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。      

北京冬季城、郊辐射逆温的分析

本文用北京1981年11月、12月及1982年1月的33次城、郊探空资料对比分析了北京冬季城、郊辐射逆温形成与消失时间、逆温强度、逆温层厚度等方面的特征差异,有助于进一步了解城、郊温度垂直结构的特征。     

两次降雪天气过程预报中边界层风廓线雷达资料的应用

通过分析2009年10月31日至11月1日和2009年11月9-10日北京两次不同类型降雪天气过程中海淀边界层风廓线仪数据发现:①降雪开始前2h内底层偏东气流建立,且该气流里均有风速突然加强的现象,这对短时临近预报中预报降雪的起始时间有一定参考价值;②700 hPa以上出现冷平流或者冷平流加强且高度降低,也是降雪即将开始的一个特征;③风廓线资料计算得到的温度平流廓线可以较好的反应大气稳定度情况,为判断降雪是否为对流性降雪提供可靠依据.在临近预报中加强风廓线和温度平流的监测,对临近转折性天气的预报有指示意义.     

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。     

桃仙机场暖区雷暴浅析

分析总结1990～1994 年沈阳桃仙机场23 次暖区雷暴的地面、高空形势,并应用能量分析方法,做出能量垂直廓线,归纳出廓线类型,找出预报暖区雷暴的预报因子和着眼点。     

区域模式参考大气扰动量算法的预报试验

引进参考大气方法以降低垂直运动方程中的量级差,并设计了位温直接计算法、气压直接计算法和混合算法三种不同方案来改进预报效果。结果表明,这三种不同方案对500 hPa位势高度和温度的垂直分布的预报有较大影响,其中,混合算法的温度分布预报结果与NCEP分析场最接近。在三种方案的预报效果评估检验中,混合算法对风速、位势高度(hv)、降水量和2 m温度(T2m)的预报效果最好。在三种方案中,平均初始温度场的参考大气廓线的预报效果要优于等温参考大气廓线;在不同的参考大气状态下,混合算法在风速、位势高度、降水量和2 m温度的预报效果最好。      

桃仙机场暖区雷暴浅析

分析总结1990～1994年沈阳桃仙辊场23次暖区雷暴的地面、高空形势,并应用能量分析方法,做出能量垂直廓线,归纳出廓线类型,找出预报暖区雷暴的预报因子和着眼点。     

风廓线雷达反演温度平流的应用

利用北京延庆站风廓线雷达水平风廓线资料进行大气温度平流的反演,详细分析2014年11月15日夜间冷空气入侵过程,并统计分析2015年9—11月6次冷空气入侵过程,同T639L60模式的预报风场及温度平流预报产品进行对比。结果表明:在一定预报时效内 (约6~12 h),风廓线雷达获取的水平风廓线与模式给出的预报风场有较好的一致性;由风廓线雷达反演的温度平流与模式给出的温度平流量级相同,温度平流属性一致;风廓线雷达6 min完成1次垂直高度分辨率为120 m的探测,高时空分辨率使风廓线雷达获取的温度平流较T639L60模式更能反映大气温度平流的细节。     

GOES-16大气温度产品资料同化在一次飓风预报中的应用研究

为评价静止卫星大气温度廓线产品资料同化对飓风预报的影响,以2018年飓风“迈克尔”为例,选用GOES-16温度廓线产品,开展静止卫星资料同化及其对飓风预报影响的研究。首先,通过评估温度廓线产品精度,选取质量较好的高度层并以统计的各层均方根误差作为观测误差用于同化试验;然后,利用WRF-3DVar系统进行不同稀疏化及不同同化频次的循环同化敏感性试验;最后,利用WRF模式开展24 h数值预报。试验结果表明,在飓风“迈克尔”期间温度廓线在200~1 000 hPa之间的误差在2 K以内,将水平分辨率稀疏化为模式分辨率的6倍且循环同化频次为6 h时同化该资料对模式的初始场有最为合理的改进,从大尺度环境场上看使模式具备更合理的环流形势,能够有效提高对飓风的路径及强度的预报效果,更准确地模拟降水落区及美国佛罗里达州等降水关键区域的雨强。      

GPSRO同化对天山暴雪影响的模拟研究

GPS掩星资料(GPSRO)业务同化的正效果已经在多个国家的数值预报中心得到证实,但在新疆数值预报业务中尚未应用。为验证GPSRO同化对天山暴雪预报的影响,本文以GFS数据为背景场,用WRFDA同化了GPS掩星事件反演的折射率和温湿廓线,评估了其对2014年12月07日08时到09日08时的天山暴雪过程预报效果的影响,对比分析了两者同化产生的影响半径。研究发现,GPS掩星温湿廓线和折射率同化对此次天山暴雪过程预报均有正效果,改善幅度前者劣于后者。同化后风场U、V分量沿风向方向的影响半径均大于垂直风向方向,其增量极值中心位置向下风方向偏移。温度、湿度场的分析增量分布均接近各向同性,增量极值中心位置与掩星事件位置相对应。同化后温度分析均以增暖为主,湿度分析以增湿为主,气压分析以减压为主。温湿廓线同化产生的资料影响半径平均大于折射率同化产生的影响半径。并且,在任何网格点,无论是温度场还是比湿场,温湿廓线同化产生的分析差的绝对值大于折射率同化。温湿廓线与折射率同化后风场的分析增量整体上均随着高度的增加先减后增,温度场分析增量整体上随高度升高而增大,气压分析增量随高度升高单调递增, 比湿分析增量绝对值的大值区主要集中在500hPa以下的低空,其最大值位于700hPa附近。     

雷达风廓线反演在云南强降水预报中的应用

利用VAD(Velocity Azimuth Display)方法反演多普勒雷达垂直风廓线,并将反演风场应用于云南强降水过程的诊断预报。通过反演风廓线资料与探空实况、NCEP再分析资料的对比分析,发现VAD方法反演的风廓线与实况资料具有较好的一致性,表明该方法在云南是可行的;通过反演风廓线资料可以较为精细地监测和分析大气垂直方向上水平风场的不连续性,由此得到低空切变、温度平流和低空急流等系统的厚度和强度演变特征。相对于时、空分辨率不足的常规探空资料,雷达反演风廓线具有较高的时间和垂直分辨率,能够更为详细地揭示强降水天气过程中起重要作用的天气系统的主要特征和演变过程。因此,VAD风廓线产品对云南强降水天气过程的预报具有较好的参考价值和应用前景。     

应用ATOVS资料反演大气温湿廓线

本文用牛顿迭代的方法反演NOAA-15极轨气象卫星ATOVS资料，求解大气温度廓线和水汽廓线，本文利用一阶变分原理从辐射传输方程中得到了大气温度、水汽权重函数的解析形式，并改进了传统使用的线性迭代方法，利用牛顿非线性迭代方法求解大气表层温度，大气温度廓线及大气水汽廓线，并根据大气参量的自相关性，将大气温度廓线、大气水汽廓线用经验正交函数（EOF）的线性组合表示，减少了要反演的参数，提高了反演稳定性和迭代速度。     

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。     

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。     

太阳光度计和微波辐射计资料在盛夏午后强对流预报中的应用

上海市气象局在上海世博园区布设型号CE-318太阳光度计和MP-3000A微波辐射计,测量可见光和近红外各个波段的辐射亮度以及垂直方向的温度廓线。选取2010年夏季发生的强对流个例,讨论太阳光度计和微波辐射计非常规观测资料在盛夏午后强对流预报中的应用。统计表明,同样光照条件下,如果09:00太阳光度计各波段测量的辐射亮度值普遍偏低,则午后出现强对流的概率偏高;降水发生前半小时内,微波辐射计反演温度廓线在1 km高度处可探测到异常增温现象。根据统计结果得到经验指标,与传统的对流有效位能(CAPE)和能见度进行对比,太阳光度计和微波辐射计资料在盛夏午后强对流的预报中取得更好的效果。     

农田植被层上通量—廓线关系的研究

以莫宁－奥布霍夫相似理论为基础，利用风温梯度观测资料，采用迭代方法确定湍流特征参量Ｕ、Ｔ、Ｌ和廓线参数β、γ，得出了适用于确定农田植被层上方风温廓线和湍流通量的普适函数半经验表达式；分析讨论了大气层结稳定度与风湿廓线曲率、廓线参数以及普适函数的关系。     

应用风廓线资料分析强降水过程

“廓线仪”是一种遥感探测器,现已发展为一套综合的遥感系统,可以探测多个气象要素（如：风、温度、水汽……等）。对于短时预报、及时探测大气实况有十分重要的意义。本文主要应用香港天文台廓线仪测风资料,分析１９９７年６月２８日至７月８日的强降水过程,并结合雷达资料进行综合分析,目的是：探索新技术应用途径和方法;揭示廓线仪风资料的垂直环境场气流分布和现象;通过分析的结果对日常天气预报业务提供参考依据。１　天气背景概况　　１９９７年６月３０日至７月８日期间,广东出现了连续暴雨过程。该过程的特点：范围广、时间…     

大气模式垂直离散的比较研究

对温度有关量的垂直离散进行了讨论。分析指出：垂直离散量的计算应分别情况不同对待，温度垂直廓线较光滑的，可以直接用差分或Ｔｓｃｈｅｂｙｓｃｈｅｆ多项式等进行计算；温度垂直廓线不太光滑的，须用能近似表示廓线不太光滑部分的基本廓线进行分离，再用差分等计算，才能取得较好的结果。用理想场计算的例子表明：用上述方法计算的结果都比直接用差分等计算的结果好，特别是在计算位势高度和温度垂直平流时效果更为明显     

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。     

晴空时大气红外遥感及其反演问题 I. 理论研究

本文首先研究了晴空情况下大气温、湿廓线及表层温度等参数的同步反演问题。利用一阶变分原理，从红外辐射传输方程中得到了大气温度、水汽权重函数的解析形式，然后利用牛顿非线性迭代法求解大气温度廓线、大气水汽廓线和表层温度。并从“最佳信息层”的概念出发，指出水汽遥感反演的两个特点。