AMSR-E数据参数化法反演液态云水路径研究

液态云水路径是气象学和云雾物理的一个重要参数,其定量测量对气候变化及灾害性天气的监测和预报均具有十分重要的作用.本文利用AUQA卫星携带的微波成像仪AMSR-E和中分辨率成像光谱仪MODIS确定微波极化通道亮温与大气含水量ω的关系,并改进双极化参数法.结果表明:利用AMSR-E的89.0 GHz和36.5 GHz微波极化通道亮温数据可直接反演液态云水路径,并可依据MODIS反演的大气含水量ω将反演分辨率估算至1 km.反演结果与MODIS云图路径吻合,与NCEP 1°×1°的6 h液态云水路径垂直积分总含量资料进行对比,表明反演结果误差小于0.04 kg·m~(-2).     

先进技术微波探测仪(ATMS)云液态水路径算法评估

云液态水路径是气候和天气系统分析的重要参数,可以从卫星观测资料反演获得.目前,基于卫星微波探测仪器观测资料的云水算法可由23.8和31.4 GHz两个通道产生.本研究使用先进技术微波探测仪(ATMS)观测数据,对物理和经验两种算法反演出的云液态水路径进行验证评估.结果表明,经验算法和物理算法都可以描述云液态水在全球洋面...     

太平洋上云水路径反演产品及其气候变化特征分析

基于极轨卫星NOAA-15上的微波温度计AMSU-A（Advanced Microwave Sounding Unit-A）多年亮温观测资料,建立了全球海洋上的云液态水路径反演产品,并通过对比ERA5和FNL/NCEP再分析资料的云水路径产品,分析了反演产品对云液态水路径气候变化特征的再现能力,进一步通过线性回归和EEMD（Ensemble Empirical Mode Decomposition）方法分别分析了太平洋地区大气云水路径的线性和非线性气候变化趋势特征。结果表明,云水路径反演资料可以很好的再现多年平均空间分布特征及相应的气候变化趋势,云水路径气候趋势表现出明显的纬度带特征,增多和减小趋势随纬度带间隔出现,而且在北半球东太平洋地区,云水路径气候趋势的纬度带特征有向北迁移的现象。相比而言,反演产品的气候趋势与ERA5再分析资料有更好的相似性,而FNL资料对趋势的纬度带特征,尤其是纬度带特征的北移现象未能很好的再现,只是表现为赤道地区水汽减少,而两侧云水路径显著增加的特征。     

黄土高原半干旱区净碳交换量的特征分析

利用涡动相关技术对黄土高原半干旱区SACOL站2007~2012年连续6 a的CO2通量进行观测,并结合气象观测数据,分析兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL站)净生态系统碳交换量(NEE)的变化特征以及环境影响因子。结果表明:(1)黄土高原半干旱区SACOL站NEE年累积平均值为-214.50±43 g C/m2,其中生长季节累积平均值为-171.58±41 g C/m2,非生长季节累积平均值为-42.92±5 g C/m2;(2)SACOL站NEE的日变化呈"U"型,净辐射是影响NEE日变化的主要因子。NEE日平均值为-1.15 g C/m2,表现为明显的CO2吸收,即黄土高原半干旱区是重要的碳汇区;(3)NEE值有明显的年际差异和季节变化特征,生长季节比非生长季节变化幅度大;NEE在生长季节主要受到土壤湿度的影响,而土壤温度会影响非生长季节NEE的变化。     

一种利用天空辐射计反演大气总水汽量的算法研究

传统计算大气总水汽量是利用改进的Langley方法,通过准确测定传感器的光谱响应函数结合辐射传输方程模拟大气中水汽透射比并反演总水汽量。而本文提出了一种根据天空辐射计940 nm通道的太阳直接辐射资料反演晴空条件下大气柱总水汽量的算法,该算法直接根据天空辐射计的观测数据估算了描述大气中水汽透射比的参数(a和b),而不依赖于光谱响应函数的精确测量;反演得到的a和b值包含了观测站温度、气压和湿度垂直廓线的季节变化等信息,不受模式模拟误差的影响。利用2009年3-8月兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)天空辐射计资料,用该算法获得了观测时期内大气总水汽量,然后利用同期探空资料反演的水汽量验证天空辐射计反演和微波辐射仪观测的水汽量。结果表明,这两种方法得到的水汽总量都是可靠的。天空辐射计与微波辐射仪、CE318型太阳光度计的反演水汽量表现出较好的一致性,拟合斜率值分别为1.03和1.64,相关系数均0.95,相对误差在2.1%~11.3%范围内。该算法可广泛应用于东亚地区天空辐射计网(SKYNET)对总水汽量的反演。     

干旱半干旱区土壤湿度数值模拟研究进展

总结和回顾了干旱半干旱地区土壤湿度研究在区域气候变化研究过程中的重要性,详尽描述了干旱半干旱区土壤湿度数值模拟的研究现状。在过去几十年里,大型地面观测试验计划的开展、卫星遥感监测能力的加强促进了干旱半干旱地区陆面模式模拟土壤湿度能力的提高,推动了干旱半干旱地区土壤湿度数值模拟的研究进程。尤其是干旱半干旱地区气候观测站的建立,积累了长期宝贵的连续性观测数据,增强了检验卫星反演方法的能力,促进了陆面模式的参数化改进。近年来随着气象学、生态学以及水文学、土壤学等学科之间交叉合作的加强,气候变化背景下土壤湿度对碳、氮循环的影响研究得到越来越多的重视,尤其在干旱半干旱地区,局地碳通量和水分供应存在密切联系。因此,未来半干旱地区土壤湿度的研究不仅要开展观测计划,积累长期连续的高质量数据,改进卫星反演能力和模式参数化方案,而且要进一步深化和加强学科交叉内容的研究,分析气候变化背景下土壤湿度在生态学、水文学、土壤学等学科的变化形式和特点,多角度、多方向地开展和改进干旱半干旱地区土壤湿度的数值模拟研究。     

基于雨雪天气背景的微波辐射计斜路径与天顶观测的反演结果对比分析

为检验斜路径观测反演方法对雨雪天气背景下微波辐射计反演结果的改进,以2014年2月17—18日发生在武汉的一次雨雪过程为例,利用武汉观象台MP-3000A型微波辐射计天顶方向和斜路径观测反演的温度、相对湿度、水汽密度、液态水含量等廓线产品,分别与武汉观象台L波段探空资料,以及GPS-MET和Thies Clima激光雨滴谱仪的观测资料进行了对比检验。结果表明:(1)微波辐射计以斜路径方向观测,可以较好地消除K、V波段亮温信号饱和现象,亮温随降水强度的变化出现起伏波动的特征;(2)微波辐射计斜路径方向的反演产品与探空观测的相关性较好;(3)与GPS-MET观测的大气整层可降水量(PWV)比较,斜路径观测反演的PWV虽然整体偏大,但走势一致,而天顶方向的反演产品在有降水出现时,跃增明显;(4)与雨滴谱比较,斜路径方向观测时,地面降水强度的峰值与云中液态水丰沛区有着很好的对应关系。     

基于径向基神经网络的地基微波辐射计反演算法研究

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL站)2009—2010年的地基微波辐射计亮温资料和榆中站探空资料,建立了应用于地基微波辐射计温度、相对湿度和水汽密度反演的径向基神经网络,并将反演结果与地基微波辐射计自带反演产品进行了对比,探究了径向基神经网络在地基微波辐射计气象要素反演算法本地化的应用效果。结果表明:径向基神经网络反演的温度、相对湿度和水汽密度的均方根误差最大值分别为2.72 K、22.32%和0.73 g·m^-3,在所有高度层上径向基神经网络的反演结果均优于微波辐射计,反演产品对2—10 km、1—7 km、0—3 km的大气温度、相对湿度和水汽密度廓线的反演均有明显改善,径向基神经网络能够应用于地基微波辐射计气象要素的反演算法的本地化。     

卫星遥感反演降水研究进展简述

高质量的降水数据是开展天气、气候、水文、生态等研究的重要基础.由于传统地面雨量计站观测和地基雷达观测受站点数量和地形条件的限制,很难实现大范围降水的均匀观测,而卫星反演降水能有效弥补传统观测站网的缺点.根据卫星反演降水的原理,简要概述了可见光、红外、微波、多种传感器组合的卫星降水反演算法、总结了5种不同卫星数据反演产品...     

半干旱地区卷云特征的激光雷达探测

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站( SACOL) 2007年4～1 1月微脉冲激光雷达(MPL-4 B)观测资料,统计分析了卷云的高度、厚度及其变化特征.采用透过率方法计算了卷云光学厚度,得到了卷云光学厚度与卷云厚度和云底高度的相关关系.结果表明,SACOL卷云出现的平均海拔高度为10.16±1.32 km;卷云厚度...     

降水条件下的云雷达与微波辐射计反演液态水含量对比分析

为了发展云雷达与微波辐射计联合反演液态水含量的方法, 利用2019年4—9月中国气象科学研究院在广东龙门开展的综合观测试验中的双波段云雷达和微波辐射计数据, 首先检验了在降水条件下微波辐射计天顶观测和斜路径观测两种探测模式反演温度(T)、相对湿度(RH)、液态水含量(LWC)和液态水路径(LWP)的合理性, 然后分析了两种探测设备反演LWC和LWP的差别。得到以下结论: (1)微波辐射计在斜路径观测模式下反演的产品受降水影响较小, 其反演结果明显优于天顶观测模式; (2)两种探测设备反演的LWP相关性较好且随时间变化较为一致, 但云雷达反演LWP与平均回波强度有明显相关, 随着雷达回波强度的增大, 云雷达与微波辐射计反演的LWP之比越大; (3)两种探测设备反演的LWC相关性较差且存在明显偏差, 在不考虑融化层的情况下单波段云雷达反演LWC与微波辐射计随高度变化趋势相近, 双波段云雷达反演LWC与微波辐射计反演结果在1 km及其以上区间存在明显差异。      

青藏高原云水气候特征分析

利用2001~2016年MODIS月平均液相云水路径（Cloud Liquid Water Path,LWP）、冰相云水路径（Cloud Ice Water Path,IWP）资料和ERA-Interim再分析等资料,分析了青藏高原空中云水的分布特征、变化趋势以及与大气环流变化和水汽输送变化的关系。结果显示,LWP和IWP的年平均分布形态与降水、可降水量对应较好,林芝地区聚集了丰富的LWP、IWP、降水量和可降水量。受印度洋季风影响,LWP和IWP存在明显的季节变化,夏季LWP和IWP最丰富,冬季最少。水汽传输和高原的动力、热力作用是影响夏季LWP和IWP分布的主要因素,夏季高原南部相对湿度大,水汽抬升强烈,促进了LWP和IWP的形成和积累。LWP和IWP随海拔高度的变化特征较为相似,3000~5500 m海拔高度区间内二者的总体变化特征与青藏高原降水的梯度变化特征一致,为随高度先较快升高后保持稳定的分布特征。青藏高原年平均和季节平均LWP和IWP在2001~2016年间均以减少趋势为主,这一变化趋势与云量和降水变化趋势一致,LWP和IWP的减少趋势与水汽输送通量散度的增加密切相关。     

ESTIMATION OF CLOUD LIQUID WATER OVER THE HUBEX AREA USING THE TRMM MICROWAVE IMAGER

The ability of the Tropical Rainfall Measuring Mission Microwave Imager(TRMM/TMI)forcloud liquid water(CLW)retrieval has been demonstrated in this study.Due to the greatsensitivity of the TMI 85.5 GHz channels to CLW,the liquid water path(LWP)ofnonprecipitating clouds over land can be successfully estimated using the VDISORT model basedon the iteration steps.Both the vertical-polarized 85. 5 GHz single-channel method and thepolarization-difference of 85.5 GHz method were applied to the LWP estimates over land regionsduring the Huaihe River Basin Energy and Water Cycle Experiment(HUBEX)in China.Theretrieval results show reasonable agreement with the ground-based microwave radiometermeasurements.When the surface emissivity or skin temperature is difficult to be made sure,thepolarization-difference method shows advantages of providing estimates of LWP especially for lowclouds because of its extremely insensitiveness to the surface skin temperature.     

用TRMM/TMI估算HUBEX试验区的云中液态水

文中应用热带降雨测量卫星微波成像仪的微波遥感资料反演云中液态水。由于微波成像仪85.5 GHz通道对云中液态水非常敏感,通过离散纵坐标矢量辐射传输模式,运用迭代的方法可以有效地反演出陆地上空非降水云中的液态水路径。在淮河流域能量与水分循环试验中,分别运用微波成像仪85.5 GHz垂直极化单通道和微波成像仪85.5 GHz极化亮温差两种方法来估算陆地上空的云中液态水路径,反演结果与地基微波辐射计的测量结果是较为一致的。当地表比辐射率或地表温度误差较大时,用极化亮温差法估算云中液态水路径相对较好,尤其是对于低云,因为该方法对地表温度不敏感。     

Retrieval of Liquid Water Path Inside Nonprecipitating Clouds Using TMI Measurements

Quantitative estimates of liquid water path （LWP） in clouds using satellite measurements are critical to understanding of cloud properties and the assessment of global climate change. In this paper, the relationship between microwave brightness temperature （TB） and LWP in the nonprecipitating clouds is studied by using satellite microwave measurements from the TRMM Microwave Imager （TMI） onboard the Tropical Rainfall Measuring Mission （TRMM）, together with a radiative transfer model for microwave radiance calculations. Radiative transfer modeling shows that the sensitivity is higher at both 37.0- and 85.5-GHz horizontal polarization channels for the LWP retrievals. Also, the differences between the retrieved values responding to TBs of various channels and the theoretical values are displayed by the model. Based upon above simulations, with taking into account the factor of resolution and retrieval bias for a single,channel, a nonprecipitating cloud LWP in the summer subtropical marine environment retrieval algorithm is formulated by the combination of the two TMI horizontal polarization channels, 37.0 and 85.5 GHz. Moreover,by using TMI measurements （1Bll）, this algorithm is applied to retrieving respectively LWPs for clear sky, nonprecipitating clouds, and typhoon precipitating clouds. In the clear sky case, the LWP cl~anges from -1 to 1 g m-2, and its mean value is about 10^-5 g m^-2. It indicates that, using this combination retrieval algorithm, there are no obvious systemic deviations when the LWP is low enough. The LWP values varying from 0 to 1000 g m^-2 in nonprecipitating clouds are reasonable, and its distribution pattern is very similar to the detected results in the visible channel of Visible and Infrared Scanner （VIRS） on the TRMM. In typhoon precipitating clouds, there is much more proportion of high LWP in the mature phase than the early stage. When surface rainfall rate is lower than 5 mm h^-1, the LWP increases with increasing rainfall rate.     

南海中尺度大气海浪耦合模式及其对该区一次强台风过程的模拟研究

利用中尺度大气模式MM5(V3)和第3代海浪模式WWATCH建立考虑大气-海浪相互作用的风浪耦合模式.在耦合模式中引入考虑波浪影响的海表粗糙度参数化方案,大气模式分量提供海面10 m风场驱动海浪模式分量运行,并利用海浪模式分量反馈的波龄参数计算海表粗糙度.利用耦合模式模拟南海的一次台风过程,通过3组对比试验,检验耦合模式对台风过程的模拟效果并研究大气-海浪相互作用对台风过程的影响.结果表明:耦合模式能够较好地模拟南海的台风过程,与非耦合大气模式相比,其模拟的台风强度略有增强,路径变化不大;耦合模式对台风过程中海表热通量及降水影响显著,在台风充分发展过程中,耦合模式模拟的海表热通量增强,台风螺旋雨带上尤其是台风路径的右侧,耦合模式模拟的降水强于非耦合模式;耦合模式较好地模拟了台风过程海浪场的分布和演变,与非耦合模式相比,其模拟的海浪场增强,与实际更为接近;考虑了海表粗糙度对波浪的依赖关系后,海浪场同时影响海表的动力过程和热力过程,从本次个例看,在台风发展初期,海浪对海表动力作用影响显著,其反馈作用使台风系统减弱,但在台风充分发展后,耦合系统中海表热通量增加,热力作用显著增强,海浪的反馈作用有利于台风系统的发展和维持.     

由地基微波辐射计测量得到的北京地区水汽特性的初步分析

首先对比分析了三种测量水汽技术(地基微波辐射计、探空、GPS)之间的差异, 得到地基微波辐射计与探空的差值为0.281cm, GPS与探空的差值为0.728 cm, 地基微波辐射计与GPS的差值为0.322 cm。接着就地基12通道微波辐射计测量得到的水汽总量 (简称PWV), 分析了北京地区水汽在四个季节中的日变化特征。秋季日变化差为0.162 cm, 冬季日变化差为0.130 cm, 春季日变化差为0.229 cm, 夏季日变化差为0.276 cm。另外, 北京地区四个季节中水汽最大值/最小值出现频率最高的时间段呈现一定的特征。即四个季节中在北京时间00:00到00:59和23:00到23:59这两个时间段中, 水汽出现最大值/最小值的概率较其他时间段都高, 其中冬季在北京时间10:00到10:59之间出现最小值的概率最高。水汽总量PWV每小时变化率在四个季节中都存在这样的现象: 出现正的水汽总量PWV每小时变化率的百分比与出现负的水汽总量PWV每小时变化率的百分比相当, 几乎都为50%。最后就水汽与温度相关性做了分析, 分别得到四个季节中各个小时水汽与温度的相关系数, 结果显示各个小时水汽与温度的相关性在四个季节中, 除了夏季从北京时间09:00到22:00为负相关外, 其他时间段内都为正相关。而且各个小时水汽与温度的相关系数都按照秋、春、 冬、夏的顺序递减。     

地基遥感大气水汽总量和云液态水总量的研究

介绍了地基微波辐射计遥感反演大气柱中的水汽总量和云液态水总量的辐射传输原理和反演方法。给出了实用的有气候代表性的北京地区4个季节的反演公式，并对反演公式进行了数值检验，分析了反演精度：春、夏、秋、冬4季水汽总量反演的相对标准偏差分别为3．1％、1．6％、2．2％和2．4％。用反演公式反演在香河探测的NASA微波辐射计资料发现：微波辐射计反演的水汽总量平均比探空测量值偏大O．21cm，二者的线性相关系数为0．988．均方根误差为0．16cm：云液态水总量除降水云天外．值均在0．1mm以下。     

测量云液水柱含量的一个设想

云液态水柱含量是一个重要的气象学和云雾物理参数.对于云液水柱含量测量已发展了多种技术,但由于云在时空上变化很大,目前地基、飞机以及卫星测量的全部资料,都不能满足数值天气预报、人工增雨及气候变化研究等方面的工作需要.作者提出一种测云水的新方法,即从卫星-地面的微波衰减来确定云水(斜)柱量,并研究了此方法中的测量通道选择及测量方式问题,进行了初步的误差分析研究.结果表明,此方法在现有技术条件下可行,云水的测量精度不难达到20%～30%的水平.与卫星被动微波遥感结合起来,可获得精度更高的云水全球分布资料.