大气水汽总量的垂直分解

利用1986-2001年探空资料, 分析了我国5个不同地区的水汽垂直分布规律, 建立了大气边界层以上比湿随气压为幂函数分布, 边界层内比湿随气压线性分布的模型, 并用2004年11月-2005年10月的探空资料、 NCEP再分析资料作了对比检验和误差分析, 最后将模型应用于微波辐射计反演水汽总量的垂直分解.结果表明, 模型分解产生的误差越接近地面则越大, 对于1 mm总量的水汽, 分解得到的比湿最大误差为0.1 g·kg-1.     

中国区域再分析湿度资料与均一化探空湿度资料的对比分析

利用1980—2010年中国98个探空站均一化月平均温度和温度露点差资料(OBS)和NCEP/NCAR(NCEP)、ERAInterim(ERA)、JRA-25(JRA)3种再分析月平均比湿资料,使用相似分析、趋势分析等方法对中国区域4种资料高空比湿进行了对比分析。结果表明:(1)从空间分布特征分析,JRA比湿与OBS比湿的空间分布相似系数最大。(2)3种再分析资料比湿普遍大于OBS比湿,除个别站点个别层次外,JRA和OBS比湿更加接近;再分析比湿和OBS比湿的相对偏差随高度增加而增大,且冬春季大于夏季。(3)从长期变化趋势分析,在对流层低层,JRA和0BS比湿较接近,在对流层中高层ERA和OBS比湿较接近。     

西藏那曲地区一次霰过程的大气边界层特征分析

本文利用探空气球加密观测资料和欧洲中心ERA-Interim 0.125°×0.125°再分析资料,对2016年8月29日午后降霰过程进行大气边界层特征分析,与同年8月26日典型晴天个例对比分析,结果表明:降霰过程前,温度0℃线随时间增加而升高,温度递减率分层现象显著,逆温层不明显,边界层多为对流不稳定层结;位温随高度增加而增加,随时间增加呈现5K·(2h)~(-1)的增加趋势;比湿随高度增加而减小,水汽含量较晴天更大;风速随高度呈多层次变化,近地层风速大于晴天同高度风速,边界层顶风速小于晴天边界层顶风速,风向始终以西风为主,随高度不存在大波动;降霰过程前云覆盖量大,云层厚度达4000m,存在复杂垂直运动,近地层为下沉运动,云层内为上升运动。综合以上可以看出那曲29日降霰过程前,08时边界层内存在明显过冷水,边界层顶波动极大,08时存在最大高度(3780m),10时为最低高度(850m)。位温随时间增加而上升,持续积累能量达6h,比湿大于晴天,边界层内风速大于晴天,且随高度变化不大,风向始终以西风为主,存在深厚的云系提供水汽,云内的上升运动和云下的下沉运动是促发霰过程的主要动力机制。     

副热带高压边缘一次暴雨天气诊断分析

利用NCEP再分析资料,对2014年5月25日湖南一次暴雨过程进行分析。结果表明:500h Pa高空槽、副热带高压、中低层切变线、地面冷锋是此次暴雨的主要影响系统。暴雨发生前,850h Pa比湿达16g·kg~(-1)、水汽通量达16~18g·cm~(-1)·h Pa~(-1)·s~(-1),700h Pa以下湖南有高达360K以上的假相当位温高能中心。暴雨发生时,垂直速度最强中心出现在400~600h Pa附近,达到-1.8~-2h Pa·s~(-1)。从850h Pa湿位涡水平分布来看,暴雨发生时,湿正压项等值线密集,且暴雨落区主要位于等值线密集带正负过渡地带附近;湿斜压项为负值区,且最小值为-0.4PVU,说明大气斜压性较强,对暴雨有一定的指示意义。从湿位涡垂直分布来看,中低层湿正压项正负值交界附近与强降水有较好的对应关系;中低层湿斜压项负值区指示大气斜压性较强、与正值区交汇处附近对强降水有一定的指示意义。     

加密探空资料同化对北京地区边界层数值模拟的影响

基于2016年8月28日至9月2日在北京市宝联站、朝阳站、大兴站获得的逐3 h加密探空资料,利用WRF V3.9.1模式和WRF-3DVar系统,对北京地区大气边界层进行数值模拟试验,研究加密探空资料同化对边界层数值模拟的影响。结果表明:同化形成的分析场较背景场更接近观测值,更能表现边界层内真实大气的热力、湿度状态及动力特征。位温、比湿、纬向风、经向风、风速分析场的均方根误差分别较背景场的减少了86%、59%、24%、44%、19%,体现出同化的较强修正作用。加密探空资料同化的预报效果在模式积分6 h内最好,之后同化作用的大小及范围逐渐减弱。加密探空资料同化对边界层内大气湿度状态在整个预报时段内均有改进,对边界层内大气热力状态的改进持续6 h,对于边界层内大气动力特征的改进,纬向风改进较多,经向风和风速不明显,这与风的自身属性、北京市的复杂地形有关。另外,加密探空资料的站点数在空间水平方向上比较少也是导致同化在分析场的改善作用明显但是效果难以持续较长时间的原因之一。     

塔克拉玛干沙漠腹地夜间稳定边界层观测个例分析

利用塔克拉玛干沙漠腹地2016年7月13-14日和26-27日GPS探空和地面气象观测资料,分析了塔克拉玛干沙漠夏季晴天夜间各气象要素垂直廓线特征。结果表明:夜间(21:00至次日08:00,北京时,下同)稳定边界层的厚度达到240 m。残余混合层最大厚度与前一天对流混合层厚度相当,随时间推移其厚度到10:15损耗近三分之一,残余逆温层顶盖厚度达到400 m;在残余逆温层顶盖和稳定边界层顶附近有风速极大值出现,而07:15稳定边界层顶附近有低空急流发展,其最大风速达到10.8 m·s~(-1);夜间低空处比湿的变化趋势是先增后减小再增大的过程,其最小值为2.95 g·kg~(-1),出现在04:15的稳定边界层顶附近。残余混合层内比湿随高度略微增大;夜间逆温层对水汽通量有阻挡和聚合的作用,使其在稳定边界层顶和残余混合层顶附近出现极大值,并于07:15达到最大值。垂直水汽通量于04:15在残余混合层中下部做下沉运动、上部和残余逆温层顶盖中做上升运动;同时,夜间陆面过程中,存在较强的辐射冷却和较小的摩擦速度,这也是形成较为浅薄的夜间稳定边界层主要的热力因素和湍流动力因素。     

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。     

湿地下垫面大气边界层温、湿廓线的数值模拟及影响因素分析

应用大气二维边界层数值模式,对2008年夏季洪河国家级自然保护区沼泽湿地1000m高度边界层的温度、湿度廓线进行了3次模拟试验,并模拟分析了风速和下垫面粗糙度对湿地边界层温、湿廓线结构的影响.结果表明:(1)大气二维边界层模式可以较好的模拟湿地下垫面边界层的温、湿结构,并且该模式对位温的模拟效果优于比湿;(2)风速和粗...     

基于加密探空资料对不同海拔高度台站边界层大气的对比分析

本文利用中国气象局成都高原气象研究所西南涡加密观测试验获取的探空资料及地面台站资料,对比分析了高原东侧的四川省境内不同海拔高度台站的边界层特征,结果表明:高海拔地区地表大气受陆面的影响更为剧烈,日变化幅度更大,且极值出现时间更早。温度/比湿/风速的差异都主要体现在低层边界层大气中,越靠近地面,差异越显著。其中,温度递减率在02:00（北京时,下同）最小,14:00最大,高海拔测站受陆面影响的大气层厚度比低海拔测站大,低海拔测站在近地层300 m以下大气中存在明显的逆温现象。14:00近地层大气的比湿最小,午夜02:00近地层大气的比湿最大,高海拔地区低层大气的平均比湿递减率小于低海拔地区。高海拔地区风速日变化幅度大,4个时次的风速廓线形态差异也大;低海拔地区风速变化幅度小,4个时次的风速廓线形态也比较一致。高海拔台站地表大气的日变化幅度大,极值出现时间略早。     

利用探空气球升速判定敦煌夏季白天边界层高度的分析

大气边界层高度是表征大气边界层的一个重要参数。利用2009年8月20～23日在甘肃敦煌进行的9次探空试验资料,分析了位温和探空气球的上升速度随高度的变化特征。结果表明,探空气球的上升速度也可以作为大气边界层高度的判定指标。通过分析用位温与探空气球上升速度所定的边界层高度,得到敦煌盛夏的边界层高度最高可达到4 300 m...     

中国东北和西北区域三种再分析资料与探空资料的温度对比分析

利用中国105站的探空资料以及NCEP/NCAR、ERA和JRA三种再分析资料,采用均方根误差、趋势分析等多种统计分析方法,对再分析资料的高空温度在中国东北和西北区域的可信度进行了分析。结果表明：在气候平均方面,JRA资料相比于探空资料的均方根误差较小,冬季的均方根误差较小,西北区的均方根误差普遍大于东北区;在年际变化方面,东北区三种再分析资料在低层的反映程度明显好于高层,西北区各层三种再分析资料与探空资料的差值普遍比东北区大;在长期变化方面,三种再分析资料在对流层低层都较好,东北区NCEP资料能更好地反映探空资料高层的降温趋势,而在西北区,则是JRA资料能更好地反映探空资料高层的降温趋势。     

3种再分析资料的高空温度与中国探空温度资料的对比:年平均特征

利用中国105站的探空资料以及NCEP/NCAR、ERA和JRA 3种再分析资料,采用线性趋势、标准差、相关系数、EOF分析等多种统计分析方法,对再分析资料年平均的高空温度在中国区域的可信度进行了分析.研究表明:在数值上,3种再分析资料的高空温度均小于探空资料的高空温度,NCEP/NCAR资料在对流层上层更接近于探空资料,ERA和JRA资料则在对流层中下层与探空资料更为接近;在描述年际变化和长期变化趋势方面,ERA资料在我国北方的对流层上层的再现能力较好,NCEP/NCAR资料在我国南方的对流层上层的再现能力较好,而3种再分析资料在对流层中下层的再现能力相当;在时空变化特征方面,NCEP/NCAR和ERA资料能较好地表现高空温度的年代际变化特征,而ERA和JRA资料则能较好地表现年际变化特征.     

基于地基遥感设备构建遥感探空廓线

利用天津地基遥感(风廓线雷达和微波辐射计)数据及地面自动气象站数据构建地基遥感探空廓线系统(简称遥感探空廓线), 旨在弥补常规探空层结信息时空密度不足, 对2020—2021年5—9月遥感探空廓线反演结果进行模式检验, 并从中选取10次强对流过程进行个例效果评估。结果表明:反演数据与欧洲中期天气预报中心再分析数据(ERA5)比湿的平均绝对偏差为1.06 g·kg-1, 对流有效位能相关系数为0.84(达到0.01显著性水平)。10次强对流过程中强对流发生前临近时次常规探空对流有效位能平均值为322 J·kg-1, 遥感探空廓线具有分钟级时间分辨率, 能高时效性地跟踪大气状态的演变趋势, 对流发生前8 h内对流有效位能平均峰值为1451.88 J·kg-1, 与常规探空相比具备明显对流指征。研究表明:遥感探空廓线能动态描述热动力参数的配置及对流潜势的发展与释放过程, 有利于提高短时临近预报的精细化水平。     

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。     

不同天气条件下地基微波辐射计探测性能比对

利用探空数据和毫米波云雷达数据,对在大气探测试验基地同址观测的国内外3种型号地基微波辐射计进行1年（2016年10月—2017年9月）的比对分析,重点分析不同型号地基微波辐射计在晴空和云天下温、湿观测性能特征。结果表明:3种型号地基微波辐射计温度与探空相关系数均超过0.98,达到0.01显著性水平;晴空条件下,德国及国产地基微波辐射计温度平均误差均在±1℃以内（前者为负偏差,后者为正偏差）,误差较小,美国地基微波辐射计系统偏差约为-1.8℃;3种型号地基微波辐射计均方根误差随高度递增,整体均方根误差以德国地基微波辐射计2.2℃为最小,美国地基微波辐射计3.8℃为最大;在有云条件下,3种型号地基微波辐射计平均误差分布较晴空条件下无明显变化,均方根误差较晴空条件有约增加0.5℃。3种型号地基微波辐射计均呈晴空相对湿度误差小于云天误差,低空误差小于中高空误差的特点;晴空条件下,美国与国产地基微波辐射计相对湿度均方根误差分别为15%和18%左右,小于德国地基微波辐射计;云天条件下3种型号微波辐射计均方根误差均较大（26%左右）。     

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。     

利用多种再分析资料对比分析青藏高原夏季大气水汽含量变化情况

利用ERA-Interim、MERRA和NCEP/NCAR三套再分析资料,分析1979~2014年夏季青藏高原大气水汽含量的时空变化特征,同时对比了各套资料异同点,结果表明:(1) ERA-Interim和MERRA资料均显示出夏季青藏高原大气水汽含量呈现显著的上升趋势,在1994~1995年前后发生明显突变,大气水汽含量由偏低时期向偏高时期转变;而NCEP/NCAR资料并没有出现类似的显著上升趋势和突变年份;ERA-Interim资料与MERRA资料的夏季青藏高原湿池指数之间的相关性明显强于NCEP/NCAR资料与它们任何一个之间的相关性。(2)夏季青藏高原大气水汽含量呈现出自高原东南边缘地区向西北部递减的分布形式。其中,MERRA与ERA-Interim资料显示的水汽含量分布更为相似,而NCEP/NCAR资料反映的水汽含量在高原中部往北递减不明显,湿度中心较为分散。(3)从空间分布上,MERRA与ERA-Interim资料显示青藏高原大部分地区夏季水汽含量均呈显著的增加趋势,而NCEP/NCAR资料仅在高原东北部小部分区域存在显著的增加趋势。(4)从夏季青藏高原大气水汽含量的年际变化特征分析来看,ERA-Interim和MERRA资料相对于NCEP/NCAR资料也更为接近。      

基于气象要素内插的GPS水汽反演方法研究与精度分析

准确获取测站气压和温度对GPS水汽反演至关重要。由于我国地域辽阔、经济和社会发展的差异较大,我国GPS气象站网有部分站点未布设气象传感器,无法准确获取测站的气压和温度,其对测站上方水汽造成了较大影响。本文提出一种增加高度订正的反距离加权法,并利用全国113个GNSS气象站(包括25个实验站点,88个插值站点)的连续3个月的气象数据对该方法进行验证。结果表明,内插得到的气压和温度的均方差为1.53 hPa和1.18 K,平均偏差为0.94 hPa和0.82 K。精度随着内插站点与实验站点之间高差的增大,偏差随之增大。最后将内插得到的气压和温度应用于GPS水汽解算,并与GPT-2模型的精度对比。内插气象数据得到的PWV(Precipitale Water Vapor)的均方差和平均偏差为0.59 mm和0.38 mm,精度明显优于GPT-2模型。