网风廓线雷达数据质量评估

利用2014年6月美国国家环境预报中心(NCEP)的全球模式分析资料,对上海及周边地区组网的七部边界层风廓线雷达的水平测风数据进行了初步分析和比较。由于NCEP全球模式分析资料并未使用上海13:15加密观测探空秒间隔数据,首先用该数据对NCEP分析资料的准确性和代表性进行了检验。结果表明,两者平均偏差与均方根误差均较小,故认为NCEP分析资料可用于客观检验上海及周边地区组网的七部边界层风廓线雷达的水平测风数据。对比分析风廓线雷达与NCEP分析资料表明总体上,风廓线雷达与NCEP分析资料的平均风场风速偏差为-0.14 m·s~(-1),均方根误差为2.72 m·s~(-1),风向偏差为-4.28°。上海组网风廓线雷达测风资料质量与探空观测水平接近,有较高的可用性。     

世界气象组织国际探空仪对比

1.引言无线电探空仪正继续为气象业务提供基本的高空资料。对资料使用者而言,观测到的温度、气压及湿度的精度是头等重要的。业务数值天气分析预报工作者是最感兴趣的用户。从卫星辐射测量反演大气温度廓线也需要参考探空资料。     

大气相对湿度资料融合及融合湿度精度检验——基于2013年1月我国中东部地区卫星和探空相对湿度数据

利用2013年1月MODIS(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer)的大气廓线产品计算得到大气相对湿度廓线,并与探空观测得到的相对湿度资料进行对比,发现总体上MODIS反演的相对湿度高于探空值,且在相对湿度较低区域误差较大;需要剔除有云影响的MODIS数据和相对湿度小于5%的探空数据;用平均值订正法对MODIS数据进行均一性修正,采用直接订正法、最大相关系数法开展MODIS和探空相对湿度资料融合试验,对融合结果进行分析对比和精度检验。结果表明:(1)直接订正法融合湿度在相对湿度较低区域高于探空湿度,在相对湿度较高区域低于探空湿度,最大相关系数法融合湿度在高湿区和低湿区均与探空接近;(2)融合结果精度检验表明,直接订正法融合湿度与探空湿度的平均绝对误差在850 hPa不超过10%,在925 hPa不超过12%,在1000 hPa不超过9%;采用最大相关系数法融合得到的相对湿度值在各层与探空湿度的绝对误差均不超过4%。总体来看最大相关系数法比直接订正法融合效果更好。     

COSMIC掩星数据与L波段探空数据的对比分析

COSMIC(Constellation Observation System for Meteorology,Ionosphere and Climate)每天可以提供全球2000～3000条从40 km高空到近地面的大气温、压、湿的廓线资料,有效地弥补了常规探空资料在时间和空间上分辨率的不足。通过对2008年5月20日至2008年11月26日COSMIC资料与L波段探空秒数据进行比对,结果表明,在10 km高度以下,COSMIC反演的湿廓线资料与L波段探空数据偏差较小,温度偏差为-0.5℃,均方根误差为1.5℃;折射率偏差为1.4N,均方根误差为5.9N;气压偏差为2.0 hPa,均方根误差为4.7 hPa;水汽压偏差为0.1 hPa,均方根误差为1.1 hPa。COSMIC干廓线资料与L波段探空相比,在10～30 km高度内,温度偏差为-0.3℃,均方根误差为1.9℃;折射率偏差为0.4N,均方根误差为0.9N;气压偏差为1.4 hPa,均方根误差为2.6 hPa。表明COSMIC资料既具有较高的时空分辨率,又具有较好的精度,在数值模式中具有重要的潜在应用。     

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%).     

面向CRA的中国风廓线雷达小时产品质量控制算法与评估

面向中国第一代全球大气/陆面再分析产品(CRA)的应用需求,针对中国风廓线雷达小时产品资料特点,在美国NCEP风廓线综合质量控制方法的基础上,提出一套适用于中国风廓线雷达逐小时水平风产品的质量控制方法。通过对比质量控制前后风廓线雷达资料与探空资料的相关系数、平均偏差及均方根误差,证明了质量控制方案的有效性。以ERA-Interim资料作为间接参考场,通过比较探空资料与不同型号、不同探测高度范围、不同观测时段、不同垂直层次风廓线雷达资料相对ERA-Interim再分析资料的偏差,分析了质量控制前后中国风廓线雷达资料的整体质量。结果表明,经该算法质量控制后,风廓线雷达与探空风场表现出了更好的一致性。不同雷达型号、不同探测高度资料的相关系数从0.17～0.82上升至0.79～0.98。在相对ERA-Interim与探空资料的偏差方面,质量控制后,除边界层风廓线雷达的u风分量在300 hPa以上仍有5 m·s~(-1)左右的偏差外,其他型号雷达的u、v风分量在各垂直层的平均偏差均在3m·s~(-1)以内,证明质量控制算法具有识别高层粗大误差数据的能力,能够使最大探测高度以上的数据得到有效利用。     

星载降水雷达机载校飞试验：地基多通道微波辐射计估算雷达路径积分衰减

介绍了在雷达观测降水试验中如何配合利用地基微波辐射计估算雷达路径积分衰减(PIA)的一种方法.所用的GPS高空探空资料和地基多通道微波辐射计的观测资料,均为中国首次星载降水雷达机载校飞试验中获得的数据.由于常规探空资料中没有云水含量的直接信息,因此,通过绝热液态水含量分析方法,从GPS探空数据中计算得到这些云参数值.用MWMOD进行亮温模拟并计算液态水含量.在晴空条件下,用该模式模拟了地基多通道微波辐射计12个通道的下行辐射亮温.通过设置相对湿度阈值,利用MWMOD模式自带的绝热液态水含量分析方法,从探空廓线中分析出液态水廓线,进而模拟出有云情况下的下行辐射亮温.辐射传输模式的模拟亮温和地基多通道微波辐射计观测亮温的对比表明,进行云分析之后的模拟亮温值更接近于实测值.由此,利用由辐射传输模式和地基微波辐射计,从探空廓线中分析出液态水廓线,计算出有云情况下的大气整层透过率,进而得到路径积分衰减,为降水雷达衰减订正提供一种有效手段.     

不同天气条件下微波辐射计和风廓线雷达探测数据误差特征分析

为探讨微波辐射计和风廓线雷达探测数据的准确性和可用性,利用天津全运会期间获取的GPS探空资料,分析不同天气条件下微波辐射计探测温湿度、风廓线雷达测风的误差特征。结果表明：晴天、云天和雨天条件下,微波辐射计反演低空温度廓线效果均较好,反演高空温度廓线误差较大,云天条件下,反演的整层温度廓线与探空实测值相关性最优;3种天气条件下,微波辐射计反演相对湿度廓线的误差均较大,与探空实测值的相关性也较差;晴天和云天条件下,风廓线雷达探测风向、风速的误差均较小,雨天风廓线雷达测风效果较差;晴天和云天条件下1750 m以上,雨天3000 m以上,风廓线雷达探测风速数据与探空实测值相关性较好,低空探测风速与探空相关性较差;3500 m以下,3种天气条件下风廓线雷达探测风向与探空实测值相关性较差,3500 m以上相关性较好,数值在0.6—1.0之间波动变化。