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.     

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。     

地基微波辐射计工作环境对K波段亮温观测影响

该文研究地基微波辐射计天线性能及其工作环境对K波段20~30 GHz亮温观测数据的影响,根据辐射传输理论和天线性能参数分析建立模型,通过模拟计算给出辐射计20~30 GHz波段亮温观测对天线性能及其工作环境的响应,提出针对工作环境温度变化影响的订正方案,并结合观测资料进行分析验证。结果表明:如果辐射计天线增益和3 dB波束宽度决定的等效主波束效率η_e较低,则即使在能够经常进行辐射计系统液氮定标的情况下也必须考虑天线工作环境 (环境温度与辐射计定标时的情景差异) 对K波段亮温观测的影响。对某一辐射计液氮定标后1年多观测资料的订正验证表明:订正效果明显,尤其是在28.0 GHz和30.0 GHz两通道。     

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。     

冰雹云降水过程中微波亮温的变化特征

通过冰雹云模式模拟的一次冰雹云降水过程中降水粒子廓线和微波辐射传输模式结合,分析了冰雹云发展的不同阶段的微物理含量垂直结构变化及其对微波亮温的影响,得到以下几点结论:1)如果微波通道受到降水粒子散射和辐射的共同作用,如降水云早期的85 GHz亮温,成熟期的19 GHz亮温及消散期的37 GHz亮温,由于辐射和散射信息互相抵消,致使亮温随雨强的变化较复杂,这些通道亮温和雨强的相关性明显降低,不宜被用来反演地面雨强。2)根据19 GHz亮温随地面雨强或冰相粒子柱含量的改变,可以大致确定降雨云的不同阶段:在发展阶段,主要是降雨层以上的冰相粒子,尤其霰粒影响19 GHz亮温,致使其亮温与冰相粒子柱含量具有较好的负相关,而与地面雨强相关性较差;在成熟阶段,主要受雨水上层逐渐增加的辐射和冰相粒子散射共同作用,使得19GHz亮温与地面雨强和冰相粒子柱含量的相关性都不太好;在消散阶段,19 GHz亮温主要受较强的雨水辐射影响,与地面雨强和冰相粒子柱含量均有着较高的正相关。3)37 GHz是相对比较稳定的通道,其亮温与地面雨强有较好的线性关系,尤其与冰相粒子柱含量相关性更好,因此是反演地面雨强和冰相粒子柱含量的最佳通道。85 GHz亮温对降雨云体的中高层结构较为敏感,使得其亮温随地面雨强增加而降低的变化比较离散,不如37 GHz的集中。     

地基35通道微波辐射计观测资料的初步分析

选取2008年6月的微波辐射计观测数据和同期探空数据进行对比分析。结果发现两者温湿度的相关系数分别为0.994和0.697,都通过了置信度为0.001的显著性水平检验,表明其总体趋势是相近似的。对于廓线的分析采用的是各层的平均值,微波辐射计和探空的结果都反映了温度随着高度呈现递减趋势,而且经过方差分析两者在0.05水平差异不显著。但相对湿度的廓线结果经过方差分析在0.01水平差异极显著。     

基于地基微波辐射计反演四川盆地水汽及云液态水的初步分析

利用2016年12月1日～2017年11月30日,地基微波辐射计、L波段探空资料和地面常规气象资料,对四川盆地的水汽和云液态水进行了初步分析。结果表明：(1)探空与微波辐射计反演的水汽含量差值为0.558cm,相关系数为0.787,且通过了α=0.01显著性检验,微波辐射计反演的水汽含量是可信的。(2)基于地基微波辐射计分析四川盆地水汽和云液态水含量的变化特征,可以得出,夏季水汽含量最多,秋季云液态水含量最多;最大值出现在夜晚,最小值出现在白天,夜晚值大于白天。水汽含量和云液态水含量最大值和最小值时间间隔秋季最长(均为16小时),冬季最短(分别为9小时、10小时);水汽含量日较差在秋季最大(1.096cm),冬季最小(0.489cm),云液态水含量日较差在夏季最大(0.908mm),冬季最小(0.311mm)。水汽含量与降水、温度的月变化特征为显著性正相关,相关系数分别为0.842和0.915;与温度日变化特征在春、秋季的11:00～次日01:00为显著性正相关,白天相关性大于夜晚,在夏季01:00～13:00为显著性负相关,日出前相关性最高。(3)水汽和云液态水含量在降水过程开始前1～2h有明显的波动上升,降水结束后,水汽和云液态水含量迅速减少,水汽和云液态水的变化特征对降水天气的预报具有指示意义。     

基于微波辐射计测量呼和浩特地区水汽特征的初步分析

对比分析多通道微波辐射计、GNSS/MET(GPS)与常规探空观测资料,利用微波辐射计观测资料分析呼和浩特地区水汽分布特征。结果表明:微波辐射计的温度廓线在3km以下比较准确,相对湿度和水汽密度在2km以下具有参考价值。微波辐射计、GPS与探空测量水汽的绝对误差分别为0.38cm与1.0cm,且均高于探空值。呼和浩特地区水汽具有明显的季节变化与日变化特征,夏季水汽平均值最大,为2.59cm,秋季其次,为1.52cm,春季和冬季分别为0.96cm和0.54cm。四个季节的水汽日较差夏季(0.20cm)>秋季(0.17cm)>冬季(0.14cm)春季(0.09cm),水汽的日变化率冬季(26.63%)>秋季(12.01%)>春季(9.63%)>夏季(8.53%)。水汽最大值、最小值出现频率具有一定特征,不同季节水汽最大值出现在23:00—23:59的概率最大,最小值在00:00—00:59出现的概率最大。     

基于地基微波辐射计资料对成都双流机场两次雷雨过程的分析

利用地基微波辐射计资料,比较了2017年7月成都双流机场的两次雷雨过程,根据天气形势分为"两高切变"和"东高西低"2类,在此基础上分析微波辐射计要素变化特征,结果表明:在垂直方向0～10 km,以相对湿度达到80%来区分干区和湿区,则两次过程前3 h,相对湿度在垂直方向均呈现"上下干、中间湿"三层结构,并早于近地层前2 h达到饱和状态;过程期间相对湿度呈现"上干、下湿"两层结构;过程结束后湿层抬高,低层变干。两次过程水汽含量充沛,保持在70 kg/m~2以上,峰值超过85 kg/m~2。每一次中阵雨发生后水汽含量都会短暂回落,但仍高于过程前的数值,不足2 h后再次发生中阵雨。由0℃线高度变化可知,降水过程中,暖区(温度≥0℃)内相对湿度≥90%;云中液态水含量主要分布于6 km以下,温度在0℃以上的液态水占比很高,故两次过程以暖云降水为主。雷雨前1 h左右有"低层气温上升,0℃层抬升,K指数、CAPE指数也明显增大"的典型特征。降水发生在相对湿度、水汽总含量、云中液态水含量和稳定度指数快速增长的波峰中。     

MP-3000A型地基微波辐射计的资料质量评估和探测特征分析

应用常规探空、MP-3000A型地基微波辐射计和自动气象站数据,比较了微波辐射计与探空的差异,温度和相对湿度的平均观测偏差分别为3.2℃和29%,相关系数分别为0.98以上和0.5左右。分析了不同天气下微波辐射计的探测特征,发现相对湿度和液态水含量的垂直变化与降水、强对流和大雾的发生有良好对应:降水和强对流过程中,6 km以下的相对湿度提前增大（湿度增大的提前时间在降水中较长,在强对流中较短）,3.5 km以下液态水含量增加,尤其在2.25³.25 km处有明显的激增;大雾伴随3³.5 km以下相对湿度增大和1.5 km以下液态水含量激增。A指数和对流性稳定指数(I_conve指数在出现明显降水后可能失去指示意义,在刚开始降水（尤其是明显降水）阶段及大雾中表现良好。     

地基微波辐射计对乌鲁木齐暴雨天气过程的观测分析

MP-3000A是一种新型大气探测仪器,可以连续得到从地面到10km高度上高分辨率的温度、相对湿度、水汽廓线以及液态水廓线。通过选取2011年5月1日的微波辐射计观测数据,分析在降水发生前后的水汽密度和液态水含量的变化,发现大气降水与水汽密度和液态水含量有很紧密的联系。大气中的可降水量一般会维持在25mm,当大气中的可降水量值超过50mm,液态水含量值开始增加的时候,发生降水的可能性增大;降水过后,液态水含量若是没有回落到0.0mm以内,在未来的2～3h内还是会发生降水,因此研究微波辐射计探测的大气水汽密度和液态水含量,将有助于提高短时、临近预报的准确度。     

北京干湿雷暴过程的地基微波辐射资料对比分析

利用北京城区两部地基微波辐射仪资料,结合自动站、加密探空和雷达等局地非常规观测资料,对北京地区2008年8月14日"湿雷暴"(强降水伴有雷电)和24日"干雷暴"(强雷电伴有弱降水)过程发生前的局地环境大气温湿廓线特征进行对比分析.研究结果表明:1)干湿雷暴发生前大气层结明显不同.湿雷暴探空层结曲线呈"漏斗"型,低层暖湿...     

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。     

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。