The Capability of Atmospheric Profile Retrieval from Satellite High Resolution Infrared Sounder Radiances

ＴｈｅＣａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＰｒｏｆｉｌｅＲｅｔｒｉｅｖａｌｆｒｏｍＳａｔｅｌｌｉｔｅＨｉｇｈＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＩｎｆｒａｒｅｄＳｏｕｎｄｅｒＲａｄｉａｎｃｅｓＬｉＪｕｎ（李俊）（Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｉｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏ...     

The impact of AIRS atmospheric temperature and moisture profiles on hurricane forecasts: Ike (2008) and Irene (2011)

Atmospheric Infra Red Sounder(AIRS) measurements are a valuable supplement to current observational data, especially over the oceans where conventional data are sparse. In this study, two types of AIRS-retrieved temperature and moisture profiles, the AIRS Science Team product(Sci Sup) and the single field-of-view(SFOV) research product, were evaluated with European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF) analysis data over the Atlantic Ocean during Hurricane Ike(2008) and Hurricane Irene(2011). The evaluation results showed that both types of AIRS profiles agreed well with the ECMWF analysis, especially between 200 h Pa and 700 h Pa. The average standard deviation of both temperature profiles was approximately 1 K under 200 h Pa, where the mean AIRS temperature profile from the AIRS Sci Sup retrievals was slightly colder than that from the AIRS SFOV retrievals. The mean Sci Sup moisture profile was slightly drier than that from the SFOV in the mid troposphere. A series of data assimilation and forecast experiments was then conducted with the Advanced Research version of the Weather Research and Forecasting(WRF) model and its three-dimensional variational(3DVAR) data assimilation system for hurricanes Ike and Irene. The results showed an improvement in the hurricane track due to the assimilation of AIRS clear-sky temperature profiles in the hurricane environment. In terms of total precipitable water and rainfall forecasts, the hurricane moisture environment was found to be affected by the AIRS sounding assimilation.Meanwhile, improving hurricane intensity forecasts through assimilating AIRS profiles remains a challenge for further study.     

Impact of Mid- and Upper-Level Dry Air on Tropical Cyclone Genesis and Intensification: A Modeling Study of Durian (2001)

The impact of mid- and upper-level dry air, represented by low relative humidity (RH) values, on the genesis of tropical cyclone (TC) Durian (2001) in the South China Sea was investigated by a series of numerical experiments using the Weather Research and Forecasting model. The mid-level RH was lowered in different regions relative to TC Durian (2001)'s genesis location. Results suggest that the location of dry air was important to Durian (2001)'s genesis and intensification. The rapid development of the TC was accompanied by sustained near-saturated mid- and upper-level air, whereas low humidity decelerated its development. Water vapor budget analysis showed that moisture at mid and upper levels was mainly supplied by the vertical convergence of moisture flux and the divergence terms, and consumed by the condensation process. The horizontal convergence of moisture flux term supplied moisture in the air moistening process but consumed moisture in the air drying process. With a dryer mid- and upper-level environment, convective and stratiform precipitation were both inhibited. The upward mass fluxes and the diabatic heating rates associated with these two precipitation types were also suppressed. Generally, convection played the dominant role, since the impact of the stratiform process on vertical mass transportation and diabatic heating was much weaker. The vorticity budget showed that the negative vorticity convergence term, which was closely related to the inhibited convection, caused the vorticity to decrease above the lower troposphere in a dryer environment. The negative vorticity tendency is suggested to slow down the vertical coherence and the development rate of TCs.     

DRP-4DVar方法同化AIRS反演资料在一次江淮流域暴雨中的应用

利用经济省时的降维投影四维变分同化方法(DRP-4DVar),在2009年7月22～23日江淮流域的一次大暴雨过程中同化晴空条件下高光谱大气红外探测仪(AIRS)反演温度、湿度廓线,改进此次强降水过程的模拟。试验结果分析显示,同化AIRS反演的温度及湿度场后,基于四维变分同化系统的模式约束,能够改进湿度场、高度场、高低层散度场。从累积降水量偏差图及同化试验增量图可以看到,正降水量偏差对应于正湿度增量、负位势高度增量及低层负散度高层正散度增量,负降水量偏差则与之相反。同化试验较参照试验可更好地模拟出暴雨的天气形势、对暴雨的落区及强度有更好的反映。此外,从单次同化与连续同化的试验对比结果看出,连续同化试验结果较单次同化结果有进一步的改进,说明不断加入新的观测资料可以更好地模拟强降水过程。     

基于风廓线雷达的湖北梅雨期暴雨中小尺度特征

针对2016年湖北梅雨期3次(“6·19”、“7·5”和“7·19”)暴雨过程,首先对比了汉口站探空数据与汉口、咸宁两个风廓线雷达站水平风速、风向,发现“6·19”和“7·5”过程汉口风廓线雷达站3 km以下水平风速和探空数据较为接近,而3次过程中咸宁风廓线雷达站8 km以下水平风向、风速和汉口站探空数据基本吻合。在此基础上利用风廓线雷达资料并结合常规、加密自动气象站资料,对3次过程中水平风场、平均垂直速度及其变率、水平风速垂直切变、大气折射率结构常数(C■)等进行分析。结果表明：(1)降水开始前西南风速明显增大,中层干冷空气入侵和地面冷池形成的中尺度偏东气流是“6·19”过程50站出现大于等于17.2 m·s^-1大风的主要原因,“7·5”和“7·19”过程西南急流长时间维持及1 km以下的偏东气流则是短时强降水持续时间较长的诱因;(2)梅雨期暴雨期间风廓线雷达观测的水平风速垂直切变、平均垂直速度及其变率随高度变化较小,较强上升运动区域主要集中在4 km高度以下;(3)C■显示强降水发生前大气水汽含量有一增加过程,且整层水汽含量深厚,C■大值区的消失对应降水结束。     

A Study on Retrieving Atmospheric Profiles from EOS/AIRS Observations

1. IntroductionThe development of global climate and weathermodels requires accurate monitoring of atmospherictemperature and moisture profiles, as well as the con-tents of trace gases and aerosols. It is quite difficultto monitor continuously these parameters on a globalscale.Until recently. AIRS (Atmospheric InfraredSounder) offers a new opportunity to improve globalmonitoring of temperature, moisture, and ozone distri-butions and changes therein. The high spectral resolu-tion (v/Δv ? 12…     

广西西江流域致洪暴雨过程中尺度特征及机制分析

利用广西逐站逐小时降水量、1°×1°逐小时FY-2C的TBB资料和1°×1°逐6 h NCEP/NCAR再分析资料,应用空间25点平滑滤波方法,分析了2005年6月18~22日西江流域致洪暴雨过程的中尺度特征及其发生、发展的机制。结果表明:这次致洪暴雨过程的降水时空分布不均,具有明显的中尺度特征。雨团集中出现在TBB值的低值中心、低值中心北侧等值线密集的地方以及等值线曲率大的地方。镶嵌于大尺度西南气流中的中尺度涡旋系统在西江流域反复生成,导致对流云团不断生成和加强,是此次暴雨产生的直接原因。暴雨区上空中尺度经向垂直环流圈的存在对中尺度涡旋和对流云团的发生和发展具有促进作用。中低层弱的对流不稳定与强的水平风垂直切变和湿斜压性共存是此次暴雨产生和持续发展的重要机制。     

一次双高空急流背景下南疆强降水事件的动力过程和水汽源分析

本文利用欧洲中心ERA-Interim和NOAA的再分析资料并应用拉格朗日后向轨迹追踪的方法对2015年5月24日发生在南疆的一次强降水过程进行了动力诊断和水汽特征分析。结果表明此次强降水过程的直接影响系统是中亚低涡前西南气流中发展的小槽,南北两支高空急流辐散场叠加引发的对流层高层加剧的抽吸作用和高低空急流的耦合作用共同导致了深厚强烈的上升运动,是这次强降水主要的动力抬升机制。TBB（black body temperature）的演变与降水的发生、发展有很好的对应关系,TBB中心降至-50°C以下时降水开始且随其中心强度的扩大降水也持续加强。进一步诊断发现,低层850 hPa对流涡度矢量（CVV）垂直分量的正值中心在降水前6～12小时已可以大致体现未来强降水的落区。此次南疆盆地强降水的水汽主要源于黑海和里海,低空急流引导了一部分水汽进入南疆,HYSPLIT模式后向追踪的结果表明,此次强降水过程主要有两条水汽通道,均源于新疆以西的欧亚大陆但输送路径有所差异,偏西路径和转向路径分别主要输送800 hPa以上和以下的水汽,降水发生前两条路径在垂直方向上均有明显抬升,水汽辐合有利于暴雨的形成。     

一次高原东移MCS与下游西南低涡作用并产生强降水事件的研究

基于加密自动站降水、葵花8卫星和ECMWF ERA5再分析等多种资料,本文对2018年6月17日08时至18日22时（协调世界时,下同）一次青藏高原（简称高原）中尺度对流系统（Mesoscale Convective System,简称MCS）东移与下游西南低涡作用并引起四川盆地强降水的典型事件进行了研究（四川盆地附近最大6小时降水量高达88.5 mm）。研究表明,本次事件四川盆地的强降水主要由高原东移MCS与西南低涡作用引起,高原MCS与西南低涡的耦合期是本次降水的强盛时段,暴雨区主要集中在高原东移MCS的冷云区。高原东移MCS整个生命史长达33 h,在其生命史中,它经历了强度起伏变化的数个阶段,总体而言,移出高原前后,高原MCS对流的重心显著降低,但对流强度大大增强。在高原MCS的演变过程中,四川盆地有西南低涡发展,该涡旋生命史约为21h,所在层次比较浅薄,主要位于对流层低层。西南低涡与高原MCS存在显著的作用,在高原MCS与西南低涡耦合阶段,两者的上升运动区相叠加直接造成了强降水。此后,由于高原MCS系统东移而西南低涡维持准静止,高原MCS与西南低涡解耦,西南低涡由此减弱消亡,东移高原MCS所伴随的降水也随之减弱。涡度收支表明,散度项是西南低涡发展和维持的最主导因子,此外,倾斜项是800 hPa以下正涡度制造的第二贡献项,而垂直输送项则是西南低涡800hPa以上正涡度增长的另一个主导项,这两项分别有利于西南低涡向下和向上的伸展。相关分析表明,在西南低涡发展期间,高原MCS中冷云面积（相当黑体亮度温度TBB≤?52°C）可以有效地指示西南低涡强度（涡度）的变化,超前两小时的相关最显著,相关系数可达0.83。     

一次大范围暴雨过程的诊断分析

用ECMWF 0.75°×0.75°, 6 h间隔再分析资料、地面加密观测资料、Micaps资料和云图T_BB资料, 对2012年8月20日一次大范围暴雨过程进行诊断分析。结果表明:本次大暴雨过程是在高层急流入口辐散和中低层的低槽切变线的耦合作用以及台风的间接影响使得低槽系统移动缓慢和提供水汽的有利条件下产生的。暴雨带中水汽主要来源于南海和东海。从等熵位涡、湿位涡和总能量分析说明这次暴雨和大暴雨是在水汽条件充沛条件下, 对流不稳定叠加斜压不稳定和对称不稳定等共同作用下, 产生暴雨-大暴雨。另外, 南北两支气流在暴雨区强烈辐合(南侧为上升运动, 北侧为下沉运动)也起到了重要作用, 且总能量垂直廓线与雨团中心对流强度和强降水时段对应较好。低层东海东南暖湿气流和干冷的东北气流对本次大范围暴雨过程的产生起触发作用。     

1991年江淮特大暴雨的降水性质与对流活动

从计算大尺度热源和分析ＴＢＢ资料两个方面，阐述了１９９１年江淮梅雨期间降水性质与对流活动的季节性演变特征。结果表明：梅雨期间江淮上空３个强上升运动时段分别形成了３场暴雨，由暴雨释放的热量使江淮大气出现了３个时段的强加热；３场暴雨的降水性质呈显著的季节性演变，由第１场暴雨以锋面性降水为主发展到第３场暴雨异常强的对流性降水。文中详细分析了热源和水汽汇的时空分布特征，并从大气运动场和热力结构讨论了盛夏强对流降水期间积云对流以涡动形式对热量和水汽的强铅直输送作用。江淮地区ＴＢＢ值能很好地反映降水状况，雨期一致地对应于ＴＢＢ低于２５０Ｋ的时段。梅雨中后期东亚地区对流活动季节性地增强，带状对流区（特别是ＴＢＢ高负距平区）与雨带位置相符。对流带位置及对流活动强弱与西南暖湿气流活动密切相关，它很好地表征了东亚地区的低空急流（给积云输送热带对流大气）。梅雨期间对流带主要出现在江淮流域，但可在东亚范围内飘移，它落在江淮与否则决定了江淮暴雨的维持与中断     

利用GPS的倾斜路径观测暴雨过程中的水汽空间分布

介绍了地基全球定位系统 (GPS) 沿倾斜路径方向观测水汽总量 (SWV) 的原理和方法; 不同时间和不同地点的GPS SWV与微波辐射计反演的SWV符合较好, 误差在3 mm左右, 表明GPS可以较高的精度探测SWV.计算了区域GPS观测网在一次暴雨过程中不同空间方位上的水汽观测结果, 为消除不同路径对SWV的影响, 把SWV转化为天顶方向的值VSWV; 分析了同一GPS站点对不同卫星方向VSWV的变化情况, 以及不同GPS站点对同一个卫星方向VSWV的关系.结果表明, 区域GPS观测网中倾斜路径观测可较好地探测不同方位上水汽的分布和变化; SWV相对于天顶方向的大气水汽总量PW而言, 能更好地代表真实大气水汽分布; 在探空或卫星观测等传统观测手段无法探测的情况下, GPS SWV数据可提供中小尺度暴雨结构中水汽分布和变化状况等有用信息.     

辽宁长历时强降水的环境特征分析

利用NCEP 1°×1°格点再分析、FY-2E相当黑体亮温TBB和地面加密自动气象站等资料,分析了辽宁3次典型长历时强降水TBB值与降水强度的关系、中尺度环境场特征及维持机制,并初步建立了辽宁长历时强降水概念预报模型。结果表明:在副热带高压的形态、位置和强度有利于辽宁产生强降水的大尺度形势下,副热带高压西侧低空急流持续输送的充沛暖湿空气与高空干冷空气在同一地点长时间相互作用,为强降水的发生和维持提供了有利的环境背景条件。强降水持续时间与其上空的强垂直速度持续时间有很好的对应关系,强降水持续时高空一般为弱的不稳定或中性层结。强降水不仅可出现在对流云团发展旺盛的冷云区内部或边缘,也可发生在TBB值较小的暖云区内。TBB值的大小与降水强度没有必然的关系,但TBB值的快速减小都预示强降水即将发生。这些结论有利于深化认识辽宁地区长历时强降水的成因并为预报提供线索。     

“97.12”高原暴雪过程中尺度热量和水汽收支诊断

应用非静力模式MM5V2对1997年12月（简称：97．12”）一交高原暴雪过程进行控制模拟试验。利用其输出资料以及热量和水汽收支方程，对这次暴雪过程进行了热量及水汽收支诊断。视热源（Q1）和视水汽汇（Q2）的诊断结果表明：Q1和Q2垂直积分的正值区分布形势相似且较强，并与地面降雪带的分布一致，因而，此次过程的Q1、Q2主要是由水汽凝结和潜热解释决定的。Q1在对流层为加热层，对流层上层相对为冷层，是暴雪发生发展的主要热力机制。Q1、Q2区域平均的垂直廓线峰值非常相近，该峰值区正是水汽凝结层，它与水汽输送带的水汽凝结变干有关。视水汽汇Q2与视热源Q1具有相近的垂直廓线，表明“97．12”暴雪过程中非对流性凝结降水起决定因素。这些结果为改进和发展用于模拟和预报高原暴雪的中尺度数值模式模拟系统提供了一些物理依据。     

Temperature and Water Vapor Weighting Functions from Radiative Transfer Equation with Surface Emissivity and Solar Reflectivity

Linearization of Radiative Transfer Equation (RTE) is the key step in physical retrieval of atmospheric temperature and moisture profiles from InfRared (IR) sounder observations. In this paper, the successive forms of temperature and water vapor mixing ratio component weighting functions are derived by applying one term variation method to RTE with surface emissivity and solar reflectivity contained. Retrivals of temperature and water vapor mixing ratio profiles from simulated Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) observations with surface emissivity and solar reflectivity are presented.     

三门峡市回流形势下“雷打雪”天气的物理成因

利用高空与地面观测资料、1°×1°的NCEP再分析资料和多普勒雷达资料,从天气形势、物理量场和回波演变特征等方面对三门峡市2013年2月3日回流形势下"雷打雪"天气过程进行了分析。结果表明:500 hPa和700 hPa的低槽是这次暴雪伴雷电天气过程的主要影响系统,地面倒槽与回流冷空气的共同作用是造成此次过程对流发展旺盛的直接原因。地面温度对降水相态的变化有明显的指示意义:在降水相态转变前的1 h内的纯雨阶段,地面温度基本维持在1~2℃之间;在降水相态转变时,地面温度会降至0℃及以下;在固态及固液态混合降水期间,地面温度基本维持不变。逆温层及"上干冷、下暖湿"的垂直结构是判定此次不稳定能量强度的重要依据。雷达风廓线资料显示出此次过程中雷电活动发生在低层冷暖平流交汇处、风切变逐渐加大时,随着风速切变的稳定,以及暖平流的向上扩展,雷电活动结束。     

地基GPS在暴雨预报中的应用进展

加密的地基GPS全球定位系统网具备监测中小尺度天气水汽变化的功能.利用对流层延迟与水汽之间的关系,可以建立地基GPS水汽反演方法以获取大气可降水汽总量PWV和斜路径水汽含量SWV,并通过层析算法得到三维水汽分布.PWV的时间变率、PWV水平梯度变率和区域PWV水汽辐合辐散量定量反映了水汽输送以及区域水汽增减,PWV时间序列的初始峰值在暴雨临近预报中有重要的指示意义,地基GPS网的PWV可以作为数值天气预报模式的重要资料.不同指向的SWV可以表征测站周围水汽的非均匀性质,SWV和三维水汽层析可有效用于中小尺度天气的湿度分析和降水的定量预测.结合掩星GPS和其他探测信息,GPS/MET可以在暴雨监测预报中发挥更重要的作用.     

AIRS反演中国区域上对流层水汽分布特征研究

上对流层水汽分布对于全球能量和水循环具有非常重要的影响。利用美国Aqua卫星红外高光谱仪器（AIRS）反演的湿度廓线资料对中国上对流层水汽时空分布特征进行了分析。为了保证卫星反演湿度廓线产品精度可以满足气候特征分析的需求,首先利用JICA野外加密探空试验观测数据对卫星反演湿度廓线进行了真实性检验,分析表明,Aqua卫星搭载的AIRS反演的湿度廓线与探空加密观测数据总体具有较好的相关性,在200 hPa高度相对湿度偏差在5%以内,其精度可以用于上对流层水汽气候特征的分析。通过趋势分析以及EOF分解等方法,分析了2003年1月-2013年12月的中国区域上对流层水汽时空分布特征,结果表明,受夏季风影响,中国区域上对流层水汽具有明显的季节变化规律和年周期特征,中国大部分地区上对流层冬季偏干、夏季偏湿,夏季高湿区可以北移到35°N以北。而在新疆地区冬季偏湿、夏季偏干。总体来说,全年夏季水汽含量最高,秋季次之,冬季最小。2003年以来新疆地区及南部海域上对流层水汽呈显著增加趋势,华南、华北、内蒙古中西部水汽也有所增加,在高原地区及东北区域上对流层水汽稍有减少,但变化均不显著。上对流层水汽的增加,将有可能放大温室效应,在气候变化研究中应给予重视。     

一次降雨过程风廓线雷达特征

为应用风廓线雷达监测降水天气,通过对2006年南京地区一次春季降雨过程的边界层风廓线雷达探测数据和自动站雨量数据进行对比分析和相关性统计,研究了降水发生、维持和消亡期间风廓线雷达资料的变化特征,分析风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的相关性。结果表明：当降雨临近时,风廓线雷达水平风廓线上的空洞逐渐消失,当降雨结束时空洞再次出现,且伴随着低空急流的出现降水明显增强。随着降雨的发生,风廓线雷达产品的垂直速度、速度谱宽和折射率结构常数值均明显增大。整个降水期间,550 m高度层以下的垂直速度与降水量存在显著线性负相关,450-950 m高度层之间的速度谱宽与降水量存在显著线性正相关,可见垂直速度、速度谱宽的变化与降水强度关系密切;当垂直负速度变小或速度谱宽变大时,降水增强的可能性增大。研究结果揭示了风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的内在联系,可为风廓线雷达应用于降雨天气的监测。     

2012年夏季四川东部一次大暴雨过程分析

本文使用常规观测资料、四川省自动站降水资料、0.1°×0.1°的FY－2E云顶亮温资料和1°×1°的NCEP再分析格点资料对2012年7月20～23日四川东部强降水过程的主要影响系统、水汽源地、动力、热力条件等进行诊断分析,结果表明:(1)本次暴雨过程中伴有500hPa高空槽东移至四川并向南加深发展,槽后冷空气与槽前暖湿气流在四川汇合,低层有低涡发展,配以高低空急流耦合的有利形势;(2)暴雨前期水汽主要来源于孟加拉湾,随着南海台风西进,其外围偏东气流向西输送增强,西南暖湿气流北上受到抑制,使得雨带南压;(3)降水以对流性降水为主,暴雨期间水汽凝结潜热在对流层中低层起主要作用,强上升运动将低层的潜热加热向上输送,形成高空的热源中心,强降水期间大气的加热是与大气的垂直上升运动密切相关的;在本次暴雨过程垂直输送项是视热源Q1和视水汽汇Q2的主要贡献者,尤其是在强降水阶段;(4)在低涡在发展阶段,低层正涡度局地变化项首先得到发展,在低涡减弱阶段,正涡度局地变化项的峰值中心由低层向中低层抬升;(5)中尺度对流系统与小时降水分布一致,MCS的发展是触发降水的重要因素之一。