基于北斗一号的高空风探测方法研究

我国自2000年建立北斗一号导航系统,2003年开放民用,北斗系统在气象领域的应用广受关注。分析研究北斗一号应用于高空风探测的可行性并进行了试验和验证。利用探空仪实时探测的高精度温、压、湿数据,实时确定探空仪高度,注入北斗定位单元,通过无源定位方式确定探空仪位置,获取计算层风。通过与GPS测风系统进行双施放比对,风速偏差约为0.5m/s,初步满足业务应用要求。     

新型GPS探空仪与业务GTS1 2探空仪对比分析

2012年8月,中国气象局气象探测中心在广东阳江开展自动探空系统新型GPS探空仪比对试验,对比分析其技术改进后的准确性,试验结果表明：温度测量性明显优于GTS1 2型探空仪。湿度测量结果与RS92型探空仪一致性较好,系统误差在15%RH内,标准偏差在12%RH内。气压系统误差全量程在±10 hPa内,标准偏差在08 hPa内。位势高度系统误差在±20 gpm以内,标准偏差在70 gpm内。GPS定位测风性能优于GTS1 2型探空仪配合L波段二次测风雷达测风性能结果。     

球载式下投国产北斗探空仪测风性能评估

基于球载式下投北斗探空仪测风观测试验,建立了针对下投式的测风试验评估方法.试验结果表明上升段北斗测风的准确度接近RS92探空仪的探测准确度要求,两者一致性较好;下降段RS92测风误差基本上与上升段的属于同一量级水平,下降初期测风数据在使用时需要做预处理或者有效控制;下降段BD探空仪测风误差与下降段RS92的基本相当,除了球炸初期外,基本上接近WMO的测量要求,此外初期的急速下降对导航定位测风提出了更高的技术要求.整体而言,球载式下投探空观测在时间上可以实现对原有的1次探空进行加密,在空间上可以增加1个区域的探测,并为对现有探空站网分布进行合理优化提供依据,具有良好的应用前景.     

北京城市复杂下垫面条件下三种边界层测风资料对比

利用2016年8月28日至9月2日北京市朝阳区气象观测站激光测风雷达、风廓线雷达和GPS探空仪同步观测数据,对比分析三种测风仪在城市复杂下垫面条件下边界层不同高度处的测风性能。结果表明:(1)激光测风雷达与GPS探空仪测风结果具有较好一致性,风速、风向的相关系数分别为0. 66～0. 96、0. 71～0. 98,其中风速平均绝对误差小于2 m·s-1,风向误差在20°之内。(2)风廓线雷达资料的精度相对较差,与GPS探空仪的风速、风向相关系数分别为0. 66～0. 91、0. 55～0. 86,误差随高度呈现先减后增的垂直分布特征。其中,400～1000 m高度范围两种资料的吻合度最高,相关系数在0. 80以上,为仪器最佳测量范围;此外,风廓线雷达的风速整体高于GPS探空仪,两者最大偏差可达4 m·s-1左右,风向平均误差最大可达30°。(3) GPS探空仪的工作方式及测量结果也存在不足,一是观测频次较低,难以详细、精准地描述边界层风场结构的变化过程;二是当存在垂直风切变时,探测初期具有明显滞后性,由当前状态转变为真实的风场示踪物需要一定时间。     

利用GPS定位资料分析L波段雷达测风性能

新研制的GPS探空仪是在我国高空站网上普遍使用的L波段雷达-数字探空仪系统中增加GPS定位模块,高空风数据不但可以通过GPS定位数据计算获得,同时还可以通过L波段雷达单测风方式进行计算,这样使其自身获得了多方面的动态比对试验。通过对23份对比施放记录分析发现:在一般情况下,经过同等的适当滑动平滑后,从L波段雷达和GPS定位两个独立系统得出的高空风廓线基本一致,说明L波段雷达的测风精度基本可以达到GPS测风水平。但在探空仪上升到高空小风速区且远离测站时,雷达测风精度明显较GPS测风精度低,需要对原始数据进行更大范围的平滑。对照分析表明:目前高空站的L波段雷达观测业务还有较大发展潜力。     

国产GTS1探空仪与VAISALA公司RS92探空仪对比分析

文章从静态指标与动态对比两个方面,对中国国产GTS1探空仪与芬兰Vaisala公司RS92探空仪的综合性能进行对比.对比结果表明,GTS1探空仪温度存在滞后误差,RS92探空仪湿度测量结果明显好于GTS1探空仪,200hPa以上RS92探空仪气压变化低于GTS1探空仪,测风精度方面RS92探空仪高于GTS1探空仪,850hPa以下和150hPa以上GTS1探空仪测风与RS92探空仪存在1m·s-1以内的系统差,RS92探空仪在整体性能上高于GTS1探空仪.     

L波段高空气象探测系统测风算法改进探讨

对我国高空气象观测业务中的平均风计算方法及其存在的问题进行了分析和探讨,提出了完全采用矢量平均风算法来求取高空规定层风的业务流程改进方案;用锡林浩特站和阳江站同球施放的RS92GPS探空仪与L波段雷达-GTS1探空仪的对比观测数据集,对20~200s时间窗口下的各种矢量平均风计算方案及其规定风层计算结果进行了分析比对,提出未来改进的L波段高空气象观测系统可以测试使用时间窗口为30~45s的矢量平均风、使得计算风层达到每150~350m高程一个,以便进一步提高与GPS测风结果的一致性、更好地满足预报服务部门对高空风垂直分辨率的应用需求。     

中国GTS1-2型电子探空仪阳江国际比对结果分析

根据世界气象组织阳江第八届国际探空比对资料,对中国GTS1-2型探空仪系统开展了系统性评估。初步评估结果表明：GTS1-2型探空仪温度传感器系统偏差在0.2℃之内（高度在33 km以下）,标准偏差在1℃之内;气压传感器系统偏差在0.7 hPa之内,标准偏差在1 hPa之内;位势高度系统偏差在40 gpm之内,标准偏差在320 gpm之内;温度、气压、位势高度一致性较好,但是还需进一步改善高空辐射误差修正软件;湿度测量结果与其他国家有一定的差距,具体表现温度在-30℃～-50℃,时间常数明显增大,变化幅度变小,反应滞后;风向风速与GPS导航卫星定位测风的结果比较接近。     

国产GPS探空仪国际比对试验结果

通过2010年7月12日—8月1日第8届世界气象组织阳江国际探空比对,采取同球比对施放方式,选择芬兰Vaisala探空仪作为比对标准,对中国参加国际比对的长峰探空仪与华云探空仪,使用共29次同球比对数据,从典型个例分析与统计分析两方面开展系统性评估。初步评估结果表明:对于温度探测,中国长峰探空仪整体系统偏差在0.4℃之内,标准偏差在0.7℃之内,中国华云探空仪在30 km高度以下性能与长峰探空仪相当,但是30 km高度以上偏差明显增大;对于气压与风的探测,两者系统偏差与标准偏差均较小,表明GPS定位以及气压与风的算法准确;对于湿度探测,与芬兰Vaisala探空仪相比,还存在一定差距,特别是低温性能需要提高。     

基于第8届国际探空比对试验对GTS1-2型探空仪技术改进与对比分析

经过国内学者和WMO的评估,GTS1-2型探空仪需要进行技术改进以适应高空气象观测业务的发展需求.2012年,GTS1-2型探空仪在原体制基础上进行了技术改进(暂命名为GTS1-2A型).2012年8月在阳江探空站开展比对试验,试验结果表明:GTS1-2A型探空仪夜间温度测量性能良好,系统误差在-0.3℃以内,标准偏差总体上在0.2℃左右;日间温度除探测中高层和出入云时外,系统误差整体上在-0.3℃,标准偏差整体上在0.4℃以内;气压除近地层有约-1.5 hPa的系统误差外,整体上系统误差和标准偏差小于GTS1-2型探空仪,尤其标准偏差在全量程范围内在0.7 hPa以内;GTS1-2A型探空仪湿度测量结果与RS92型探空仪一致性较好,灵敏度明显优于GTS1-2型探空仪,系统误差和标准偏差整体上均在10％RH以内.     

利用地基北斗站反演大气水汽总量的精度检验

采用上海市气象局建立的北斗气象站的2014年观测数据和我国自主研发的精密导航数据处理软件PANDA (position and navigation data analysist) 实现了基于北斗数据的大气水汽总量 (precipitable water vapor,PWV) 反演,并将利用北斗卫星信号解算的大气水汽总量 (W_BD) 结果与目前较为成熟的GPS卫星反演结果 (W_GPS) 和无线电探空反演结果 (W_Radio) 进行对比,研究表明:反演的W_BD与W_GPS的均方根误差均低于3.5 mm,反演的W_BD与W_Radio的均方根误差为3.6 mm,两种对比方式的相关系数均在0.95以上,反演方法以及地理位置的差异对于反演结果有一定影响;反演的W_BD能够很好地反映出大气中水汽的变化特征,对于气象短时临近预报、气候分析有指示作用。     

北斗和GPS反演大气可降水量的对比分析

北斗地基增强系统是我国北斗卫星导航系统重要的地面基础设施,它可以获取高精度、高时间分辨率的水汽产品,满足数值预报、空间天气监测和预警业务的需求。本文利用2017年北斗地基增强系统中北斗单模、GPS单模和GPS+BD双模的数据资料,对同址的北斗气象站、GPS气象站和探空站反演大气可降水量进行对比分析,结果表明:(1)现行北斗地基增强系统所提供的数据,可以有效地用来反演大气柱总水汽含量,所得结果合理,平均偏差都小于1 mm,在变化上与GPS系统和探空系统基本一致,对数值预报有一定的指示作用;(2)与GPS系统相比,GPS单模/PWV和GPS+BD双模/PWV的均方差小于2 mm,相关系数均在0. 97以上,表明两者在反演PWV的精度上与GPS系统相当,而北斗单模/PWV的均方差为3～6 mm,相对方差达到了15%～20%,其精度与GPS系统还有一定的差距;(3)与探空相比,北斗单模在个别时次变化趋势上存在不一致的情况,其均方差为2. 14～6. 12 mm,相对方差为15. 32%～20. 84%,其误差可能是由于探测系统误差等因素造成的,而GPS+BD双模和GPS单模会更加稳定。     

北斗反射信号海风探测数据分析与检定

利用导航卫星反射信号(GNSS-R)进行海风海浪探测为海洋气象提供了一种新的观测手段,数据分析及有效性检定是确定系统探测能力的重要过程.在描述北斗GEO卫星进行海风探测机理的基础上,利用北斗反射信号的相关时间进行了海风的反演.同时针对国家北斗应用项目"基于北斗导航卫星的大气海洋和空间监测预警应用示范工程"在山东进行试验和试运行期间产生的风速观测数据进行分析,并通过与标准数据的对比,确定了该方法的有效性.     

基于北斗反射信号的支持向量回归机海面风速反演研究

随着全球导航卫星系统的发展,一种基于导航卫星反射信号(GNSS-R)的海洋遥感技术成为近年来研究的热点。为研究GNSS-R测风方法,分析了海面风速与反射信号时延功率之间的关系,同时结合机器学习方法中的支持向量回归机方法,将反射信号时延功率作为训练标签,最终完成海面风速的反演。将"北斗反射信号海风海浪探测系统——山东示范站"项目期间海风海浪系统的探测结果与同期风速仪探测结果进行对比分析,结果表明,两者具有很好的一致性,海面风速的反演精度为2.4 m/s,证明了基于北斗反射信号的支持向量回归机海面测风方法是可行的。     

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。     

湖北省北斗水汽电离层监测系统基准站设计与实施

2012年底,随着北斗卫星导航系统基本覆盖亚太地区,北斗导航系统逐步替代GPS作为地基水汽研究的主要探测手段将成为我国气象部门一个重要努力方向。重点介绍了利用湖北省GPS基准站现有资源进行北斗水汽电离层监测系统(简称BDS)基准站建设,主要包括现有GPS基准站的情况介绍,北斗水汽电离层监测系统(BDS)基准站的站点选址、探测环境测试、设备安装调试等的设计与实现。湖北省BDS基准站作为我国气象部门首个基于北斗水汽电离层监测示范系统,对今后基准站的建设具有一定的借鉴意义。     

风廓线雷达与L波段雷达探空测风对比分析

为了解风廓线雷达探测的准确性,对北京南郊大气探测试验基地2006-2008年3年的观测资料与常规高空探测资料即L波段雷达探空测风数据进行了对比,计算并分析了不同高度、不同时次、不同风速条件下的对比结果,进行了相关性分析,计算了平均差和标准差。结果表明,二者测风结果有较好的一致性,半小时平均水平风u、v分量的标准差在2.3m/s左右,为风廓线雷达和L波段雷达探空共同的测量误差及不同采样空间和时间的水平风的差异。     

Comparison of Beijing MST Radar and Radiosonde Horizontal Wind Measurements

To determine the performance and data accuracy of the 50 MHz Beijing Mesosphere–Stratosphere–Troposphere(MST)radar,comparisons of radar measured horizontal winds in the height range 3–25 km with radiosonde observations were made during 2012.A total of 427 profiles and 15 210 data pairs were compared.There was very good agreement between the two types of measurement.Standard deviations of difference(mean difference)for wind direction,wind speed,zonal wind and meridional wind were 24.86?(0.77?),3.37(-0.44),3.33(-0.32)and 3.58(-0.25)m s~(~(-1)),respectively.The annual standard deviations of differences for wind speed were within 2.5–3 m s~(-1)at all heights apart from 10–15 km,the area of strong winds,where the values were 3–4 m s~(-1).The relatively larger differences were mainly due to wind field variations in height regions with larger wind speeds,stronger wind shear and the quasi-zero wind layer.A lower MST radar SNR and a lower percentage of data pairs compared will also result in larger inconsistencies.Importantly,this study found that differences between the MST radar and radiosonde observations did not simply increase when balloon drift resulted in an increase in the real-time distance between the two instruments,but also depended on spatiotemporal structures and their respective positions in the contemporary synoptic systems.In this sense,the MST radar was shown to be a unique observation facility for atmospheric dynamics studies,as well as an operational meteorological observation system with a high temporal and vertical resolution.