绿洲与荒漠相互影响下大气边界层特征的模拟

用发展的二维中尺度土壤－植被－大气连续体数值模式模拟了绿洲与荒漠相互影响下的大气边界层特征。得到了绿洲和临近荒漠之间的边界层高度、风螺线、风速廓线、位温廓线和比湿廓线的差别,并给出了绿洲对其上游和下游荒漠大气的不同影响。基本再现了白天绿洲大气逆温和临近绿洲的荒漠大气逆湿。模拟实验研究不仅验证了外场观测结果,而且也使我们对复杂下垫面边界层结构有了一些新的认识。     

绿洲附近荒漠大气逆湿的外场观测和数值模拟

用ＨＥＩＦＥ实验观测资料,给出了临近绿洲的荒漠大气比湿廓线的一些特性。并且用发展的二维中尺度土壤一植被一大气连续体数值模式模拟了绿洲及其临近荒漠大气的湿度廓线结构,再现了荒漠大气的逆湿,得到了荒漠大气比湿廓线几种典型形式及其表现规律,初步解释了荒漠大气逆湿形成的物理过程和机制。     

平原雷达风廓线仪研究系统

1.引言研制本系统是为了观测伊利诺斯州香潘-厄巴纳附近平原对流层和平流层下部中尺度动力学过程.该系统主要由平原雷达(Flatland radar)和一部甚高频风廓线多普勒雷达组成.它是专门用来支持各种中尺度天气过程(如锋系、次天气尺度气流调整、内波的产生和传播、降雨,以及地面天气)研究的系统.本文简要介绍平原雷达和观测系统的其它部分,并给出几个中尺度过程的观测实例.     

大气廓线综合探测系统及其应用技术

介绍了大气廓线综合探测系统——风廓线仪与RASS雷达的工作原理，并以具体实例来说明这种探测技术在国外高空探测领域中的广泛应用。它可以被用来推算湿度廓线，探测锋的热动力结构与垂直风结构，诊断热带地区行星边界层和降雨云系统。通过对中日科技人员2002年夏季在安徽省肥西县进行的中尺度天气观测试验资料分析，阐述了用风廓线仪和RASS雷达资料反演0．2～2．2km高度范围内湿度廓线的方法。     

COSMIC掩星资料反演青藏高原大气廓线与探空观测的对比分析

利用青藏高原地区COSMIC掩星资料反演的大气湿廓线Wet Prf数据和8个站点的探空数据,分析了COSMIC反演大气廓线和可降水量与探空观测的偏差,并考查了偏差随高度的变化特征。结果显示:(1)COSMIC反演的温度、压强和水汽压廓线与探空观测具有很好的正相关;与探空观测相比,COSMIC的温度、压强和水汽压的偏差为-0.2℃、1.7 h Pa和0 h Pa,均方差为1.8℃、1.6 h Pa和0.4 h Pa;COSMIC反演大气廓线与探空观测的偏差基本上在大气低层较大,然后随高度增加而减小。(2)COSMIC反演的可降水量与探空观测正相关较好;COSMIC反演的可降水量低于探空观测,两者的偏差为-5.0 mm,均方差为5.7 mm;两者的负偏差在大气低层最明显。(3)探空观测在近地层的不稳定性和COSMIC反演方法中背景模式在青藏高原地区描述大气状态的能力有限,是造成COSMIC反演大气廓线和探空观测的偏差在近地层较大的主要原因;COSMIC观测的折射率偏小导致其反演的可降水量偏低。     

基于LSTM的地基微波辐射计湿度廓线反演

大气湿度廓线对于研究大气系统的复杂性具有十分重要的作用.地基微波辐射计有着连续观测的特性,能够以高时间分辨率反演出高度至10 km的大气湿度廓线,廓线数据对于气象预报和研究气候系统的变化至关重要.为了提高反演大气湿度廓线的精准度,本文使用时间循环神经网络模型,利用微波辐射计连续探测的信号并使用Ka波段毫米波云雷达数据提...     

GAPEX:地基大气廓线测量试验

1988年10月29日至11月4日的一周内,在丹佛的Stapleton国际机场进行了地基大气廓线试验(GAPEX).GAPEX的目标是用最新的遥感探测器获取和分析大气温度与湿度廓线资料.探测器包括6光谱通道被动微波廓线仪(MWP)、能提供1500个以上光谱通道的被动红外高分辨率干涉仪探测器(HIS)、以及主动无线电声学探测系统(RASS).用交叉台链(Cross-Chain)LORAN大气探测系统(CLASS)为现场热力学观测提供研究质量保证,用来检验3种遥感探测器中每一种的准确度和分辨率特性.本文给出这一试验项目的初步结果,向气象界通报GAPEX外场试验阶段所取得的进展.这些结果也显示了这种准确性高、连续运行的热力学廓线系统配合NOAA未来的业务用风廓线仪使用的良好前景.     

中性大气全边界层风廓线数值计算方法的探讨

行星边界层风廓线的计算研究。是边界层结构理论研究的组成部分,对中尺度大气扩散模式有重要的应用价值。 本文为了寻求合适的风速廓线计算方法,用仪征地区的实测资料验证了Blackader及Lettau(1962)提出的方法。並对某些参数进行适当的修正。计算值与实测资料是符合的,与其它一些研究成果也较一致。验证结果表明:上述计算方法可适用于我国平坦地区边界层风速廓线的分析研究。     

风廓线仪在中尺度试验中的应用

1985年5—6月期间,在堪萨斯和俄克拉何马中心进行了一次研究中尺度对流系统(MCSs)的试验,在试验过程中使用了许多大气科学领域内最新的测量技术。其中有3台50 MHz风廓线仪。通过初夏发生在美国高原上强对流环境下的两次飑线系统描述了廓线仪的性能。6月10—11日的飑线比较强烈和有组织;6月26—27日的飑线系统不太紧密。对于较强的天气,在飑线经过的前后时期,两个廓线仪都提供了很好的时间-高度范围内的水平风,但是当强对流线正在当地上空时不能很好地观测。相比之下,诺曼的廓线仪较好地提供了整个弱系统持续时间内的水平风资料,虽然有几个与廓线仪性能无关的数据失测。由风廓线及无线电测风资料证明两个飑线系统的中尺度结构相同。例如,在飑线后中层后部人流下有强烈的逆转风廓线,在飑线前面低层为顺转风廓线。在两个飑线系统的层状云区廓线仪比无线电探空测风仪探测的范围更完全些。但一个重要的问题是,50MHz廓线仪无法探测到地面以上1.5到2.0km的风。     

发展中的地基大气廓线探测

最初的大气廓线探测—无线电探空的出现和组网观测推动了气象学的发展。地基遥感大气廓线探测的发展将会推动对中小尺度天气系统变化规律的认识,提高对强天气过程的认识和预报能力。地基遥感大气廓线探测的主体技术已经成熟,但其复杂性和应用难度,远高于无线电探空,在应用环节、设备研制生产环节和多种技术的综合集成方面都面对技术挑战。多种大气廓线探测技术综合集成已成为大气廓线探测发展的重要特征和趋势。综合集成一方面能够提供更多要素,以满足应用需求;另一方面将改进、完善大气廓线探测能力,提高探测精度。     

COSMIC反演大气温湿廓线与模式客观分析场的比较

利用2009年不同季节COSMIC湿反演的大气温度和相对湿度廓线数据,分别与时、空相匹配的ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,欧洲中尺度天气预报中心)、NCEP(National Centers for Environmental Prediction,美国环境预报中心)模式客观分析场和无线电探空观测数据,进行全球范围的比较分析.初步研究表明,无论夏季还是冬季,各种资料源之间相互比较的偏差和标准差分布相似,与季节无关.就温度而言,三种资料源的温度水平、垂直分布都很接近,ECMWF模式数据比NCEP不论是温度廓线还是湿度廓线都更接近COSMIC反演值.模式的水汽客观分析场在对流层基本上都比无线电探空观测值偏湿,对流层中高层在大部分海洋地区也比COSMIC反演场偏湿.COSMIC反演的相对湿度相对于无线电探空整层偏大,具有明显正偏差,在300 hPa偏差达最大值(约30%).     

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。     

机载微波大气温度探测仪多高度飞行观测试验结果分析

机载微波大气温度探测仪可以机动灵活地获取大气温度廓线信息。针对一次机载微波大气温度探测仪的多高度飞行观测试验,基于逐线积分模式和大气参数廓线库,建立用于不同飞行高度的快速辐射传输模式,分析了仪器观测亮温的质量并对仪器观测进行了订正;建立了基于神经网络的微波大气温度廓线反演算式,分析了不同高度、不同通道选择对于大气温度廓线反演性能的影响。研究结果表明:（1）较低飞行高度计算得到的各地表敏感通道地表比辐射率之间具有较好的一致性;（2）采用订正算式订正后,不同飞行高度的模拟亮温与观测亮温具有较好的一致性;（3）机载微波大气温度反演最优通道组合依赖于平台飞行高度;（4）采用最优的通道组合,4 200 m、3 200 m和2 500 m高度层温度反演均方根误差范围分别为0.5~1.8 K、0.5~1.3 K和0.4~1.0 K。      

中国区域典型大气廓线样本库的一种选择方法

在模拟大气辐射传输过程、发展大气透过率模式及反演大气参数等许多应用中,大气状态廓线是重要的输入参数,为方便使用,建立具有一定代表性的样本数据库十分必要。目前,国际上有几十种各具特色的大气样本库,但包含中国区域的样本极少。为了弥补国际大气样本库中缺少中国区域大气廓线的不足,以中国区域2002年气象探空资料为基础,利用拓扑学方法建立了包含30条大气温度和湿度廓线的中国区域大气廓线样本库2。通过对所选样本的覆盖区域、观测时间、海拔高度、廓线垂直分布等特征分析,结果表明:该样本库具有样本时空分布均匀、样本独立性和气候代表性好等特点,符合大气样本库建立的基本原则,可为辐射传输研究和业务应用提供大气样本支持。     

新一代天气雷达资料在2003年淮河流域暴雨模拟中的初步应用:模拟降水和风场的对比

利用时间尺度密集的长沙、常德、合肥、南昌、南京、武汉和宜昌共7个站的新一代天气雷达（CINRAD-SA雷达）观测反演资料、TBB资料、常规的探空和地面观测资料、NCEP分析资料，与中尺度MM5模式相结合，以NCEP格点资料作为大尺度背静场，加入12 h间隔的探空、3 h间隔的常规地面观测资料及1 h间隔的雷达反演风廓线资料，进行全程四维同化模拟，考察中尺度数值模式MM5对2003年梅雨期间发生在湖南、安徽和江苏的暴雨过程（7月8～9日）的模拟能力。分析表明:除了模拟降水与实况接近以外（雨量和雨区），MM5模式输出的风廓线和从雷达观测反演得到的风廓线结果有很好的相似性，加入雷达反演风廓线资料后对模拟结果有一定改进，为进一步利用模式输出结果研究造成2003年江淮流域暴雨洪涝的中尺度对流系统的结构和机理提供了可能。     

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。     

激光雷达与微波辐射计联合观测大气边界层高度变化

为了研究苏州地区大气边界层结构的日变化及季节特征,利用2014年1—7月期间大气颗粒物激光雷达对苏州上空大气气溶胶进行了连续观测。选定2014年1月15日、3月16日、5月7日与7月22日全天的消光系数探测数据,通过优化后的梯度法得到了该地区的大气边界层高度,分析了其日变化特征,并分析了边界层高度与地表的温湿变化之间的相关性。结果表明除1月15日外,边界层的变化与地表温度存在明显的正相关,而与地表的相对湿度存在负相关。同时,对站点微波辐射计观测得到的温湿廓线与边界层内消光系数廓线进行了联合研究。研究结果表明,微波辐射计湿度垂直廓线与激光雷达消光系数廓线探测得到的边界层具有良好的一致性。     

中尺度气象学研究与中国气象科学研究院

近50年来, 中尺度气象学研究一直是中国气象科学研究院的首要课题。早在1963年, 中国气象科学研究院就开始参与主持国内首次长江三角洲地区中尺度气象学试验。此后, 又先后主持了“京津冀灾害性天气监测和超短期预报基地” (1986—1990年)、“海峡两岸及邻近地区暴雨试验研究” (1997—2003年)、“我国重大天气灾害形成机理与预测研究” (1998—2003年) 以及“我国南方致洪暴雨监测与预测的理论和方法研究” (2004—2009年) 等国家重大科技项目。在这些项目中, 中国气象科学研究院与有关单位密切合作, 独立自主地完成了数字天气雷达系统、多普勒天气雷达系统、车载多普勒天气雷达系统、风廓线雷达系统、全自动扫描双通道微波辐射计、自动气象站网、中尺度气象资料自动收集、处理、分析及显示集成系统等研制工作, 并且研制发展了中尺度非静力大气数值预报模式。利用现代中尺度大气探测网, 组织实施了多次中尺度暴雨等大气综合观测试验, 取得了丰富的中尺度观测资料, 为我国中尺度气象发展奠定重要的科学与技术基础, 做出了重大贡献, 先后获得了16项国家科技奖励。     

雷达降水资料一维变分同化的敏感性研究

采用 η坐标中尺度有限区域模式 ,对 98·7鄂东沿江突发性特大暴雨进行了数字化天气雷达探测降水资料调整湿度廓线的一维变分同化的敏感性试验。对湿度廓线初猜场X( 0 ) 所做的敏感性试验结果表明 :不同的湿度廓线初猜场X( 0 ) 对目标函数的下降速度有非常大的影响 ,而且在观测降水Ro≠ 0 ,模式背景降水Rb=0的特定情形下 ,采用不同的湿度廓线初猜场方案会对降水资料变分同化的成功与否产生重要影响。     

风廓线雷达反演大气比湿廓线的初步试验

基于湍流散射理论,运用边界层风廓线雷达 (WPR) 联合RASS (Radio Acoustic Sounding System), GPS/PWV (Global Position System/Precipitable Water Vapor) 进行全遥感系统的大气比湿廓线反演试验,并对影响因子进行分析。利用2011年8—9月云南大理综合探测试验数据的反演结果与探空数据进行比较分析,结果表明:WPR联合探空的温度廓线和起始边界比湿 (q₀) 反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线相比具有相同的变化趋势,标准差为0.84 g·kg-1,误差随高度增加呈递增趋势;WPR联合RASS, GPS/PWV数据反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线的标准差为0.85 g·kg-1。参加反演的数据中,折射指数结构常数C_n2与谱宽σ_turb2对反演影响最大,反演算法中大气折射指数梯度M符号的判断对反演精度也有较大影响。