微波辐射计亮温观测质量控制研究

针对武汉MP-3000A型微波辐射计,将无线电探空资料代入辐射传输模式(MWCLD),计算出该辐射计各通道的亮温,再与实际观测的亮温值进行对比,通过个例分析该辐射计观测值与计算值的一致性并判断各通道观测值的合理性.分析结果表明:模式计算值与观测值之间有很好的一致性,并且经过偏差订正或线性订正后的数据,可用于检查辐射计在各个通道的运行状态,从而建立有效的针对地基微波辐射计资料的质量控制方案.     

辐射传输模式对地基微波辐射计观测亮温的模拟能力分析

提供高时间分辨率大气温度湿度廓线的地基微波辐射计近年来广泛使用,多通道观测亮温的数据质量是大气廓线产品合理性的基本保障.一般定期液氮绝对定标可以更好维护亮温数据质量,但实际操作颇为不易.辐射传输模式作为一种辅助工具,可以检验和认识地基微波辐射计观测亮温的数据质量.本文针对三个辐射传输模式:MonoRTM、ARTS和MW...     

地基微波辐射计亮温观测数据的综合质量控制与效果分析

针对北京一地基微波辐射计,研究其Level-1级数据的质量控制方案,提出极值检查、时间一致性检查、辐射传输计算检查和多通道亮温交叉检查。并用实际亮温观测数据进行质量控制实验,分析其应用效果。研究结果表明了提出的综合质量控制方案的可行性,为本资料的后续应用提供选择依据。     

多型号地基微波辐射计亮温准确性比对

目前,国内外对于地基微波辐射计的探测能力多从温湿廓线等二级产品级进行考察,其误差包含反演算法和硬件系统两部分的贡献,不易区分。为直接考察硬件系统的观测性能,试验将评估对象前移,直接对一级亮温数据进行比对分析。利用2016年1月-2018年3月中国气象局大气探测试验基地4台地基微波辐射计和业务探空的同址观测数据,以探空数据输入MonoRTM辐射传输模型得到的正演亮温为参考,考察不同天气、不同季节微波辐射计的探测准确性。结果表明:国产与进口设备观测亮温的准确性相当。4台地基微波辐射计实测亮温与模拟亮温相关性较好,相关系数基本超过0.9,均达到0.001显著性水平。晴空条件下,实测亮温较模拟亮温均方根误差平均为2.08~3.75 K;德国辐射计亮温偏差最小,各通道平均偏差为1.08 K,均方根误差平均为2.08 K。亮温偏差在冬季最小,夏季达到最大。建议提高定标准确度并进行质量控制以确保亮温准确性,谨慎使用降水期间辐射计的观测数据。     

地基微波辐射计资料在降水分析中的应用

为了提升国产地基微波辐射计反演大气温湿廓线的精度,增强本地部署设备的观测性能,研究实现了地基微波辐射计的神经网络直接样本反演法和观测亮温预处理的神经网络间接样本反演法。将算法应用于武汉华梦科技有限公司研制的HRA002型国产地基微波辐射计,在武汉国家基本气象站开展了与探空以及美国3台MP-3000A微波辐射计的对比观测试验。试验结果显示,HRA002直接样本反演采用改进网络反演水汽密度、相对湿度均方差分别降低约0.94 g·m^-3、5%;观测亮温经过预处理后与模拟亮温的相关性提升明显,预处理前后反演的低层温度、水汽密度和相对湿度与探空观测的均方差分别从2.4 K、3.26 g·m^-3和18.79%改善为1.58 K、2.18 g·m^-3和14.55%,略高于直接样本反演;与3台MP-3000A的反演结果相比,HRA002采用直接样本反演方法的温度廓线总体优于MP-3000A,HRA002采用间接样本反演方法的水汽密度和相对湿度总体上平均偏差占优而均方差稍逊。研究结果表明改进后的直接样本反演法更贴合辐射计硬件性能,反演精度较高;亮温预处理显著提升了间接样本反演精度,在反演精度总体接近的情况下,弥补了直接样本反演法需要长期观测数据的缺陷;综合采用上述两种算法能够提升国产地基微波辐射计本地化、个体化的观测性能,在反演大气参量廓线方面具有可用性。

     

地基微波辐射计探测质量综合分析北大核心CSCD

利用2018年7月至2019年7月上海宝山站地基微波辐射计亮温数据和探空资料,评估微波辐射计的探测质量,并讨论定标、天线罩性能等对探测质量的影响。结果表明:晴空条件下,微波辐射计实测亮温与模拟亮温一致性高,所有通道相关系数均超过0.96,均方根误差为0.15~2.68 K,其中氧气通道的探测准确性高于水汽通道。各通道偏差主要包括随机偏差、系统性偏差和季节性偏差三类,液氮定标能明显减少大部分水汽通道的系统性偏差,但对氧气通道的影响相对较小。更换新型材质天线罩有助于明显降低降水天气各通道的亮温偏差,明显缩短受降水影响后的亮温恢复时长,效果维持4个月左右。     

天线罩疏水层老化对微波辐射计观测的影响分析

地基微波辐射计因天线罩疏水层老化,在雨天探测时天线罩上易形成积水从而造成探测性能的不稳定,是影响其在科研业务中广泛应用的关键问题之一。本研究利用2017—2018年北京地区6台微波辐射计降雨期间的观测数据,分析天线罩疏水层老化对其观测亮温的影响,结果显示随着天线罩使用时间的增长,尤其是使用3个月以后,降水时亮温增大的幅度明显变大,降水结束后亮温增大的持续时间也有增长趋势。同时,在北京南郊站开展的微波辐射计天线罩淋雨试验结果表明,天线罩使用40 d以后,随着天线罩污染老化,淋雨时观测亮温增大的幅度呈跳跃式增长,且淋雨结束后亮温仍然偏高,最长时间达2 h以上。因此,为提高微波辐射计观测数据的可用性,建议在实际使用过程中每季度更换一次天线罩,对于京津冀等重污染地区可根据实际情况适当提高更换频次。     

地基微波辐射计遥感人工触发闪电的观测研究

为了深入研究雷电产生的微波热辐射特征,从2016年初夏开始利用地基微波辐射计在中国气象局雷电野外科学实验基地开展了连续4年的观测实验,根据雷电热效应的特征,制定了观测方案,并为地基微波辐射计设置了“引雷观测模式”。结果表明,地基微波辐射计具有对雷电热效应产生响应的能力。2017—2019年,辐射计一共成功捕获了30次人工触发闪电,观测效率逐年增长,平均为71.4 %;微波亮温脉冲幅度的最大值约125 K。结合其中28次触发事件的雷电流数据,分析了亮温脉冲幅度和雷电流积分量之间的相关性,并发现了最大亮温脉冲幅度与总电流作用积分之间可能存在指数关系。根据亮温观测数据估算了雷电热效应的持续时间,平均约0.5 s,其中25次触发事件的雷电流热效应持续时间与雷电流持续时间变化较为一致,相关系数约0.73。     

WRF模式中同化地基微波辐射计对降水的影响

地基微波辐射计观测已经用于数值预报中,并对预报效果产生不同的影响。目前,中国约有上百台地基微波辐射计,但是观测数据用到数值预报系统的很有限。本文尝试将两台地基微波辐射计数据同化到WRF数值预报模式,并针对北京一次暴雨过程,进行同化试验,结合地面雨量计测量结果进行比对。试验结果比较表明:同化地基微波辐射计能较明显影响降水初期的降水强度和分布,与雨量计分布更为接近;随着暴雨系统发展,同化两台地基微波辐射计对大面积强降水系统的影响甚微。     

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。     

云对地基微波辐射计反演湿度廓线的影响

利用中国气象局大气探测试验基地的L波段探空数据和微波辐射计观测数据,采用MonoRTM辐射传输模型作为正演亮温模型,BP (back propagation) 神经网络作为反演工具,在由亮温反演大气湿度廓线的过程中,添加与样本匹配的云底高度和云厚度信息,建立新的反演模型,使新反演模型得到的反演湿度廓线和未添加云信息的反演湿度廓线分别与探空数据进行对比,获取两种反演方法各高度层的均方根误差,分析云信息对反演大气湿度廓线的影响。对比结果表明:未添加云信息时,测试样本的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.685,而添加云信息后,相关系数平均值为0.805。相比未添加云信息的反演廓线,添加云信息之后多数高度层的均方根误差均有不同程度减小,而在有云以上高度层表现尤为明显。     

微波辐射计温湿廓线反演方法改进试验

为提升地基微波辐射计在不同天气条件下, 特别是云天条件下温湿廓线的反演精度, 利用2011年1月—2016年12月中国气象局北京国家综合气象观测试验基地探空数据, 在微波辐射计反演温湿度廓线的过程中通过区分晴天和云天条件并引入全固态Ka波段测云仪云高及云厚信息, 对反演输入亮温进行质量控制和偏差订正, 建立BP神经网络模型, 采用2017年1月—2018年3月微波辐射计探测数据评估检验, 结果表明：在亮温订正前提下, 晴天温度模型、云天温度模型、晴天相对湿度模型和云天相对湿度模型反演结果与探空的相关系数分别为0.99, 0.99, 0.80和0.78, 均方根误差为2.3℃, 2.3℃, 9%和16%, 较微波辐射计自带产品（LV2产品）减小约0.4℃, 0.3℃, 11%和9%, 准确性提升约30%, 28%, 64%和45%;温度模型偏差在±2℃以内、湿度模型偏差在±20%以内的占比分别为68%, 70%和95%, 78%, 较LV2产品分别提高了7%, 5%和27%, 23%, 其中相对湿度改善明显。可见亮温订正、区分天气类型训练反演模型有利于改善地基微波辐射温湿廓线反演精度。     

探测大气温湿廓线的35通道微波辐射计设计原理与特点

总结了自主研制的MWP967KV型地基35通道微波辐射计系统设计原理和主要特点。系统将K、V双频段宽带天线及接收机、宽带调谐本振、温湿压计以及电源模块紧凑集成为一台整机设备。对各传感器的测量输出实时进行一体化综合处理,采用BP神经网络实时反演大气温度、湿度廓线和汽、水总量。廓线的垂直覆盖范围为地表至顶空10km,共划分为58层。辐射计样机于2012年秋冬季节在北京地区开展了为期2个月的观测试验,利用这段时期内的69个探空资料样本对辐射计2个层次的实时观测输出都进行了对比检验,计算了水汽、氧气通道亮温和反演所得大气温湿廓线的平均偏差、均方差以及相关性。结果表明该系统能够满足实时气象监测的需求,达到国际先进水平。     

地基微波辐射计探测资料质量控制方法

微波辐射计具有24 h不间断工作、时间分辨率高等优点,是常规探空的有益补充。天线罩上的积水、无线电干扰等会导致微波辐射计探测数据出现错误。因此,开展质量控制是合理使用微波辐射计探测资料的基础。该文利用上海宝山站历史探空资料和世博园站MP-3000A型地基微波辐射计温湿度数据,设计了极值、时间一致性、空间一致性检查等适用于微波辐射计探测资料的质量控制方法,针对2012年1月-2013年12月降水、有云（有云无降水）、晴空等不同天气条件下得到的微波辐射计探测资料分别开展质量控制,并对质量控制效果进行定量分析。结果表明:上述方法能有效查找温（湿）度超过极值、温（湿）度突变、温度层际变化大等各类疑误廓线,疑误廓线类型和频数与天气条件有关,其中降水天气的各类疑误廓线频数远远高于无降水天气（有云和晴空）。去除疑误廓线后,与同期探空资料的相关系数增加,均方根误差减小。     

基于微波辐射计和探空的FY-4A温度廓线检验

选取2021年1月1日—2022年3月31日山东济南地区探空、微波辐射计和FY-4A的温度廓线,评估FY-4A温度廓线偏差特征。结果表明：10 km以下,FY-4A温度比探空偏小0.51℃,两者偏差的标准差为0.50℃;FY-4A温度比微波辐射计偏大0.53℃,两者偏差的标准差为0.75℃。FY-4A与探空在00：00(世界时,下同)和12：00的温度偏差趋势一致;相对于00：00,12：00的FY-4A与探空温度偏差的离散程度较小。有降水时,600 m高度以上微波辐射计与FY-4A的温度偏差逐渐增大,在1500 m高度附近偏差达到最大值(约为9.35℃),在3000~8500 m高度内偏差为1.35~5.10℃,偏差的标准差为1.41~4.99℃。有降水时,FY-4A与探空的温度偏差和标准差在不同高度上不同,偏差变化范围为-0.31~3.60℃。有云时,微波辐射计与FY-4A的温度偏差为-0.40℃,偏差的标准差为3.79℃;探空与FY-4A的温度偏差为0.31℃,偏差的标准差为2.66℃。相对于有云时,晴空背景下FY-4A与另外两种设备的温度偏差和标准差均较小。     

冬奥赛场卫星和地基微波辐射计气温廓线观测对比和验证

利用探空站数据对北京和张家口冬奥赛场周边地区的地基微波辐射计和FY 4A大气垂直探测仪资料进行验证分析。选取2020年全年FY 4A大气垂直探测仪资料以及2020年12月至2021年3月期间对冬奥赛事有重要影响的寒潮前后、雾霾和沙尘暴这3种不同天气现象下探测得到的气温廓线数据进行个例分析。结果表明：在晴空条件下,地基微波辐射计和FY 4A大气垂直探测仪探测大气垂直气温的精度较高,平均相关系数达到0.97,低层大气（500 hPa以下）较高层大气探测结果的一致性较好;大气污染对探测精度产生一定影响,其中PM2.5产生的影响较小,PM10的提高对FY 4A大气垂直探测仪的探测产生较大影响,尤其是发生沙尘暴时,星载探测仪无法对低层大气进行探测。经过对比和验证,卫星探测作为补充探测手段,可以与地基微波辐射计互相补充,尤其是在空间覆盖和时间分辨率上具备一定优势,但在有云和沙尘暴的天气条件下无法对低层大气开展探测;地基微波辐射计可以对一个地点的大气垂直参数开展不间断的探测,与探空站数据的一致性较高。卫星探测和地基微波辐射计均可以为冬奥赛事提供高时间分辨率的探测数据,为数值天气预报提供有力的数据支撑。