风云三号气象卫星掩星大气产品精度的初步检验

风云三号气象卫星C星于北京时间2013年9月23日成功发射,其上搭载了中国第一个以掩星方式探测中性大气和电离层大气的民用新型有效载荷——全球导航卫星掩星探测仪(Global Navigation Satellite System Occultation Sounder, GNOS)。GNOS可以接收GPS(Global Positioning System)导航卫星和中国北斗导航卫星信号,进而得到全球范围内的中性大气和电离层大气的探测结果。利用常规无线电探空资料,对GNOS接收GPS信号的掩星探测大气产品(包括折射率、密度、温度以及湿度廓线)进行检验,结果表明:在近地面至25 km垂直范围内,GNOS掩星大气产品折射率廓线和干大气密度廓线的平均偏差在0.5%左右,标准偏差在2%左右;温度廓线的平均偏差约为0.5 K,标准偏差约为2 K;水汽廓线的标准偏差在6 km 以下为0.25—1.0 g/kg。对于风云卫星首次尝试的掩星观测技术,GNOS掩星产品的精度基本达到预定目标,在未来还有改进的空间。     

COSMIC后期的掩星折射率资料误差特性分析

COSMIC计划于2006年成功实施,该计划的设计寿命为5 a。由于实际运行期间COSMIC星座内卫星出现过技术故障,加上卫星姿态控制不稳定等原因,探测数据资料的质量存在一定的波动。为了对COSMIC掩星后期的数据质量进行评估,以全球无线电探空数据为参照,对COSMIC掩星折射率廓线数据进行了统计分析。分析结果表明:1)在两类观测资料观测时间和空间的配对标准上,随着时间差限值与距离差限值的增大,折射率的平均相对误差的变化趋势性不强,但相对误差标准偏差呈增加趋势。2)折射率偏差大值区集中在东南亚附近海域和墨西哥湾附近海域,在海陆交界处折射率平均相对误差要大于陆地和海洋上的平均相对误差。3)10 km以下,热带地区的正偏差最大,平均相对误差为0.849%,高于北半球的0.484%和南半球的0.492%。在10 km以上,三个区域平均相对误差的差异不明显。4)10 km以下,夏季折射率的平均相对误差最大,为0.663%;冬季折射率的平均相对误差最小,为0.365%;30—35 km冬季的平均相对误差最大,达到1.014%。     

COSMIC掩星反演大气温湿资料的质量特征分析

针对COSMIC(Constellation Observation System of Meteorology Ionosphere and Climate)掩星反演的大气温度和水汽压二级资料,利用常规探空观测和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)分析资料分别进行质量检验分析,以揭示反演资料质量的海陆差异、随纬度和高度变化等三维空间特征。结果显示:我国区域反演资料的温度略低于探空观测与NCEP分析资料,温度与水汽压相对于检验资料的均方根误差较小;全球范围内,反演大气温湿资料的质量随高度和纬度的不同而存在明显差异,而且海洋和陆地上质量的水平和垂直分布特征也存在显著不同。总体上看,COSMIC反演大气温湿资料具有良好的可靠性与精确度,可作为我国数值预报资料同化的新资料,反演温湿资料的质量特征也可为COSMIC资料同化的质量控制和垂直稀疏化方案的设计提供科学依据。     

全球探空站附近掩星观测资料误差估计

利用2016年1月1日至2020年10月1日GPS无线电掩星观测、探空观测、美国微波综合反演系统(MiRS)卫星微波资料反演产品、美国国家环境预报中心全球预报系统(Global Forecast System, GFS)分析资料和欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料这5种资料,采用“三角帽”方法,估计GPS掩星资料的观测误差,分析了资料集之间偏差和误差相关性对观测误差估计值的影响。结果表明,用MiRS资料替代ERA5再分析资料后所得到的掩星观测误差大于用掩星、探空观测、GFS分析和ERA5再分析资料的掩星观测误差。掩星观测误差随纬度增加而减小。本文对即将到来的掩星资料的合理应用具有重要意义。     

风云卫星的掩星干大气温度廓线精准度特征

风云三号气象卫星C星/D星/E星的掩星接收机接收GPS和北斗导航卫星信号,形成掩星事件,进而反演得到大气温度廓线。利用2016—2022年FY-3C/3D/3E GPS和北斗掩星干大气温度廓线,通过与ERA5再分析资料对比,分析掩星干大气温度的精准度特征。结果表明：掩星干大气温度廓线在200 hPa至20 hPa间精度最高,标准偏差约为1 K,且GPS与北斗掩星的误差特征相近。在稳定度方面,FY-3C GPS掩星干大气温度平均偏差线性变化趋势为-0.0055 K·a-1,与国外同类掩星资料稳定性相当。因2021年初掩星天线多径效应订正,FY-3D GPS掩星干大气温度与ERA5再分析资料的平均偏差出现明显跳变,平均偏差值从-0.154 K降为-0.007 K, 负偏差显著减小。总体上,FY-3C GPS掩星干大气温度廓线长序列稳定度较好,北斗掩星干大气温度廓线精度能够达到或优于GPS,风云极轨卫星序列的GPS和北斗掩星在长序列稳定性上具有良好的应用前景。     

利用COSMIC掩星资料研究青藏高原地区大气边界层高度

以往关于青藏高原边界层的研究都是基于个别站点的常规观测,对青藏高原边界层的整体性认识受限。GPS掩星资料具有测量精度高和垂直分辨率高的特性,其廓线中含有大量有价值的边界层信息。利用2007—2013年COSMIC掩星资料,通过计算大气折射率最小梯度来确定边界层高度,并用无线电探空资料对结果进行了检验。在此基础上,对青藏高原地区边界层高度的特征及其形成机制展开了研究,比较了COSMIC掩星确定的边界层高度和ERA-Int的差别,讨论了最小梯度法用于边界层研究的不确定性。结果表明:青藏高原上COSMIC掩星和无线电探空数据检测的边界层高度相关系数为0.786,平均值偏差为0.049 km,均方根误差为0.363 km,COSMIC掩星数据检测的边界层高度和无线电探空的结果非常接近。青藏高原上边界层高度呈现西高东低的分布特征,高原中西部边界层高度主要为1.8—2.3 km,而高原东部边界层为1.4—1.8 km,最大值在高原西南部。青藏高原地区边界层有明显的季节差异,冬季高原上大部分地区边界层高度超过2.0 km;春季大部分地区高度降低,但在受印度季风影响的高原南部有明显的抬升,最大值可超过3.0 km;夏季高原上边界层高度开始升高,大部分地区超过1.8 km;秋季又开始回落。青藏高原以北塔克拉玛干沙漠和高原以南印度季风活动区是两个高值区,北部的沙漠地区边界层高度在夏季最高,南部印度季风活动区在季风爆发前（4月）达到全年最大值。青藏高原中西部地区有水平风辐合以及广泛的上升运动,为边界层的发展提供了动力条件,而东部的下沉运动对边界层的发展有抑制作用。青藏高原边界层各个季节的空间分布与地表感热通量分布一致。COSMIC掩星资料确定的边界层高度和ERA-Int相比,空间分布基本一致但ERA-Int边界层高度明显偏低。当有系统性强逆温存在的时候,或者云中液态水或冰水含量较大时,用最小梯度法检测的边界层高度不确定性增加。      

上对流层/下平流层GPS掩星资料与我国探空温度对比

本文使用CDAAC(COSMIC Data Analysis and Archival Center)提供的1995—2010年GPS掩星干反演大气温度和我国无线电探空温度资料,选择临近的廓线进行匹配,以掩星资料为基准,分析上对流层/下平流层区域(200～30 hPa)探空温度与掩星温度之间的偏差。分析多种时空匹配条件下总的温度偏差和标准差的结果表明,匹配条件对偏差平均值影响较小,主要影响偏差标准差,选择探空和掩星廓线时间差小于3 h、距离小于200 km作为匹配条件。就全国平均而言,探空温度和掩星温度相差很小,其中在上对流层的偏差大于下平流层,偏差的标准差随高度增加而变大。在上对流层昼夜偏差都为正,下平流层白天为正、夜间为负,温度偏差和标准差在白天大于夜间,说明掩星资料具有足够的精度可以识别出太阳辐射对我国探空温度的影响。偏差在低纬较大,随纬度升高逐渐减小,与使用掩星资料计算的大气垂直减温率有较好的对应关系,其变化特征与探空滞后误差比较一致,说明使用掩星资料可以辨别滞后误差对探空资料的影响。就全国平均而言,L波段探空仪和59型探空仪的平均温度偏差都相对较小,但在不同纬度表现不同;在低纬地区二者偏差对比明显,59型探空仪具有较大的偏差,L波段探空仪偏差较小,高纬地区二者偏差相对都较小;59型探空仪的偏差标准差始终大于L波段探空仪。结果说明掩星资料可以分辨仪器换型对温度偏差的影响,探空仪的升级使我国探空资料的精准度提高,特别在纬度较抵的区域,偏差的改进更加明显。     

LEO-LEO掩星探测频点选择分析与仿真研究

LEO-LEO低轨掩星探测是高效的地球大气层探测技术,探测频率的选择是掩星探测计划的重要环节。首先,详细分析水的复介电常数与频率之间的关系,以及大气中水汽和氧气分子对电波的衰减情况,得出10~30 GHz适合作为LEO-LEO掩星的探测频段;其次,在可行探测频段范围内选择3个探测频点进行仿真研究,给出120次LEO-LEO掩星事件的温、压、湿廓线及对应的误差廓线图,并将仿真结果与标准大气模式对比:大气压力最大相对偏差为0.5%,温度最大标准偏差为0.8K,湿度最大标准偏差为0.47 g·kg~(-1),达到LEO-LEO掩星探测的精度要求;得出14.6GHz、17.4 GHz和22.6 GHz适合作为LEO-LEO掩星探测的频点,为LEO-LEO掩星探测频率的选择提供了参考。所得结论对进一步发展LEO-LEO掩星探测计划,提高大气探测精度具有重要的科学意义。     

全球GNSS掩星计划进展

主要介绍了国际上GNSS掩星计划（包括GPS／MET、Orsted、Sunsat、SAC-C、CHAMP、GRACE、FedSat、COSMIC、METOP和ACE＋计划）发展现状、科学任务及系统组成、取得的进展以及未来的发展趋势。通过总结指出,自GPS／MET计划实施后,掩星探测技术逐步完善并向业务化运用迈出了一大步;今后GNSS掩星探测将向多星探测和混合探测方向发展,国际化合作成为项目的开发和研制趋势     

COSMIC-2掩星反演数据质量分析

为评价COSMIC-2掩星反演数据精度,利用探空站点资料,对比验证了基于COSMIC-2附加相位数据由无线电掩星数据处理软件ROPP计算得到的大气折射率及温湿廓线。实验结果表明:COSMIC-2数据经反演后的大气廓线质量较高,大气折射率相对偏差标准差为1.5%~4.3%,大气温度和相对湿度均方根误差分别为1.3~2.2 K、10%~15%;低纬地区样本精度总体优于中纬地区; 季节性差异不明显,但冬春季样本精度总体略优于夏秋季。反演数据与COSMIC-2二级产品相比,折射率与温度在部分高度层精度更优,相对湿度在总体上精度更优。      

基于MODIS数据地表温度反演劈窗算法的比较研究

选取QIN和SOB两种代表性劈窗算法对辽宁地区地表温度进行反演,并分析二者的精度和误差分布。结果表明：QIN和SOB算法反演的地表温度（TS）与地面气象台站准同步观测的气温和地温的线性拟合显著,SOB算法线性拟合更好;从误差分布直方图上看,两种算法的反演结果与地温更接近,SOB算法与同步气温和地温在±2 ℃之间的误差比例略高于QIN算法;在野外开展与卫星遥感空间尺度一致的地表温度观测试验,QIN和SOB算法与实测值的平均绝对误差均为1.5 ℃;与NASA官网发布的地表温度产品对比发现,QIN和SOB算法的平均绝对误差分别为1.75 ℃、1.70 ℃;因此QIN、SOB算法在辽宁地区均适用,SOB算法误差更小。     

双频毫米波雷达反演云微物理参数的模拟研究北大核心

根据雷达探测的云回波雷达反射率因子和多普勒速度,利用两种独立的双频反演算法,估算了云微物理参数。利用离散偶极子近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)计算了云滴后向散射截面和衰减截面,根据模拟数据实验了三种频段组合的反演结果,探讨算法对滴谱参数、粒子形状的敏感性,比较两种方法反演水云和冰云的优劣。结果表明:双频比(Dual-Frequency Ratio,DFR)和多普勒速度差(Doppler Difference of Velocity,DDV)在水云中都可独立推导中值直径(D_(0)),但在高频波段,基于DFR的算法对雨、云水和水汽的衰减非常敏感,而基于DDV的方法受衰减的影响较小。鉴于高频波段衰减完全订正的困难性,水云的DDV反演方法比DFR更直接准确。对于冰云,DFR的技术相较于DDV的方法具有明显的优势,因为两频段处的DFR在冰云中的动态范围更大,而DDV的动态范围相对于系统和测量误差较小。     

MM5和WRF模拟东北冷涡雷暴天气过程对比分析

利用NCEP/NCAR再分析资料驱动中尺度天气模式MM5和WRF,模拟2005年4月6日辽宁强雷暴降水天气过程。结果表明:MM5和WRF模拟雷暴发生的天气系统结构相似,但对于降水量模拟,WRF模式模拟的结果与实况更为接近。分析其天气系统结构表明,降水过程中来自不同地区的冷暖空气交汇和来自不同地区云团的汇合造成了此次强雷暴天气的发生。     

主成分分析与聚类分析在青岛夏季气温变化研究中的应用

选用青岛站1951-2010年每年6-8月各月平均气温资料,通过SAS软件进行了主成分分析和聚类分析,分析了近60 a夏季气温的年际气候变化.主成分分析的结果表明,第一主成分反映青岛夏季气温距平,其正（负）方向反映夏季气温的正（负）距平,其强度反映气温偏高（低）的程度;第二主成分则反映同一年内夏季各月间气温的差异,其绝对值越大,表示各月气温差异越大.聚类分析的结果表明,青岛站夏季月平均气温的变化可以分为3类：1）6月、7月气温较低,在8月升温;2）7月平均气温最高,6月、8月相对较低;3）6月气温低,7、8两月气温较高.其中1993、2003年为第一类,2005年为第二类,其余为第三类.     

基于数据融合降低气温测量辐射误差的仿真分析与试验研究

地表气温上升速度约为0.1℃/(10 a),然而受太阳辐射影响,地面气象站观测到的气温会高于真实大气温度,存在1℃量级的辐射误差.因此,本文提出了一种基于数据融合的铝壳温度传感器设计.首先,利用流体动力学方法计算温度传感器在不同环境条件下的辐射误差.其次,为获得连续辐射误差结果,利用神经网络算法对辐射误差数值计算结果进...     

霰谱分布特征对强对流云高频微波亮温影响的模拟研究

利用WRF中尺度模式和MWRT微波辐射传输模式,对一次理想对流单体云降水过程进行模拟,研究了霰谱参数对强对流降水云高频微波辐射亮温的影响.结果表明:霰谱参数的改变对对流单体云中冰相水凝物质量浓度分布和高频微波亮温均有影响.减小(增大)霰密度参数会导致霰谱宽度增大(减小),从而导致霰的碰并效率提高(降低),霰空间最大质量...     

同化自动站资料建立三峡地区2014年1月高分辨率温度场的模拟研究

利用WRF （Weather Research Forecast）模式及其自带的Nudging同化系统,结合通过质量控制的三峡地区2 588个自动站的2014年1月观测资料,进行同化自动站观测试验,建立了三峡地区3 km高分辨率气温场,并与加入NCEP稀疏观测站点的稀疏场试验和未同化试验在月平均温度场和逐时温度变化两个方面进行了综合对比分析。结果表明：与未同化试验相比,同化自动站观测后,大部分地区平均气温场偏差减小至±0.5℃以内;平原、丘陵、山区气温逐时绝对偏差均减小至1℃以内,逐时气温的相关系数超过0.9,偏差范围减小1.14℃以上,均方根误差减幅达0.55℃以上;同化自动站观测后,泰勒图中平原和丘陵的相对标准差接近于1,山区减小至1.11。同化自动站观测试验的结果优于同化稀疏场试验,较好地建立了三峡地区2014年1月气温场,为该地区建立高分辨率温度场提供了有效参考。     

利用毫米波云雷达数据反演层云微物理参数和云内湍流耗散率

利用地基毫米波雷达进行云参数及云内湍流特性的探测和反演。根据云雷达回波的功率谱数据,反演出大气垂直运动速度和云微物理参数,得到云内湍流耗散率ε的大小和分布情况,并进一步研究和分析了云内空气垂直运动与云微物理参数、反射率因子、多普勒速度、速度谱宽变化的关系,更好地了解云的演变情况。对2016年8月8日四川稻城的一次层状云过程的探测和反演表明：1）粒子有效半径随着上升气流的增强而增大,由于碰并聚合的作用,粒子数浓度也呈现相应减小的趋势。2）云内湍流耗散率ε在云底、云顶较大,云内较小,量级在10^-8~10^-2 m²·s^-3,多普勒速度能谱验证了假设雷达探测湍涡的尺度在惯性副区的合理性。3）随着上升气流的增强,云粒子的下沉运动相应减小,速度谱宽相应增大。     

热带气旋影响下浙江省强降水过程延伸期预报研究

利用2000—2011年NCEP/NCAR水平风场逐日再分析资料以及浙江省逐日降水量资料,基于低频天气图工具,识别出3种与浙江省台风强降水过程相对应的典型低频大气环流型。通过合成分析,划分了与C型环流场和C+SN型环流场相适配的天气关键区。进而结合历史个例,研究了台风强降水期间关键区内低频系统的活动特征,初步建立了热带气旋影响下浙江省强降水过程预报模型,并提出依据模型开展延伸期过程预报的基本思路。对2012年的回报结果表明,模型表现出较好的性能,并针对强降水过程延伸期预报中需要解决的问题,提出了若干思考与建议。