RPG-HATPRO-G3地基微波辐射计反演产品评估

RPG-HATPRO-G3地基微波辐射计采用“多通道并行测量技术”,性能稳定,反演精度高。应用该微波辐射计和常规L波段探空数据,比较了微波辐射计反演数据与探空测值的差异。结果表明：温度、水汽密度与常规探空资料比较有很好的线性相关性,对仪器维护后可以提高数据质量;相对湿度数据离散度较高。比较无降水时不同高度下微波辐射计反演数据的精度,温度在1 000 m以下低层平均误差和均方根误差较小;水汽密度的平均误差和均方根误差均为近地面较大,随高度而减小;相对湿度的平均误差和均方根误差都明显较大,温度和水汽密度的准确性高于相对湿度。降水时不同高度的温度、水汽密度和相对湿度的平均误差和均方根误差变化趋势均与无降水时相似,但是误差值明显偏大;降水时反演温度在2 000 m以下误差较小,水汽密度在3 000 m以下反演值较探空测值大,相对湿度在降水时的误差较大。     

MP-3000A型微波辐射计气温、湿度的适用性评估

对比分析了重庆沙坪坝MP-3000A型地基微波辐射计与同址L波段探空气温、湿度廓线之间的差异,结果表明:1)微波辐射计与L波段探空气温在整个探测高度上均为显著正相关,且低层高于高层;08时气温平均偏差小于20时,晴空天气下最小,4 km以下微波辐射计探测气温高于L波段探空气温,降雨时偏差更大。2)微波辐射计与L波段探空相对湿度相关性稍高于气温,5 km以下,08时的相关性低于20时,5 km以上两个时次基本一致;在中低层,微波辐射计反演相对湿度偏大,偏差幅度大于高层;有云、晴空和降雨三种天空状态下,降雨时,水汽附着在微波辐射计的天线罩上,造成雨天的探测失真较为明显,对微波辐射计反演产品的精度产生较大影响,从而造成降雨天气时相对湿度偏差最大,有云时次之,晴空时相对湿度的偏差最小。     

高原地区基于微波辐射计反演大气廓线的神经网络算法研究

以2007~2018年西宁二十里铺气象站探空资料为模拟样本,利用MonoRTM模式模拟中心频率21.985~58.759GHz的35通道亮温,应用BP神经网络对模拟数据进行反复训练,构建最优反演模型,并以2019年探空资料为测试样本,对比分析了不同季节和不同天气条件下BP神经网络与微波辐射计的反演效果。结果表明:晴空条件下,BP神经网络与微波辐射计在温度反演上效果最佳,水汽密度次之,相对湿度最差,其中冬春季BP神经网络反演效果优于微波辐射计,夏秋季反之;有云条件下,BP神经网络温度反演效果在冬、春和夏季均优于微波辐射计,其水汽密度反演效果在四季均较微波辐射计有明显提升,其相对湿度反演效果在冬、春和夏季均较微波辐射计更佳。晴空和有云条件下,BP神经网络在不同季节反演温度、水汽密度和相对湿度的平均绝对误差和标准偏差均小于微波辐射计,尤其是相对湿度的反演精度提升最为明显。晴空条件下,BP神经网络反演温度廓线在春、夏和秋季效果最佳,反演水汽密度廓线在中低层精度较高,反演相对湿度廓线的精度较差,但基本和探空资料趋势一致;有云条件下,BP神经网络反演温度廓线与晴空时基本一致,较微波辐射计精度更高,反演水汽密度和相对湿度廓线在8km以上效果较好。      

MWP967KV型地基微波辐射计反演产品的质量评估

利用MWP967KV型地基微波辐射计和L波段探空资料,采用了平均误差、相关分析、回归分析等统计方法,评估了微波辐射计和L波段探空在降水和无降水时温度、相对湿度、水汽密度的差异,了解地基微波辐射计的性能。研究结果表明:(1)微波辐射计和探空探测温度、相对湿度和水汽密度为显著性的线性相关,两者相对湿度相关性不如温度和水汽密度高,且离散度较大。(2)无降水时,相对湿度和水汽密度平均误差小,有降水时,温度和相对湿度的均方根误差大;在低层时,无降水时温度平均误差小,水汽密度的均方根误差大,中高层时,有降水时温度平均误差小,水汽密度均方根误差大。(3)温度和水汽密度为显著性正相关;相对湿度在有降水时表现为0~2km的显著性正相关和9.25~10km的显著性负相关,无降水时表现为0~8km的显著性正相关。总体来看,微波辐射计能弥补探空时空不足的问题,相对湿度的可信度需要进一步提高,降水对微波辐射计影响较大。      

地基微波辐射计反演的青藏高原东侧甘孜大气温湿廓线分析

微波辐射计能够获取分钟级别的大气温湿廓线,可以弥补气象探空在时间分辨率上的不足。本文利用青藏高原东侧甘孜站2017年8—10月并址观测的微波辐射计和探空资料,对微波辐射计反演大气廓线的精度进行分析,并利用这些廓线探讨甘孜大气热力和云水变化特征。分析结果显示,总体上微波辐射计反演参量与探空观测之间具有高相关系数,微波辐射计反演的温度、相对湿度和水汽密度与探空观测的偏差分别为1.3℃、-2%和0.71 g·m~(-3),相应的均方差分别为2.9℃、20%和1.08 g·m~(-3),非强降水对微波辐射计观测质量的影响较小。微波辐射计与探空的温度偏差在多数高度层上小于2℃,能够达到气象业务的偏差要求。非雨天时微波辐射计与探空的相对湿度偏差在多数高度层上约为10%,雨天时相对湿度偏差在3.5 km以下小于5%。基于甘孜微波辐射计资料的统计分析发现,甘孜大气具有白天干热、夜间湿冷的日变化特征,云液态水含量白天较小、夜间较大,而且白天低层云发展较弱、云底较高,夜间低层云发展较强、云底较低。云液态水含量在云天和雨天具有相似的垂直结构,云液态水含量随高度增加先快速增大,然后在一定高度内波动变化,之后又快速变小,能够较好地指示入云和出云的特征。此外,云天低层云的云体主要处在0.1—2.5 km高度,而雨天低层云的云体分布高度范围更大为0—3.5 km高度。这些分析结果表明,微波辐射计反演大气廓线在甘孜具有可用性,能为定量研究云特征提供科学数据。     

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。     

北京冬奥会云顶赛场微波辐射计反演大气温湿廓线分析

利用冬奥会云顶赛场2019年1月22日至3月30日自动站以及张家口探空资料,对微波辐射计反演温湿廓线的精度进行了分析,并结合NCEP/NCAR逐6 h再分析资料探讨了赛场夜间热力、水汽特征及其成因。结果表明:总体上微波辐射计反演温度和水汽密度与自动站、探空观测之间一致性较好,相对湿度略差。微波辐射计反演温度平均误差在各个层次相对不大,可用性较强;水汽密度均方根误差表现为近地面较大,随高度升高而减小;相对湿度平均误差在多数层次上均较大,最大平均误差达到25%。云和降水均会导致温度和水汽密度在大部分高度上误差加大,但降水天气相对湿度误差较晴空和有云天气条件明显减小。进一步研究赛场夜间热力、水汽特征发现,夜间逆温层结构在云顶赛场十分常见,出现概率达到50%,逆温层顶一般在山顶附近或以下,当配合暖平流时,逆温层厚度和温差将大大加强。锋区移过后中低层下沉运动以及中低层暖平流都可能给赛场带来明显的夜间增温。下沉运动主导的增温过程中,微波辐射计参数廓线表现为中低层温度整体升高,低层水汽密度在下沉辐散作用下明显减小。在中低层暖平流主导的增温过程中,增温强度随高度升高而减小,且增温过程表现出明显的增湿现象。     

邢台地区微波辐射计与无线电探空仪数据对比分析

利用2018年1月至2019年12月河北省中南部地区的微波辐射计和探空数据，将两种探测设备取得的资料在时间和空间上进行点对点匹配，共筛选出187条晴空廓线、1176条云天廓线和12条毛毛雨天廓线，定量分析了各个高度层的晴天、云天和毛毛雨天气条件下两种大气探测设备的温度、相对湿度和水汽密度廓线的相关性及误差情况。结果表明：3种天气条件下的微波辐射计与无线电探空仪温度和水汽密度的相关性整体较好，地基微波辐射计观测的大气参数分布存在不同程度的差异，但是微波辐射计和探空的变化趋势一致性较好，并且无线电探空仪观测的大气参数和微波辐射计反演的温度、相对湿度和水汽密度相关性整体上均呈现低层大气优于高层大气，温度相关性最好，水汽密度次之，相对湿度最低。通过对比各个高度层的拟合程度，发现3.5 km以下的低层大气参数精度更可靠，对于需要间接计算的大气物理量，如K指数、有效位能、积分水汽含量等，使用低层数据计算的大气物理量精度会更好。本文开展的地基微波辐射计反演的大气物理参数与探空仪观测对比研究工作，对提高微波辐射计在大气物理和人工影响天气的探测精度方面具有参考意义。     

MP-3000A型地基微波辐射计探测性能及其在乌鲁木齐降水天气中的初步应用

利用乌鲁木齐MP-3000A型35通道地基微波辐射计与L波段高空气象探测系统2010年逐日探测的温湿度,分析微波辐射计探测温湿度性能及其在降水天气中的特征。结果表明：微波辐射计与探空测量温、湿度具有很好的相关性和一致性,两者观测58层高度的温度、相对湿度、水汽密度和整层可降水量的相关系数分别为0．99、0．74、0．92和0．94,均达到0．01显著性水平。10km以下垂直廓线分析表明：微波辐射计测量的温度值均小于探空测量值,相对湿度和水汽密度大于探空测量值,存在系统误差。可降水量偏差冬季最小,夏季最大。降水发生时两者探测的温湿度廓线变化趋势一致,温度和2000in以上水汽密度受降水天气影响相对较小,微波辐射计能较好地反映大雨和暴雨天气发生和结束过程中热力和水汽参数的时空分布和剧烈变化特征。     

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。     

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。     

不同时次地基微波辐射计反演产品评估

利用北京大型活动期间探空和微波辐射计资料,采用统计方法进行评价分析,目的是了解该型微波辐射计的性能。结果表明:①总体平均:对温度,有降水时误差变化范围大,无降水时相对比较小,比较平稳;无降水时比有降水时更接近于探空观测结果。对相对湿度,误差的变化与温度比较相似,但从相对误差的变化来看,有降水时比无降水时小。无降水时反演的相对湿度与探空的比较一致。②不同时次:对温度,无降水时统计量随高度的变化规律性比较明显,趋势一致;有降水时的规律相对较差。无降水时,20:00误差比较小,比较接近探空;14:00误差比较大。有降水时,各时次误差比无降水时大,反演的20:00温度变化曲线与探空最接近。对相对湿度,无降水时统计量随高度的变化规律性比较明显,趋势较一致;有降水时的规律性相对比较差。总体来看,降水对微波辐射计影响较大,反演的20:00的资料误差小一些,5000m高度上下误差变化比较大,与云层有关。     

云雷达和微波辐射计联合反演大气湿度廓线的初步研究

利用中国气象局大气探测试验基地的微波辐射计亮温值、对应的云雷达测得的反射率因子和L波段探空数据,采用BP(back propagation)神经网络作为反演工具,反演得到大气垂直湿度廓线。将天气情况分为晴天、低云、中云和高云四种情况,对比不加入反射率因子的反演湿度廓线,分析两种反演方法在各高度层的均方根误差。对比结果表明,加入反射率因子的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.862,均方根误差为14. 9%,而不添加反射率因子的相关系数平均值为0.763,均方根误差为19.2%。     

复杂山地环境下雷暴天气中的地基微波辐射计影响距离分析

利用2017年2月-2018年10月地基微波辐射计和无线电探空仪、闪电和雷达数据, 首先评估了微波辐射计温度和绝对湿度在不同高度的探测性能, 微波辐射计和无线电探空仪不同高度的温度的相关系数为0.800~0.985, 绝对湿度的相关系数为0.600~0.916;微波辐射计温度的标准差为3.9~6.1℃, 绝对湿度的标准差为0~4 g/m3, 无线电探空仪温度的标准差为4.2~6.1℃, 绝对湿度的标准差为0.1~4.2 g/m3; 微波辐射计和无线电探空仪温度绝对误差的标准差为1.06~2.90℃, 绝对湿度绝对误差的标准差为0.08~2.02 g/m3。二者K指数相关系数为0.945。其次利用K指数上升和下降到35℃的时次和不同距离闪电开始和结束时次做相关性分析, 结果表明在30 km处具有最大的相关系数(0.864), 这可能就是微波辐射计温度和湿度在复杂山地下雷暴天气中能够代表的大气层结的有效距离。最后统计分析了微波辐射计K指数上升达35℃时, 90%上游移向微波辐射计的雷暴回波(30 dBZ雷达回波超过-15℃高度层)距离微波辐射计平均距离为35.3 km, 移到微波辐射计附近平均需要92.8分钟, 局地雷暴(40 km以内)生成需要138.2分钟。      

微波辐射计反演大气温湿度廓线与降水相关性分析

利用辽宁省阜新蒙古族自治县QFW-6000型地基微波辐射计和邻近探空资料,对微波辐射计反演精度进行评估,分析云中积分液态水含量、积分水汽含量与降水量的变化特征。结果表明：微波辐射计的反演参量与探空资料具有高相关性,反演的相对湿度基本大于探空测量的相对湿度,近地面与高层的误差在5%以内。基于云中积分液态水含量与降水量的统计分析发现,降水开始前存在明显跃增,云中积分液态水含量会快速增大到1 mm以上,随着降水的持续,云中积分液态水含量一直维持在2 mm以上,当降水结束,云中积分液态水含量迅速回落至0.2 mm以下。积分液态水和积分水汽含量为雨天>云天>晴天,积分水汽含量在不同天气下具有相似的垂直结构,均表现出随高度升高递减的变化趋势,水汽在高空的递减速率相对较慢,到近地层递减速率明显加快;云中积分液态水含量在云天和晴天的垂直分布结构相似,最大值分别为0.15 g·m^-3和0.10 g·m^-3,均位于1 km高度处;雨天云中积分液态水含量具有两个峰值区间,分别位于1.0 km和2.5 km高度处。云中积分液态水含量和积分水汽含量呈现白天高值而夜间及清晨低值的日变化特征,云底高度则呈相反的变化趋势。     

微波辐射计反演产品评价

利用北京南郊探空资料,对从美国进口的微波辐射计近3年反演资料,从总体平均、早晚平均、平均年变化以及不同天空状况4个方面进行分析、评价,以了解该设备的性能和产品特点。结果表明:①温度均方根误差从近地面到5000 m,误差逐渐增大,5000 m以上又逐渐减小。相对误差总体平均不到0.2,且均为正,表明仪器反演的温度比探空的偏高。②湿度从近地面到3000 m误差逐渐增大,3000 m以上逐渐减小。总体平均相对湿度的误差均为正,表明仪器反演出的相对湿度比探空的偏高。③从温、湿度误差的早晚对比看,20:00的误差相对比08:00小。④从不同天空状况看,温度碧空、多云间晴效果较好,多云转阴、阴天效果较差;湿度多云转阴、阴天效果较好。⑤从温、湿度误差的年变化来看,温度均方根误差1500 m以下年内变化幅度较小,1500 m以上变化幅度较大,呈现出8月误差最小,3、4月最大;相对湿度的均方根误差在1500 m以下年内变化比较相似,1500 m以上脉动变化比较大。     

国产MWP967KV型地基微波辐射计探测精度

MWP967KV型地基微波辐射计是我国自主研发,拥有完整自主知识产权的新型大气微波遥感探测设备,为了实现国产设备在气象业务中的应用,需对设备的探测精度进行对比分析。利用2015年8月—2018年3月四川盆地南部山区的无线电探空数据和地基微波辐射计数据,分析晴空和有云天气条件下温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线及相关物理参数的精度。结果表明:晴空、层积云和高积云的微波辐射计与探空仪的温度、水汽密度和相对湿度相关系数整体上分别在0.9890,0.9665,0.5868以上,均达到0.01显著性水平。3种参数廓线的相关系数整体均呈地面大于高空,仅温度廓线相关系数达到0.01显著性水平,相对湿度廓线和水汽密度廓线在高空的相关系数未达到0.01显著性水平。3种参数的相关性整体上温度最高,水汽密度次之,相对湿度最低。温度、相对湿度和水汽密度的均方根误差平均值分别为2.8℃,22%和1.38 g·m-3,温度廓线和相对湿度廓线在层积云和高积云的云中及云上的精度明显降低,均方根误差较云层下温度升高1℃~2℃,相对湿度增大10%~20%。逆温层会影响廓线及物理参数的精度。晴天或云天等大范围相似天气条件下,探空气球飘移距离与温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线偏差的相关性较弱。