声学电子遥测系统

1.引言声学电子遥测系统(RACES)能测量低层大气三维风矢量垂直廓线,温度垂直廓线和湿度垂直廓线。本文仅描述测量垂直风和温度的垂直廓线。由于测量是在同一个时间和同一个取样体积中进行的,所以该系统能及时计算出湍流扩散度热力系     

一种依据初始场构造的参考大气廓线及对高原地区预报的影响

地形追随坐标系下的动力学方程组通常都要引入参考大气的概念来减少气压梯度力的计算误差.参考大气的一般取法是满足静止和静力平衡关系,实际大气被看成在参考大气上的偏差.实际大气与参考大气越接近,它们之间的偏差就越小,计算就越精确.参考大气的取法一般有等温大气、定常温度廓线、初始资料进行水平平均的垂直温度廓线等.本文在一个非静力的中尺度模式中选取经过水平平均的初始温度场的垂直廓线构造模式的参考大气廓线.但是初始资料在三维空间是离散的,这里根据三次样条函数的分段连续光滑的性质,构造了随起报时间不同而不同的,只随高度变化的解析形式的参考大气廓线.构造的参考大气廓线完全满足静力平衡关系,方程中的静力平衡部分可以得到最大限度地扣除.试验表明,与等温大气相比,这种根据初始状态选取的参考大气和实际资料更接近,在大地形附近气压梯度力的计算误差更小,500 hPa高原附近的24 h气压预报更精确.     

基于多普勒天气雷达的垂直散度和温度平流廓线反演

垂直散度廓线可用于推断大气垂直运动情况,垂直温度平流廓线可用于推断大气层结是否稳定,有助于预报员推断本站降水演变趋势。鉴于我国多普勒天气雷达中还没有垂直散度和温度平流廓线产品,提出了这两种产品的反演方法。首先使用分层VVP方法从雷达体扫径向速度资料中反演出雷达站上空的垂直风廓线和垂直散度廓线,然后在假设大气处于地转平衡条件下,基于温度平流与地转风随高度的变化关系,从垂直风廓线中反演出垂直温度平流廓线。以两次大范围暴雨天气过程为例,反演了雷达站上空的垂直风廓线、散度廓线和温度平流廓线,并对反演结果进行了分析。结果表明:在雷达周围有大范围降水回波的情况下,使用分层VVP方法能合理地反演出雷达站上空的垂直风廓线和散度廓线;在这种情况下,反演的垂直风廓线代表各个高度雷达有效探测范围内的平均水平风,可近似满足地转平衡条件,因此,使用热成风方程能较为合理地从垂直风廓线中反演出垂直温度平流廓线;三个反演产品的合理性可用天气学理论和天气实况来解释。     

用探空资料检验中尺度数值模式对强对流天气的诊断分析能力

提高对流天气临近预报准确率的关键问题之一是了解大气的垂直稳定度和垂直风切变。中尺度数值模式产品提供了高时空分辨率的大气稳定度和垂直风切变信息，需要首先检验其精度才能进一步考虑其在对流天气预报中的应用。利用北京加密探空资料检验北京市气象局3km分辨率的MM5模式结果，对强对流天气的背景参数包括温湿风垂直廓线、对流有效位能CAPE和垂直风切变进行模式分析和预报与探空对比检验。结果表明：模式模拟的各种大气廓线中，风廓线和温度廓线都具有一定的参考价值，与实况有较好的一致性，但在廓线出现转折的地方，如：逆温层和风向转折时，模式预报较差。露点（湿度）廓线的预报误差较大，不能反映出真实水汽场的分布。因此，模式预报的深层（地面至500hPa）垂直风切变与探空具有较好的一致性，而模式给出的对流有效位能CAPE由于露点预报结果不理想，其值与实际偏差较大。因此模式输出的对流有效位能CAPE必须经过适当订正才能用于诊断强对流天气发生的可能性。     

利用气象卫星资料反演大气温度廓线的初步试验

气象卫星垂直探测资料在国外已广泛用于数值天气预报中,本文介绍了由气象卫星垂直探测资料反演大气温度廓线的方法及回归反演系数的计算。最后给出了利用NOAA-7 TOVS资料反演大气温度廓线的试验结果。试验结果与常规探测温度的比较表明:绝对平均偏差和均方根误差在各等压面上大致为2—3℃。     

红外超光谱资料(AIRS)反演“云娜”台风外围晴空大气温度廓线的研究

研究反演了2004年8月11日“云娜”台风附近晴空像元大气温度、臭氧廓线及表层温度、地表气压、地表比辐射率等参数,并与观测资料进行了对比验证。在研究了用高空间分辨率的MODIS成像仪的云检测信息来进行空间匹配,客观确定高光谱大气垂直探测器AIRS的云检测的基础上,用特征向量统计法反演的廓线作为物理反演法的初始猜值,然后利用牛顿非线性物理迭代法求解表层温度、表层气压、大气温度廓线和臭氧廓线等,并将反演结果与多种观测资料进行了对比验证。结果表明,反演得到的廓线水平分辨率可达到13.5 km（星下点）,垂直分辨率达到101层,反演误差较小,可以弥补高原、沙漠以及高原等地方常规观测资料的不足。     

Brewer分光光度计遥感大气臭氧垂廓线的研究

利用建立的球面分层大气散射模式，研究了Ｂｒｅｗｅｒ仪器工作波长进行Ｕｍｋｅｈｒ短法反演所包含的信息量，给出Ｂｒｅｗｅｒ仪器探测大气臭氧垂直廓线的方法，同时，用气溶胶光学厚度计算得到气溶胶订正系数，建立了Ｕｍｋｅｈｒ反演的程序，用此程序对Ｔａｂｌｅ Ｍｏｕｎｔｉａｉｎ资料进行气溶胶修正，得到了较好的结果，对北京测站１９９１年１－３月资料进行由气溶胶造成的臭氧反演廓线的误差计算，结果表明，用常规反演方     

利用AIRS卫星资料反演大气廓线Ⅰ.特征向量统计反演法

引进美国威斯康星大学的IMAPP（International MODIS／AIRS Preprocessing Package）软件包，介绍了利用高光谱分辨率大气红外探测器AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）观测辐射值，用特征向量统计法反演大气温度、湿度等垂直廓线的算法，采用亮度温度分类和扫描角分类回归后，减小了反演误差。并将其应用到中国地区，通过与无线电探空值及欧洲中期天气预报中心ECMWF（European Center of Medium-range Weather Forecasts）客观分析场的比较，结果表明：该方法所获得的温度、水汽反演结果与探空观测及ECMWF大气廓线分布一致，且AIRS因其高光谱分辨率（即高垂直空间分辨率）显示了精细的大气结构。     

利用神经网络从118.75 GHz附近通道亮温反演大气温度

为了准确快速地从118.75 GHz附近六通道亮温计算大气温度,作者开展了利用人工神经网络技术反演大气温度的数值模拟研究。与线性统计反演算法比较,海面上大气温度反演的总体均方根误差减小17%,陆面上大气温度反演的总体均方根误差减小15%。两种下垫面条件下的温度反演结果表明,近陆面的温度反演结果优于近海面的温度反演结果。另外,对温度廓线垂直结构反演性能的分析结果表明,对于具有较厚逆温层结构的温度廓线,神经网络反演对廓线的复现能力优于线性统计反演。     

晴空时大气红外遥感及其反演问题研究 II. 反演试验研究

前文给出了卫星红外观测资料的反演处理方法，并对方法作了理论上的分析，在本文中，我们将此方法应用到TOVS、GOES-8实际资料及AIRS模拟观测资料处理中并重点对TOVS资料进行试验。在反演中，我们将大气温度廓线和水汽混合比（lnq）廓线用各自的经验正交函数（EOF）表示以提高反演的稳定性并缩短计算时间，同时采用一种过滤操作以加速迭代的收敛速度。除了用本文提出的方法对TOVS资料进行处理外，还用国际TOVS处理软件包（ITPP-4.0）对同样的资料进行反演。试验表明，本文方法的反演结果优于ITPP的结果。AIRS模拟反演结果表明，高分辨率红外垂直探测器的遥感精度能够达到温度1 K、水汽10%。     

DESIGN OF A THREE-DIMENSIONAL GLOBAL ADIABATIC SPECTRAL PRIMITIVE EQUATION MODEL

A three-dimensional(3D)global adiabatic spectral primitive equation model has beendesigned.The main features are as follows.(1)Adoption of spherical harmonics and Tschebyscheff polynomials as the basis functions inthe horizontal and vertical respectively,but the unknowns in the spectral equations are two-dimensional;(2)Inclusion of the tropopause,which may vary with time and space;(3)Suggestion of a spectral method for representing the vertical structure of the atmosphereapplicable to the unsmoothed profile case;(4)In consideration of nonlinear vertical aliasing a technique is proposed to avoid it andnonlinear computational instability.Based on real data forecasts up to 48 hours have been performed.The results show that thestatistical verifications with the model are superior on the average to those with the T42L9 usedoperationally before 1995 at NMC of China at the same mean resolution.     

DESIGN OF A THREE-DIMENSIONAL GLOBAL ADIABATIC SPECTRAL PRIMITIVE EQUATION MODEL*

A three-dimensional(3D) global adiabatic spectral primitive equation model has been designed.The main features are as follows.(1) Adoption of spherical harmonics and Tschebyscheff polynomials as the basis functions in the horizontal and vertical respectively,but the unknowns in the spectral equations are two-dimensional;(2) Inclusion of the tropopause,which may vary with time and space;(3) Suggestion of a spectral method for representing the vertical structure of the atmosphere applicable to the unsmoothed profile case;(4) In consideration of nonlinear vertical aliasing a technique is proposed to avoid it and nonlinear computational instability.Based on real data forecasts up to 48 hours have been performed.The results show that the statistical verifications with the model are superior on the average to those with the T42L9 used operationally before 1995 at NMC of China at the same mean resolution.     

A STUDY OF CLOUD-SYSTEM MODEL:MACRO AND MICRO STRUCTURE SIMULATION OF CLOUD FIELD*

The macro and micro cloud physics structures and their evolution with time are the core of describing cloud fields in essence.They are necessary atmospheric environment not only in aviation and spaceflight activities but also for atmospheric radiation transfer and acid rain formation research.Unfortunately it is difficult to obtain an entire environmental cloud field by using observation methods directly.Thus,by use of computation physics method to build a cloud-systemmodel may be an indispensable way for this topic.This paper presented a cloud-system model for this goal,and simulated a real case.The results of computation showed that the macro structure of the cloud field was better consistent with real observation,and the micro structure was fairly reasonable.The output of model could provide all the information about the cloud field:(1)size-distribution spectrum of hydrometeor particles(point),(2)vertical profile(line),(3)horizontal or vertical section of macro and micro parameters(surface),and(4)cloud cover,pattern of cloud and configuration of cloud,etc.(body).     

论当前大气动力模式中存在的若干问题

文章提出了当前大气动力模式中存在的若干问题，如垂直离散问题、提高分辨率的问题、极地流场的预报问题、间断问题、非线性混淆问题和高纬地区纬向差商的计算问题等。在分析讨论这些问题时，也提出了可能解决的方法和途径，比如:垂直离散静力方程，在等距情况下，用lnσ坐标比用σ坐标会使计算误差显著减小；非线性混淆在用球谐函数作基函数时是存在的，但如参加乘积运算的函数足够光滑，非线性混淆作用可以忽略。     

云系模式研究:云场的宏微观结构模拟

用计算物理方法设计构造了一个云系模式，并用一个实例作为初始场进行了模拟，模拟的云场宏观特征与实况观测比较一致，微观结构比较合理，配套的模式输出数据处理和绘图程序包能给出云系的点（粒子谱）、线（垂直廓线）、面（结构剖面）、体（云场，云型，云量，云系形状）的多维宏微观结构的云场图象。     

一个直接用观测资料计算大范围散度、涡度和垂直速度的方案

提出了一个直接用观测资料,便于用电子计算机计算大范围散度、涡度和垂直速度的方案。还提出了计算某些物理量的梯度、平流和通量的方法。对于在垂直方向不均匀分层的计算,垂直边界条件个数和连续方程不协调的问题,以及在地形起伏的山地如何计算垂直速度等问题,也作了初步讨论。最后,用一次华南大范围降水的例子进行了计算,结果和预报员经验还比较一致。     

全球谱模式不同垂直分层对数值预报影响的敏感性试验

本文用σ-坐标原始方程全球谱模式,对1979年1月23日和6月14日两个个例,采用3种不同的垂直分层方案,进行了敏感性试验.通过对高度场均方根误差的分析,发现15层模式对北半球冬季预报效果的改进最明显.当其降低模式最高层高度和减少垂直分辨率时,预报误差首先从模式上层出现,然后影响到对流层中、下层.并指出南、北半球,冬、夏季不同层次上的预报对模式垂直分层的敏感性存在有差异,对南、北半球,冬、夏季的预报可采用不同的垂直分层模式. 南、北半球,冬、夏季预报敏感性差异的产生同行星尺度波动的水平感热通量的垂直分布、行星尺度波动能量的垂直输送特征有关.     

全球大气温度廓线的统计特性分析

利用欧洲数值预报中心发布的第三代ERA-Interim月平均再分析资料对1979—2016年全球大气温度廓线进行统计,分别探讨了南、北半球大气温度廓线平均值和标准差随季节、纬度和海陆的时空分布特征,并与国内外常用的AFGL标准大气廓线进行了对比。研究结果表明:南、北半球各高度层温度的平均值、频数最大温度区间和最大值垂直分布均随高度先减小后增加;在大气低层,多年的温度波动较大,200 hPa处波动达到最小;不论是北半球还是南半球,大气温度平均值廓线均具有典型的纬度差异,其中低纬度季节性差异较小,中纬度次之,高纬季节性差异最大;各季节大气温度廓线的海陆差异不同,且南半球海陆差异比北半球大。大气温度标准差廓线同样存在纬度、海陆和季节分布差异。根据ECMWF再分析资料构建的温度廓线较AFGL标准大气廓线而言具有更加丰富的时空分布等细节特征,并且代表了气候变化后最新的大气温度状况。有关结果可作为现有标准大气廓线的更新和完善,为新型卫星仪器应用性能评估、辐射传输算法和大气反演方法评价和对比分析提供支持。      

Reconstruction of the surface-layer vertical structure from measurements of wind,temperature and humidity at two levels

We present a comparison between several methods used to reconstruct fluxes and vertical profiles of wind, temperature and humidity from measurements at two levels in the atmospheric surface layer for different practical applications. An analytical method and an iterative method are tested by evaluating the quality of estimations of surface fluxes from detailed field measurements obtained during a campaign on the site of Lannemezan in the south-west of France. The iterative method yields better results, but the analytical one can give results of the same level of accuracy provided that specific constants in its formulation are modified. Then these techniques are applied to wind and temperature reconstruction for an experiment dedicated to wind power estimates over flat terrain. If turbulent fluxes are not needed, a simple power law appears to be sufficient, as the method based on Monin–Obukhov theory does not improve the accuracy of the vertical profile reconstruction.     

偏离度法确定济南夏季对流边界层高度研究

利用济南站边界层风廓线雷达（简称WPR）观测资料,对大气折射率结构常数（简称C_n²）确定对流边界层高度（简称CBLH）的技术难点进行了研究,通过对实测C_n²数据廓线进行求导变换突出其变量特征,提出了一种确定CBLH的方法,即e指数拟合曲线的偏离度法。结果表明：经案例分析和与实测对比,证实其判断的结果与L探空实测虚位温梯度法、湿度梯度法等的判断结果总体一致,平均值分别与后两者结果相差+10.4 m、-21.8 m,最小值差-70 m、-120 m,最大值差+50 m、+80 m,与后两者的相关系数分别达0.988、0.980。不同方法对比表明,31组样本中有7组的极大值法判断结果与偏离度法、虚位温梯度法存在较大差异,在CBLH判别时偏离度法总体优于极大值法。偏离度法能够将夏季CBLH确定结果的绝对误差降至近似WPR垂直分辨率水平。