卫星反演降水资料在青藏高原地区的适用性分析

利用2000—2012年青藏高原附近地区251个台站的降水观测资料评估了CMOR.PH、PERSI—ANN、TRMM3B41RT、TRMM3B42RT和TRMM3B42V7等5种卫星反演降水资料在青藏高原地区的差异性和一致性。结果表明,5种卫星反演降水资料均能较好地表征降水量在青藏高原地区从东南向西北递减和夏季降水多、冬季降水少的特征。通过分析相对误差和空间相关系数表明,5种卫星资料在夏季的反演效果最好、冬季最差,白天好于夜间。相对于其他4种资料,TRMM3B42V7资料与观测值之间的差异最小,除了冬季一段较短时间内空间相关系数较低外,一年之中大部分时段空间相关系数都在0.5以上。CMORPH仅次于TRMM3B42V7,在青藏高原地区的适用性也较好;对不同等级降水频数的反演效果表明,CMORPH和TRMM3B42V7反演的小雨降水频数与台站观测值基本一致,高估了大雨和暴雨的降水频数,而TRMM3B42V7对中雨降水频数的反演较为合理。     

TRMM 3B42降水产品在洮河中上游的精度评估分析

基于洮河中上游2006-2016年气象站实测降水数据,在不同时间尺度上评估了TRMM 3B42 V7卫星产品在该区域的精度。结果表明:(1)研究区超过60%的降雨事件能被TRMM卫星探测到,综合评价指标ETS平均达到0. 31,体现了TRMM卫星在洮河中上游具备较好的降雨事件探测能力;TRMM产品在中雨和暴雨的尺度上探测能力表现最好。(2)TRMM数据和实测数据在日尺度的相关系数平均为0. 64,在降水量对比中,两者相差较小,精度较好;月尺度的精度比日尺度高,相关系数平均为0. 94;在月份差异上,温暖湿润的季节效果优于寒冷干燥的季节。(3)在年均和夏秋季节降水空间分布上,TRMM数据与站点实测降水的对应较好,两者均表现出洮河中上游降水西南多、东北少的趋势,且TRMM轻微高估了实测降水。以上结果表明了TRMM 3B42 V7降水产品在洮河中上游精度较高,对站点稀缺区具有重要的应用价值。     

怒江上游TRMM 3B42V7降水产品资料时空验证及降水特征分析

利用1998-2013年热带测雨卫星TRMM 3B42V7降水数据产品和18个气象站点观测数据对怒江上游进行了降雨时空分布特征的对比分析,研究了TRMM 3B42V7数据产品在该区域的精度。结果显示:研究区内TRMM 3B42V7数据和站点数据相关性月尺度最强(R0.9),年尺度次之(R0.5),日尺度较差(R0.5);流域面雨量两组数据在月尺度上有极强的相关性(R≈0.98),时间序列拟合较好,但在降水量大的月份TRMM 3B42V7数据较站点观测数据略偏大;不同时间尺度下两组数据的空间分布特征总体具有较好的一致性,局部分布特征有差异;流域西北和东南局部区域TRMM降水分别有低估和高估趋势,其他大部区域相当。利用TRMM 3B42V7数据对流域降水进行季节占比分析,结果显示,流域降水季节分配不均匀,夏季(6-8月)降水占全年降水总量的比例较大,高达42%~72%;其他春(3-5月)、秋(9-11月)、冬(12月至次年2月)三季节降水整体较少,总占比为28%~58%。     

TRMM 卫星降水数据在商洛地区的精度分析及订正

利用商洛地区193 个国家和区域气象站点实测降水数据，从时间和空间尺度，运用相关分析、偏差、均方根误差等统计分析方法对 TRMM 卫星 3B43 v7降水数据在商洛地区的适用性进行了分析，在此基础上采用比值系数法对TRMM 卫星月降水产品进行订正。结果表明：①在时间尺度上，TRMM 月降水数据与站点实测月降水数据线性高度相关，TRMM 降水数据低估站点实测降水数据。②对月、季和年尺度的TRMM和站点降水量进行比较，决定系数R２均在0.8以上，拟合优度较高，季降水量结果拟合结果较月降水量有所提高。③利用比值系数法对TRMM降水量产品进行偏差订正，验证结果表明，订正后的TRMM 3B43月降水结果偏差更小，决定系数更高。TRMM 降水精度与降水强度和地形有关，TRMM月降水量与实测月降水量时间序列趋势一致，拟合性较高，分布规律相一致。总体上，降水量多的年份，TRMM 数据倾向于低估降水量，反之，高估站点降水量。通过对TRMM 卫星降水产品在商洛地区的精度评估和订正，为该地区地面降水数据提供有效补充。     

6种卫星降水产品在中国区域的精度特征评估

采用2012—2013年国家气象信息中心2419个国家级地面气象站格点化数据和TRMM(3B40RT、3B41RT、3B42RT)、CMORPH、GSMaP、HYDRO共6种0.25°×0.25°卫星反演降水数据,从中国区域、中国东部区域及中国西部区域3种空间尺度综合验证和比较了日尺度上卫星反演降水产品的精度。结果表明：春、夏、秋季卫星反演降水产品对降水描述的准确性高于冬季。相关性、均方根误差等指标随季节变化明显,且差异较大,夏季每种降水产品的评估指标均优于冬季。不同区域之间定量评估指标差异明显,具有月尺度变化特征。卫星反演降水产品对冬季小降水及固态降水的反演能力有限。对于中国区域的大范围降水事件,每种降水产品可以较好进行再现,但均以多传感器联合后的产品质量较高,单一微波、红外或可见光的效果较差。TRMM的3B42RT在夏季对降水反演的落区较好,但极值偏大,CMORPH的综合评价较好。卫星降水产品精度的空间分布与地形有一定的关系。     

CMORPH和TRMM 3B42降水估计产品的评估检验

文章利用2007-2010年中国2447个站点的逐小时降水观测数据对同期CMORPH和TRMM 3B42卫星降水估计产品进行了检验和评估。经过对比分析得出:CMORPH和TRMM 3B42卫星降水资料与地面台站资料的日平均降水量空间分布具有较好的相似性,3 h降水量的相关系数在大部分地区分别在0.5和0.4以上;偏差均在±0.25 mm之间,但CMORPH存在显著的南北差异;平均绝对误差、相对误差和均方根误差均存在明显的季节周期性变化;两种卫星资料能够较好反映我国大部分区域夏季降水日变化特征,但在部分地区存在大的偏差;CMORPH和TRMM 3B42总空演率分别为7.23%和2.63%,总漏演率分别为3.25%和5.50%。     

四川盆地及周边地区TRMM 3B42数据精度检验

多源信息融合的流域水文模拟及预报技术,是目前水文预报发展的一个重要方向。以易发生长江流域特大洪水的四川盆地及周边地区为研究区域,从单个站点及子流域降水量相关性、降雨空间分布和相对误差等方面对TRMM卫星3B42产品探测精度进行了检验分析。结果表明:研究区TRMM 3B42数据与地面观测数据在日、月尺度上具有较高的相关性(R >0.5),3 h尺度相关性较差(R<0.5),且3 h和日尺度在降水量峰值拟合上存在较为明显的数值偏差和时间上的提前或延迟;不同时间尺度下两组数据的空间分布特征总体具有较好的一致性;两组数据2008—2010年降水量序列均值相对偏差在±10%的概率密度百分数为32.26%。总体上研究区TRMM 3B42数据呈现高估(四川盆地大部分区域),局部出现低估(四川盆东南及地周边地区);研究区3 h尺度TRMM 3B42数据探测精度明显低于日尺度,高程变化对TRMM 3B42数据的探测精度具有一定影响。因此,针对该区域TRMM 3B42数据3 h和日尺度数据序列精度相对较差的问题,应用该卫星数据进行3 h尺度流域水文模拟及预报研究时,就需要对该区域卫星数据和地面观测数据进行融合,充分发挥两种数据的优势。     

四川省2013年夏季卫星降雨数据的对比研究

选取2013年5 8月CMORPH version1.0、TRMM3B42 version6两种卫星降雨产品,分别在3 h,1天及1个月三种不同时间尺度上,结合同时段四川省157个地面站点观测的降雨数据,对比评估了两种卫星降水数据对降雨量和降雨事件探测的效果。对比研究中,根据站点的位置选择与之空间距离最近的卫星降雨格点作为对比对象,选用相关系数评估卫星数据的同步效果,选用偏差BIAS评估卫星降雨的系统误差和相关程度,选用均方根误差RMSE评估卫星数据的偏差。结果表明,3 h时间尺度上,两种降雨产品与地面站点的同步效果都很差,都不能很好地反映四川省降雨信息,但TRMM3B42 V6的系统误差比CMORPH小,与站点相关程度更高;在1天的时间尺度上,两种卫星降雨数据与站点数据的同步效果都有所增加,TRMM3B42 V6降雨产品与站点降雨量偏差更小,相关程度更高,表现出更强地一致性;在1个月的时间尺度上,TRMM3B42 V6对降雨量的探测表现出一定程度的低估,但同CMORPH产品相比,TRMM3B42 V6降雨产品仍表现出与站点降雨更高的一致性,而CMORPH对降雨量的探测则明显偏高,可能原因是由于CMORPH产品利用红外数据进行了移动矢量计算,而对流云对云顶亮度温度有较大影响,从而导致CMORPH探测的降雨量偏高。研究还选用了发生概率和部分分数及Heidke评分标准来确认卫星降雨产品能否反映降雨的发生,发现CMORPH在探测降雨事件发生时优于TRMM3B42 V6降雨产品。     

中国区域逐日融合降水数据集与国际降水产品的对比评估

中国国家气象信息中心基于2400多个国家级台站观测日降水量和CMORPH卫星反演降水产品,采用概率密度匹配和最优插值相结合的两步数据融合方法,研制了中国区域1998年以来的0.25°×0.25°分辨率的逐日融合降水产品(CMPA_Daily)。通过该数据集与广泛应用于中国天气气候领域的两种国际上降水融合产品TRMM 3B42(Tropical Rainfall Measuring Mission, 3B42)和GPCP(Global Precipitation Climatology Project, 1 degree daily)的对比评估,考察CMPA_Daily产品的质量,评价其能否合理体现中国降水的天气气候特征。首先利用2008—2010年5—9月独立检验数据定量对比了CMPA_Daily、TRMM 3B42和GPCP 三种降水产品的误差,结果表明,在误差的时间变化和空间分布上,CMPA_Daily均具有最高的相关系数和最小的平均偏差及均方根误差,TRMM 3B42其次,GPCP的误差相对较大。CMPA_Daily只低估了大暴雨,TRMM 3B42低估了大雨以上量级的降水,而GPCP低估了除小雨以外的所有降水。CMPA_Daily产品因融入了更多的站点观测信息,不论在中国东部沿海,还是中西部地形复杂区,其精度均优于TRMM 3B42和GPCP产品,即使在站点稀疏的青藏高原地区,CMPA_Daily降水量也更加接近站点观测,呈现明显的高相关。CMPA_Daily与独立检验数据的高相关在地形起伏时效果也较稳定,TRMM和GPCP的相关系数则随着地形变化幅度陡变而非常明显地降低。进一步通过对比分析各降水产品1998—2012年的气候平均降水特征表明,3种资料对中国区域气候平均降水量、降水强度、频率分布以及年际变化的总体描述基本一致,因有效融入了更多的中国站点观测信息,不论降水空间分布还是降水量,CMPA_Daily与地面观测均最为接近,在中国的中东部大部分地区对降水的估计精度明显更高,而在站点分布较稀疏的青藏高原地区,CMPA_Daily的降水分布型与TRMM、GPCP卫星融合资料类似,较地面站点插值产品更能体现出合理的降水分布。对中国强降水事件监测对比表明,CMPA_Daily产品可以更加准确地描述降水的强度变化,细致刻画降水空间分布,在把握降水小尺度特征上具有明显的优势,体现出高分辨率、高精度降水产品的特点。     

基于TRMM卫星的近10a甘肃临夏降水变化特征

基于2001~2010年TRMM 3B43降水资料和数字高程模型（DEM）数据,采用回归模型＋残差的方法,对甘肃临夏回族自治州近10 a的TRMM 3B43降水数据进行降尺度运算,并结合研究区6个雨量站的观测值,对TRMM 3B43降尺度结果进行精度检验,在此基础上定量研究了临夏回族自治州近10 a的降水量时空变化特征。结果表明：TRMM 3B43降尺度降水量数据整体上具有一定的可信度,但比地面台站的观测值偏小;甘肃临夏州年降水量呈现出由西南向东北递减的趋势,且降水量随着海拔高度的升高而逐渐增加,两者相关系数为0.82;年内降水主要集中在5~9月,基本占全年降水量的70%以上,其中6月降水量最大,12月降水量最小。     

风廓线雷达和雨滴谱仪资料在北京一次弱雨雪天气中的特征分析

利用北京市海淀区风廓线雷达、OTT Parsivel 2多功能激光雨滴谱仪和自动气象站观测资料,对2016年11月20日北京一次雨雪天气过程的演变特征进行了初步分析。结果表明:(1)风廓线(低模式)雷达反射率因子与雨滴谱仪反射率因子序列的变化趋势一致。当风廓线雷达反射率因子亮带消失后,雨滴谱反射率因子序列出现先降后升的小幅波动,降水相态转为降雪。(2)降水相态发生雨雪转换时,风廓线雷达谱宽600 m高度分散的大值区减弱并随高度降低后,雨滴谱仪数浓度出现先降后升的小幅度波动。(3)本次弱降水相态转换发生时,风廓线雷达所探测的垂直径向速度变化不明显,而雨滴谱仪降雨强度变化却有明显减弱特征,其雨强由5 mm·h^-1下降至1 mm·h^-1左右,这对临近降水相态变化的监测预报有一定指示意义。     

北京智能网格温度客观预报方法(BJTM)及预报效果检验

基于欧洲中心中期天气预报(ECMWF)精细化数值预报模式产品资料,采用一元线性回归以及克里金插值,发展了北京地区智能网格温度客观预报方法(Beijing intelligent grid temperature objective prediction method,BJTM),并对2017年1—12月北京地区55个考核站进行检验。结果表明,BJTM对ECMWF细网格模式的温度预报订正能力有显著提升,日最高、最低气温预报准确率分别提高25.4%和11.2%。2018年1—6月的业务运行结果也表明BJTM预报产品的预报结果优于同期ECMWF模式、中央台指导预报及预报员主观预报产品。BJTM可以有效提升北京地区温度预报的精细化能力和水平,有较好的业务应用价值。     

基于标准差分析法的X波段双偏振天气雷达资料质量评估

2015年9月,北京市气象局在北京地区架设4部X波段双线偏振天气雷达并开展了观测试验。本文利用其中3部雷达在2016年6月30日的观测数据,用标准差分布统计方法,对雷达的观测参量进行初步质量评估。结果表明:(1)3部雷达反射率标准差符合理论值的数据占总观测数据的73.5%~77.9%,反射率的数据波动基本符合理论分布;(2)3部雷达差分反射率标准差符合理论值的数据占总观测数据的68.4%~81.4%,其中房山雷达数据波动较大;(3)3部雷达互相关系数标准差符合理论值的数据占总观测数据的45.7%~63.5%,其中房山雷达数据波动最大,其他2部雷达都有同程度的数据波动;(4)3部雷达差分传播相位标准差符合理论值的数据占总观测数据的73.5%~83.9%,其中房山雷达数据波动相对较大,与雷达其他观测参量相比,差分传播相位的波动较小。     

基于NCEP FNL资料的山西岢岚地区雨雪天气诊断可信度分析

基于山西岢岚地区2005—2014年共1218个雨雪天气日的NCEP FNL资料(1°×1°)与探空资料,采用偏差、绝对差、相关系数和偏差区间占有率的统计方法,对常规物理量(温度、相对湿度、纬向风和经向风)和诊断物理量(T_800-500、T_d800和TT_d700)进行统计分析。结果表明:常规物理量中的温度平均偏差值和绝对差值最小、相关系数值最大,分别为-0. 22℃、1. 02℃、0. 90,可信度最高;而相对湿度的平均偏差值和绝对差值最大、相关系数值最小,分别为12. 31%、19. 68%和0. 63,可信度最低;纬向风和经向风的可信度相差不大,略低于温度;诊断物理量T_800-500、T_d800和TT_d700的偏差值分别为-0. 08℃、1. 50℃和2. 79℃,绝对差值分别为1. 21℃、3. 33℃和4. 14℃,相关系数值分别为0. 95、0. 92和0. 74,偏差值为[-5,5]占总数百分比分别为98. 77%、80. 30%和75. 04%。即T_800-500可信度最高,TT_d700指数可信度最低。     

高寒沙区生物土壤结皮覆盖区凝结水组分分析

凝结水作为干旱半干旱地区重要的组分,对生物土壤结皮具有重要的生态学作用。为阐明高寒沙区青海共和盆地生物土壤结皮表层5 cm凝结水水汽来源,利用2017年5—9月自制微渗仪对土壤表层5 cm不同类型生物土壤结皮(苔藓结皮、藻类结皮、物理结皮)和流沙凝结水进行了观测。结果表明:高寒沙区凝结水量随结皮发育程度变化呈增加趋势,表现为:苔藓结皮>藻类结皮>物理结皮>流沙;生物土壤结皮覆盖区凝结水量显著大于流沙凝结水量,即生物土壤结皮有利于凝结水的产生;凝结水主要由吸湿水和大气水汽凝结水与土壤凝结水两部分组成;观测期间,不同类型结皮日土壤凝结水量无显著性差异;吸湿水量和大气水汽凝结水总量显著高于土壤凝结水量(P<0. 05);随时间的变化,吸湿水和大气水汽凝结水与土壤凝结水对凝结水的贡献率呈波动性变化;吸湿水和大气水汽凝结水贡献率主要集中在65%～80%,土壤凝结水贡献率主要集中在20%～35%。     

高原季风特征及其与东亚夏季风关系的研究

利用ERA-Interim的位势高度场、温度场和风场再分析资料,计算了1988-2017年的传统高原季风指数(Trational Plateau Monsoon Index,TPMI)和动态高原季风指数(Dynamic Plateau Monsoon Index,DPMI),分析了高原季风的空间分布特征和时间演变规律,结合东亚夏季风指数(East Asian Summer Monsoon Index,EASMI),探讨了高原季风与东亚季风的关系。研究表明:(1)高原夏季风从4月开始形成,暖性低值系统在高原上生成;6月暖性低压系统中心形成并达到最强,此时高原夏季风强度也达到最大;10月暖性闭合低压系统向东北方向移动且强度也随之减弱并退出,高原夏季风结束。(2)DPMI和EASMI具有明显的年际变化特征,在关键年高原夏季风和东亚夏季风的强度表现一致。(3)中纬度受东亚季风所影响区域的位势高度场和青藏高原区域的位势高度场均处于同一正相关区域,而且超前两个月的DPMI同EASMI的相关系数最大,表明高原夏季风对东亚夏季风具有一定的指示意义。(4)东亚夏季风经圈环流受高原温度场变化的影响而移动,高原夏季风的低压系统与高原温度场关系密切。     

那曲高寒草地总体输送系数及地面热源特征

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站那曲/BJ观测点的野外观测数据,估算了青藏高原那曲地区典型高寒草地下垫面的热量和水汽总体输送系数以及地表大气相对湿度因子,在此基础上利用中国气象局那曲气象站1980-2016年的常规业务观测数据,采用总体输送法计算并分析了那曲高寒草地地表通量特征。研究结果表明:(1)那曲/BJ观测点地表大气相对湿度因子γ的数值在33%~62%,9月最大,2月最小,热量和水汽输送系数CH和Cλ的季节变化范围分别在1.6×10^-3~2.7×10^-3和1.0×10^-3~2.0×10^-3,两者存在较大的差异。(2)1980-2016年那曲高寒草地感热通量总体呈现减弱趋势,而潜热通量呈现增强趋势,导致地面热源变化趋势不明显;分阶段来看,感热通量的变化在2004年前后发生转折,转折点前后的趋势为先减弱后增加,潜热通量在1994-2005年下降趋势明显,这也导致地面热源在1995-2005年有一个明显的减少。(3)年内季节变化上潜热通量相较于感热通量更明显,地面热源的季节变化更依赖于潜热通量的季节变化。     

卫星地面站雷电直击效应防护设计探讨

卫星地面站雷电防护工程通常采用接闪杆作为天线主体的雷电直击效应防护措施,接闪杆的高度不仅影响其保护范围,而且影响其截闪概率。通过计算年预计雷击次数对截闪概率进行量化分析,结果表明,截闪概率近似与接闪杆高度平方成正比,采用过高的接闪杆将增大地面站遭受雷击电磁脉冲损坏的风险。为优化接闪杆设计,定义了保护体积的概念,并利用折线法与滚球法分别计算了三维立体空间内的保护范围。结果表明:接闪杆的保护范围与高度呈现非线性相关,当接闪杆超过一定高度(折线法超过30m,滚球法超过0.8倍滚球半径)后,对保护范围的影响十分有限;当接闪杆高度低于0.4倍滚球半径时,滚球法保护范围较大,反之则折线法保护范围较大。对接闪杆接闪瞬间周边的磁场强度分析结果表明,无屏蔽环境下地面站电子系统与接闪杆的常规距离远小于两者的理论安全距离,实际工程中难以通过增大接闪杆与卫星地面站的间距消除雷击电磁脉冲危害。为降低这一风险,卫星地面站直击雷防护应优先采用天线自带接闪杆的方式,条件不具备时也应尽量避免采用单支高大接闪杆,可选取适当的计算方法,采用多支较低接闪杆共同防护的方案。     

2007—2015年北京地区能见度时空变化特征

利用2007—2015年北京市大兴观象台、28个道面自动气象站、部分区域自动气象站等多种台站观测资料分析了2007—2015年北京地区能见度的时空变化特征。结果表明:2007—2015年北京地区春季平均能见度最高、夏季平均能见度最低,夏季及年平均能见度呈显著增加的趋势,春季和秋季能见度均呈波动增加,冬季颗粒物浓度的显著增加致使北京地区冬季能见度下降的时段集中在2011—2014年;空间上,北京西北地区能见度明显高于中心城区和东南大部地区。秋季和冬季能见度的空间分布特征与年平均能见度的分布特征较一致,表现为能见度自西北向东南方向逐渐递减;与能见度相关性最高的为相对湿度、颗粒物浓度、风向及风速,但不同要素在月、季和年尺度上的相关性差别较大;根据天气现象统计表明,近10 a来北京地区雾、霾、沙尘日均呈增加的趋势,但是山区与城区气象站点低能见度事件的发生频次存在较大的差异。整体来看,小于10 km能见度事件的发生频次在全区以增加为主,而小于1 km能见度事件的发生频次在全区以减少为主。此外,近10 a来北京地区干霾的发生频率为44. 29%,湿霾的发生频率为7. 13%,低能见度事件多由干霾造成,但湿霾发生时,能见度恶化的更明显。     

那曲高寒草地长时间地面热源特征及其气候影响因子分析

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2002—2015年自动气象塔(AWS_Tower)和2011—2014年涡动相关系统(EC)的观测资料,基于地表能量平衡组合法和涡动相关法计算那曲高寒草地下垫面湍流通量。利用涡动相关法对地表能量平衡组合法计算的感热通量、潜热通量进行校正,并将校正规律外推得到一个长时间连续的地表通量序列,分析那曲高寒草地下垫面感热通量、潜热通量的长时间变化特征以及地面热源与气候影响因子的关系。结果表明,该序列地表能量闭合度在春、夏、秋以及全年接近1,而冬季辐射观测值偏小导致能量闭合度正偏差较大为1. 34。近14年中,感热通量在年际变化上呈上升趋势;潜热通量呈显著减弱趋势,造成地面热源呈减弱趋势。地面热源与风速、地表温度、土壤湿度以及净辐射通量资料的关系显著。其中地面热源全年对净辐射通量响应显著,对地表温度在春、秋以及冬季响应显著,与土壤湿度在春、夏以及秋季响应明显,与风速在春季响应特征较为突出。季节变化上,感热通量在4月达到全年最大值,在7月为最小值;潜热通量在7月为全年最大值,在1月为最小值。