用微波辐射计和风廓线资料构建探空资料的定量应用可靠性分析

使用2007、2008年5～9月北京南郊观象台的微波辐射计探测的温湿度数据和风廓线仪探测的水平风数据构造特种探空资料,将其与常规探空进行统计和对比分析,探讨了它们定性和定量应用的可靠性.结果表明,特种探空的各要素与常规探空具有较一致的变化趋势,定性分析使用时可有效弥补常规探空时间分辨率低的不足.但是,在定量使用过程中,对不同要素需区别对待:(1)特种探空的温度和经向风、纬向风的一致性好、误差较小,具有较好的定量使用价值;由于微波辐射计探测的相对湿度误差较大,造成特种探空的露点温度与常规探空的一致性较差、偏大明显;定量使用时需要订正.(2)不同时次和不同高度各要素的表现不同,08时(北京时间,下同)和20时的一致性好于02时和14时,这可能与样本数的差异和要素的日变化特征等因素有关;露点温度和纬向风的平均误差随高度增加明显增大,温度和经向风的平均误差随高度增加变化不大.(3)由特种探空得到的热力、动力稳定度参量,除粗理查逊数外,其他参量与常规探空计算得到的参量具有较一致的变化趋势,在定性使用上是有价值的.在定量使用时,需要视参量包含的温度、湿度、风等基本要素的误差程度而定.其中,与湿度相关的参量,如CAPE(对流有效位能)、Δθse(500 hPa与850 hPa的假相当位温θse之差)、K指数、湿度垂直梯度和温度露点差等参量存在不同程度的误差,而仅与温度廓线、低空风廓线相关的参量,如垂直温度梯度、0℃和-20℃层高度、低空垂直风切变等参量的绝对误差很小,具有很好的定量使用价值.     

风廓线雷达和地基微波辐射计在冰雹天气监测中的应用

利用风廓线雷达和地基微波辐射计观测资料,对2010年4月12日发生在湖北咸宁的一次冰雹过程进行了分析,探讨这两种资料在冰雹天气监测预警中的应用。结果表明:(1)这次冰雹过程中,850~700 h Pa之间低槽约在降雹前1 h过境,850 h Pa以下低槽约在降雹前2 h过境。在降雹前约0.5h,0~4 km垂直速度大小随高度的波动明显增大。0~6 km始终存在较深厚的垂直风切变,每200 m高度的水平风垂直切变在2~2.5 km的正中心与冰雹发生相对应。(2)降雹前,0~10 km整层相对湿度垂直廓线大体呈5~10 km小、0~5 km大的"上干下湿"2层结构。降雹前约0.5 h,相对湿度呈"上下湿、中间干"的3层结构,大气液态水总含量ILW、大气水汽总含量IWV都呈波动快速增长,冰雹发生在ILW和IWV的波峰上。(3)在降雹前约6 h,K指数超过35℃,在降雹前CAPE平均值约为627 J·kg-1,0℃,-10℃和-20℃层高度分别在5 km、6 km和7.5 km。     

风廓线雷达和地基微波辐射计资料在台风天气分析中的应用

利用常规地面观测资料、风廓线雷达及微波辐射计资料,对2020年8月4—5日第4号台风“黑格比”在浦东机场的一次强降水天气过程统计分析。结果表明：(1)副热带高压的强势稳定与台风挤压,导致浦东机场维持长时间的强风;(2)4日中午12:00以后,平均风速稳定在10 m/s以上并伴有阵风,约离台风距离浦东机场同纬度前后9 h,风向在4日21:00以后由东南风转为偏南风,12 h(4日21:00至5日09:00)累计降水量达57.9 mm;(3)云系结构在未登录之前,基本维持“9”字形,“黑格比”的螺旋云带主体位于台风的东南象限,北侧云带边界清晰,先向西北方向移动,逐渐影响浙江东南部沿海,其后又向正北方向移动,影响上海、江苏,于4日晚上21:00到达上海同纬度正西侧,且台风主体结构开始减弱松散;(4)出现明显降水过程时,5 km以下高度层垂直速度出现相应的显著大值区,垂直速度最大值接近9 m/s且高度可以达5 km以上,其数值与降水强度成正相关的关系;(5)当1 km以下高度层出现大气折射率结构常数Cn2高值区,且在2～6 km高度层出现次高值区时,对应着强降水,当高值区逐渐减弱时,表示强降水...     

闽北地区边界层移动风廓线雷达对比试验评估

为了更好地把握风廓线雷达的探测性能和数据精度,对移动风廓线雷达与L波段探空雷达资料进行对比统计分析,结果表明：移动风廓线雷达的有效数据获取率达到80％的高度为3500m,符合边界层风廓线雷达的有效探测高度。移动风廓线的径向速度平均差和标准差随着高度的增加而增加,东西方向的径向速度误差比南北方向的高约0．5—1．0m／s。风廓线雷达自身数据的准确性良好,但是降雨对数据的准确性影响比较大。这次对比试验结果表明,对比试验应该选择比较平稳的天气过程。由于秋冬季节大气环流比较稳定,降雨类型多为层状云降雨,因而风廓线雷达数据可靠性高;对流性降雨过程往往造成风廓线雷达资料可靠性降低。     

风廓线雷达与L波段雷达探空测风对比分析

为了解风廓线雷达探测的准确性,对北京南郊大气探测试验基地2006-2008年3年的观测资料与常规高空探测资料即L波段雷达探空测风数据进行了对比,计算并分析了不同高度、不同时次、不同风速条件下的对比结果,进行了相关性分析,计算了平均差和标准差。结果表明,二者测风结果有较好的一致性,半小时平均水平风u、v分量的标准差在2.3m/s左右,为风廓线雷达和L波段雷达探空共同的测量误差及不同采样空间和时间的水平风的差异。     

高原地区风廓线雷达资料评估

在简述风廓线雷达原理的基础上,将风廓线雷达探测资料与探空资料进行对比分析,发现风速风向一致性较好,温度一致性较差。对风廓线资料总的数据获取率及不同天气条件下的数据获取率进行了统计,大理风廓线雷达边界层高度的数据获取率大于80%,在对流层低层以及边界层的探测能力要远远大于高层,高空雨季后的探测高度大于雨季前的探测高度。不同天气条件下低空的数据获取率差别不大,高空阴雨天的数据获取率大于晴天的数据获取率,阴雨天的探测高度大于晴天的探测高度。     

基于多源数据的湘北地区春季一次冰雹过程的观测分析

新型探测资料在强对流短临预报中发挥着重要作用。该文以2020年3月22日湘北地区春季一次冰雹过程为研究对象,运用多普勒天气雷达、风廓线雷达和地基微波辐射计等新型探测资料对该过程观测分析。结果表明：(1)此次过程发生在冷空气南下与南支槽前暖湿空气交汇背景下,受中低层切变线与急流影响,冰雹风暴生成前回暖明显,环境垂直风切变大;风暴由地面辐合线触发产生。(2)此次超级单体降雹过程在雷达回波中表现出“三体散射”“V型缺口”、中气旋等特征;VIL、低仰角大风速核对冰雹和大风预警有很好的指示。(3)风廓线雷达探测到,风暴影响前超低空急流加强,中层有干侵入,低层垂直速度出现波动,风暴临近时超低空急流减弱。(4)地基微波辐射计监测发现,风暴影响前高空湿度增大,K指数、TT指数呈同趋势变化,而K指数预警灵敏度高于TT指数;风暴影响阶段,高空温度、相对湿度和大气不稳定指数出现不同程度跃升和突降。     

不同天气条件下微波辐射计和风廓线雷达探测数据误差特征分析

为探讨微波辐射计和风廓线雷达探测数据的准确性和可用性,利用天津全运会期间获取的GPS探空资料,分析不同天气条件下微波辐射计探测温湿度、风廓线雷达测风的误差特征.结果表明:晴天、云天和雨天条件下,微波辐射计反演低空温度廓线效果均较好,反演高空温度廓线误差较大,云天条件下,反演的整层温度廓线与探空实测值相关性最优;3种天气...     

衢州CFL-06型风廓线雷达与探空数据对比分析

对安装在浙江衢州国家基本气象站的CFL-06型低对流层风廓线雷达2022年的数据进行了初步分析,包括进行全年不同季节数据获取率的统计分析,以及选取6个时次的数据与同站址安装的L波段探空雷达的数据进行对比分析,进一步验证风廓线雷达数据的准确性和可信度。结果表明：风廓线雷达数据获取率在不同季节有所区别,一般夏季最高,冬季数据获取率在3 km以上有较明显的下降趋势,风廓线雷达的探测高度以及数据获取率与天气、气候条件等息息相关;风廓线雷达与L波段探空雷达数据在晴空条件下一致性较高,在有降水天气过程的情况下,风廓线雷达的数据准确性可能会下降。     

地基遥感联合反演大气边界层高度与ERA5再分析资料比对分析

利用北京国家综合气象探测试验基地超大城市观测试验建设的地基垂直遥感设备(激光气溶胶雷达、微波辐射计及风廓线雷达),使用2021年5—8月的观测资料,根据不同设备的探测优势以及边界层的日变化规律,利用激光气溶胶雷达、微波辐射计、风廓线雷达观测资料进行联合反演,得到全天候大气边界层高度。并将联合反演所得的边界层高度与探空资料计算及ERA5再分析资料提供的全天候大气边界层高度进行比较,发现:联合反演边界层高度与ERA5数据提供的大气边界层高度有较好的一致性;激光气溶胶雷达适用于白天对流边界层的观测,微波辐射计适用于夜间稳定边界层的观测,使用微波辐射计与风廓线雷达联合反演大气边界层高度可以改善弱降雨时单设备的反演结果;联合反演的大气边界层高度结果与单设备反演大气边界层高度均符合大气边界层的日变化规律;得到的联合反演边界层高度与探空数据计算得到的大气边界层高度差值的标准偏差为62 m,相较于ERA5数据提供的一定范围内大气边界层高度均值,联合反演边界层高度能更精准地反映更小范围内的大气边界层高度。     

风廓线雷达资料在重庆暴雨过程中应用分析

本文首先利用2013年沙坪坝探空站资料与沙坪坝风廓线雷达资料进行对比分析,计算出逐月不同高度上两种资料中风速、风向均方根偏差,验证风廓线雷达资料的可用性。计算结果表明,风廓线雷达资料与探空资料风速、风向的均方根偏差在500hPa以下层次较小,资料具有较高的可用性。但随着高度继续增加,两者风速、风向偏差均增大,资料可用性降低。在此基础上,选取2013年6月8～9日重庆一次暴雨天气过程,对比分析中低层影响系统在探空观测和风廓线雷达观测中的演变,结果表明,降水过程前后,探空资料可显示有低槽、切变线、冷锋过境,但受时间分辨率限制,无法揭示具体过境时间和演变细节。而风廓线雷达资料能更为细致的显示低槽、切变线、锋面具体过境时间以及西南气流强度变化,为降水预报提供更多可参考信息。     

局地强对流天气分析中非常规探测资料应用

应用多种非常规观测资料对2006年6月27日夜间北京地区一次局地强对流天气过程进行了分析。结果表明：直接造成此次暴雨过程的天气系统是两个局地生成的中尺度对流云团,地面中尺度辐合线是降水主要触发机制之一,城市热岛效应为强对流天气的发生提供了有利的热力条件。微波辐射计观测量对降水的发生具有较好的指示意义,液态水含量的急剧增（减）过程,预示着降水即将出现（消亡）。风廓线雷达的连续观测能够部分揭示影响系统的细节特征,从风场配置上可以看到中低层的风切变以及降水前低层的暖平流和小尺度低涡环流,这种系统结构和配置对降水的形成和维持有着重要的意义。     

伊犁河谷初冬降水条件下风廓线雷达评估分析

对伊犁河谷地区初冬降水条件下风廓线雷达资料评估其数据获取率并与探空资料进行对比分析,定义两者风向偏差在10°以内或风速偏差在1 m/s范围的样本为有效样本,分别用E_v和E_d表示风速有效样本比率(风速有效样本数/总样本数)和风向有效样本比率(风向有效样本数/总样本数)。结果显示:超过80%数据获取率的高度,降雨时为3000 m,降雪时达到预设2000 m;降雪时E_v和E_d均比无降水时高,且降雪量大小与风廓线的探测高度呈正相关,降雪量大小对E_d有明显影响,对E_v无明显影响;比较不同高度数据,降雪时0～3 km范围的E_v和E_d值均比无降水时高30%左右,无降水时3～5 km范围的E_d接近100%。     

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。     

微波辐射计与探空仪测值对比分析

利用武汉站高时空分辨力探空资料(3h,30m)与同址的MP-3000A型地基微波辐射计资料,分析了微波辐射计探测偏差的日变化及时间序列变化特征。结果表明,微波辐射计对大气要素的探测具有较高的探测准确度,但仍然存在一定的探测偏差。温度的探测偏差大值区出现在午后,相对湿度及水汽密度的探测偏差大值区则在凌晨;温度及相对湿度探测误差的时间序列表现为起伏较大,而水汽密度则相对平稳,降水,特别是强降水,会对微波辐射计的探测准确度产生较明显的影响。     

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...     

一次春季强寒潮的降水相态变化分析

应用常规高空地面观测、风廓线雷达与地基微波辐射计资料以及NCEP 1°×1°再分析资料,对2016年石家庄初雪预报失误的原因及降水相态的演变特征进行了分析。结果表明:预报中采用的降雪阈值不能反映云中雪晶形成和增长的条件,提取雪晶下降过程中是否融化的温度阈值时所用的资料精度不高,以上两条是导致其预报失误的原因。风廓线雷达垂直径向速度可辅助判断降水起止及相态变化,降雨时3 km高度以下出现一致向下的径向速度,速度值最大超过1.5 m·s^-1;径向速度数值减小到1 m·s^-1以下且高度下降到1 km以下,可能预示着降水由雨转为雪。微波辐射计反演的温湿廓线因易对云中雪晶形成增长条件以及雪晶在下降过程中是否融化作出判断,故其可以应用于降水相态转变的临近预报。

     

用新型探测资料分析武汉一次短时强降水过程的中尺度对流系统

利用武汉站风廓线雷达和地基微波辐射计获取的高时空分辨率资料,结合雷达回波和地面自动站加密观测资料,分析了2011年6月9日武汉短时强降水过程的中尺度对流系统。结果表明：引起短时强降水的是一个尾随层云类中尺度对流系统。降水开始前15 min,对流层中低层有显著倾斜上升气流,并在其前后形成两个小尺度涡旋,与冷池和风切变抗衡下新单体的生成模型相一致。强降水开始前,地面气压迅速降低,地面风速迅速增大,云底高度波动降低;降水发生后,成熟单体前部边界层和高层为相对＂对流线＂前进方向由后向前的水平运动,对流层低层为由前向后的水平运动,成熟单体后部边界层、对流层低层和高层为相对＂对流线＂由前向后的水平运动,中层为由后向前的水平运动,这些特征与线状中尺度对流系统成熟阶段模型相符。     

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

利用常规观测资料和微波辐射计、风廓线雷达、激光雨滴谱仪等新型探测资料,对2020年3月底南京地区一次寒潮雨雪天气过程进行了分析,探讨新型探测资料在降水相态转换监测预报中的应用。结果表明：(1) 乌拉尔山高压脊、高空冷涡、地面强冷高压、地面冷锋是造成本次寒潮天气的主要天气系统。南支槽前西南气流提供水汽、850 hPa以下冷空气造成中低层气温持续下降是产生降水相态变化的关键。(2) 微波辐射计观测资料显示,雨雪过程中低层先降温、地面后降温,近地层有暖层;降水相态转换前后,0 ℃层高度变化明显,纯雪时段达到最低;水汽主要分布在3—4 km,液态水含量和水汽密度在雨夹雪时段最大,在纯雪时段最小。(3) 风廓线雷达观测的垂直风场反映出低层冷空气南下使冷垫增厚,迫使暖湿空气抬升、气温下降,从而导致降水相态转变;由于西南急流没有稳定建立,因此未出现强降雪天气。(4) 激光雨滴谱仪观测到降雪粒子的直径大、降落末速度小,而降雨粒子的直径小、降落末速度大,可以用来监测和预报降水相态的变化;从雨—雨夹雪—纯雪阶段,粒子谱型经历了双峰—波动—多峰的演变过程,谱宽与数浓度呈明显增加趋势。

     

应用多源观测资料分析华北一次极端暴雨过程

基于风廓线、微波辐射计、VDRAS的5km分辨率资料,从风场、水汽条件方面,对2016年7月18—21日华北特大暴雨过程进行了分析对比。结果表明:(1)风廓线和VDRAS风场在此次特大暴雨天气过程的高空槽、地面气旋降水阶段,具有很高的相似度;在降水发生之前微波辐射计与VDRAS资料具有较好的吻合度。(2)风廓线低层风场上的脉动,对锋前暖区降水、高空槽降水的雨强大值时段有良好的对应关系;地面气旋降水时间与东北风低空急流的出现相对应。(3)微波辐射计观测的比湿迅速增大对短临降水的订正有较好的指示意义。