不同天气条件下微波辐射计温度探测效果评估

以西安泾河探空站的探空数据作为参照标准,利用同址安装的国产MWP967KV型地基多通道微波辐射计温度廓线数据,通过计算相关系数、平均偏差和均方根误差等,分析了微波辐射计在雨天、阴天、晴天和雾天四类典型天气下的温度探测效果。结果显示：微波辐射计反演的温度与探空探测的温度的相关系数为099,平均绝对偏差为217 ℃,均方根误差为275 ℃;均方根误差在各类天气下差异不明显,且随高度的增加误差逐渐增大;随着高度升高,微波辐射计反演温度的偏差有显著的变化。     

地基微波辐射计反演水汽密度廓线精度分析

以探空水汽廓线为标准,对00:00UTC、12:00UTC北京南郊(39.93°E,116.28°N)观测站的微波辐射计水汽廓线与WRF(Weather ResearchForecasting Model)模拟的水汽廓线进行精度分析。结果表明,整体上WRF水汽密度接近探空,但在近地面处微波辐射计的更接近探空;水汽密度偏差在夏季较大冬季较小;微波辐射计的水汽密度在3km左右偏大,根据北京地区历史天气记录中有中云的天气较多的信息,推测可能是由于云对微波辐射计反演有影响。06:00UTC和18:00UTC以WRF水汽廓线为参考对微波辐射计的水汽廓线进行精度分析,得到的结果与00:00UTC和12:00UTC的类似。     

微波辐射计反演大气廓线精度及降水预报应用

利用2018年6月—2021年7月陕西西安泾河站MWP967KV型地基微波辐射计反演数据和L波段探空数据, 分析晴天和云天(低云、中云、高云)微波辐射计反演的大气温度、相对湿度、水汽密度的精度, 探讨相关产品在降水过程中的应用能力。结果表明:晴天和云天微波辐射计与探空的温度相关系数均为0.99, 水汽密度相关系数均为0.97, 相对湿度相关系数均低于0.50, 均达到0.01显著性水平;晴天和云天的温度差异较小, 但云天相对湿度均方根误差超过25%, 较晴天的19.54%明显偏大, 且3种参数均越接近地面反演精度越高。在不同云类型条件下, 3类云的温度差异较小, 低云相对湿度均方根误差和偏差最大, 分别为26.85%和9.51%。对降水个例分析表明:在临近降水发生前空中相对湿度、液态水含量、大气可降水量和液态水路径均明显增长, 这可作为降水可能发生的指示因子。降水前1 h大气可降水量达到4 cm, 液态水路径达到0.2 mm, 可作为判断降水发生的参考阈值。     

国产MWP967KV型地基微波辐射计探测精度

MWP967KV型地基微波辐射计是我国自主研发,拥有完整自主知识产权的新型大气微波遥感探测设备,为了实现国产设备在气象业务中的应用,需对设备的探测精度进行对比分析。利用2015年8月—2018年3月四川盆地南部山区的无线电探空数据和地基微波辐射计数据,分析晴空和有云天气条件下温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线及相关物理参数的精度。结果表明：晴空、层积云和高积云的微波辐射计与探空仪的温度、水汽密度和相对湿度相关系数整体上分别在0.9890,0.9665,0.5868以上,均达到0.01显著性水平。3种参数廓线的相关系数整体均呈地面大于高空,仅温度廓线相关系数达到0.01显著性水平,相对湿度廓线和水汽密度廓线在高空的相关系数未达到0.01显著性水平。3种参数的相关性整体上温度最高,水汽密度次之,相对湿度最低。温度、相对湿度和水汽密度的均方根误差平均值分别为2.8℃,22%和1.38 g·m-3,温度廓线和相对湿度廓线在层积云和高积云的云中及云上的精度明显降低,均方根误差较云层下温度升高1℃~2℃,相对湿度增大10%~20%。逆温层会影响廓线及物理参数的精度。晴天或云天等大范围相似天气条件下,探空气球飘移距离与温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线偏差的相关性较弱。     

地基微波辐射计反演的青藏高原东侧甘孜大气温湿廓线分析

微波辐射计能够获取分钟级别的大气温湿廓线,可以弥补气象探空在时间分辨率上的不足。本文利用青藏高原东侧甘孜站2017年8—10月并址观测的微波辐射计和探空资料,对微波辐射计反演大气廓线的精度进行分析,并利用这些廓线探讨甘孜大气热力和云水变化特征。分析结果显示,总体上微波辐射计反演参量与探空观测之间具有高相关系数,微波辐射计反演的温度、相对湿度和水汽密度与探空观测的偏差分别为1.3℃、-2%和0.71 g·m~(-3),相应的均方差分别为2.9℃、20%和1.08 g·m~(-3),非强降水对微波辐射计观测质量的影响较小。微波辐射计与探空的温度偏差在多数高度层上小于2℃,能够达到气象业务的偏差要求。非雨天时微波辐射计与探空的相对湿度偏差在多数高度层上约为10%,雨天时相对湿度偏差在3.5 km以下小于5%。基于甘孜微波辐射计资料的统计分析发现,甘孜大气具有白天干热、夜间湿冷的日变化特征,云液态水含量白天较小、夜间较大,而且白天低层云发展较弱、云底较高,夜间低层云发展较强、云底较低。云液态水含量在云天和雨天具有相似的垂直结构,云液态水含量随高度增加先快速增大,然后在一定高度内波动变化,之后又快速变小,能够较好地指示入云和出云的特征。此外,云天低层云的云体主要处在0.1—2.5 km高度,而雨天低层云的云体分布高度范围更大为0—3.5 km高度。这些分析结果表明,微波辐射计反演大气廓线在甘孜具有可用性,能为定量研究云特征提供科学数据。     

RPG-HATPRO-G3地基微波辐射计反演产品评估

RPG-HATPRO-G3地基微波辐射计采用“多通道并行测量技术”,性能稳定,反演精度高。应用该微波辐射计和常规L波段探空数据,比较了微波辐射计反演数据与探空测值的差异。结果表明：温度、水汽密度与常规探空资料比较有很好的线性相关性,对仪器维护后可以提高数据质量;相对湿度数据离散度较高。比较无降水时不同高度下微波辐射计反演数据的精度,温度在1 000 m以下低层平均误差和均方根误差较小;水汽密度的平均误差和均方根误差均为近地面较大,随高度而减小;相对湿度的平均误差和均方根误差都明显较大,温度和水汽密度的准确性高于相对湿度。降水时不同高度的温度、水汽密度和相对湿度的平均误差和均方根误差变化趋势均与无降水时相似,但是误差值明显偏大;降水时反演温度在2 000 m以下误差较小,水汽密度在3 000 m以下反演值较探空测值大,相对湿度在降水时的误差较大。     

微波辐射计温湿廓线反演方法改进试验

为提升地基微波辐射计在不同天气条件下, 特别是云天条件下温湿廓线的反演精度, 利用2011年1月—2016年12月中国气象局北京国家综合气象观测试验基地探空数据, 在微波辐射计反演温湿度廓线的过程中通过区分晴天和云天条件并引入全固态Ka波段测云仪云高及云厚信息, 对反演输入亮温进行质量控制和偏差订正, 建立BP神经网络模型, 采用2017年1月—2018年3月微波辐射计探测数据评估检验, 结果表明：在亮温订正前提下, 晴天温度模型、云天温度模型、晴天相对湿度模型和云天相对湿度模型反演结果与探空的相关系数分别为0.99, 0.99, 0.80和0.78, 均方根误差为2.3℃, 2.3℃, 9%和16%, 较微波辐射计自带产品（LV2产品）减小约0.4℃, 0.3℃, 11%和9%, 准确性提升约30%, 28%, 64%和45%;温度模型偏差在±2℃以内、湿度模型偏差在±20%以内的占比分别为68%, 70%和95%, 78%, 较LV2产品分别提高了7%, 5%和27%, 23%, 其中相对湿度改善明显。可见亮温订正、区分天气类型训练反演模型有利于改善地基微波辐射温湿廓线反演精度。     

重庆不同天气条件下地基微波辐射计探测特征

利用2012年1月至2014年8月重庆沙坪坝站的微波辐射计和探空数据,通过数值模拟检验微波辐射计的亮温精度,并统计分析晴空、有云和降水天气条件下微波辐射计反演产品的变化特征。结果表明：(1)有云时微波辐射计氧气通道53.85、54.00 GHz亮温与探空观测温度相关性较好;晴空和有云时MonoRTM模拟亮温与微波辐射计观测亮温相关性较好。(2)不同天气条件下,微波辐射计反演温度与探空观测值的相关性都较高,降水时4.0 km以下微波辐射计反演温度明显偏高,有云和晴空时3.8 km以下的温度平均绝对误差小于2℃。微波辐射计反演的相对湿度与探空观测值的相关性较同高度层温度的相关性差,有云时1.0～2.6 km高度反演的相对湿度平均误差很小,降水时4.5 km以下平均误差也较小且稳定。降水时4.0 km以下微波辐射计反演的水汽密度平均误差明显偏大,有云时多数高度层平均误差较小。(3)4.2 km以下降水时08:00微波辐射计反演温度的平均误差较大,有云时08:00微波辐射计反演温度和水汽密度的平均误差均较小。说明微波辐射计反演的大气廓线具有可用性,且在稳定大气环境中反演效果更好。     

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...     

不同天气条件下地基微波辐射计探测性能比对

利用探空数据和毫米波云雷达数据,对在大气探测试验基地同址观测的国内外3种型号地基微波辐射计进行1年（2016年10月—2017年9月）的比对分析,重点分析不同型号地基微波辐射计在晴空和云天下温、湿观测性能特征。结果表明:3种型号地基微波辐射计温度与探空相关系数均超过0.98,达到0.01显著性水平;晴空条件下,德国及国产地基微波辐射计温度平均误差均在±1℃以内（前者为负偏差,后者为正偏差）,误差较小,美国地基微波辐射计系统偏差约为-1.8℃;3种型号地基微波辐射计均方根误差随高度递增,整体均方根误差以德国地基微波辐射计2.2℃为最小,美国地基微波辐射计3.8℃为最大;在有云条件下,3种型号地基微波辐射计平均误差分布较晴空条件下无明显变化,均方根误差较晴空条件有约增加0.5℃。3种型号地基微波辐射计均呈晴空相对湿度误差小于云天误差,低空误差小于中高空误差的特点;晴空条件下,美国与国产地基微波辐射计相对湿度均方根误差分别为15%和18%左右,小于德国地基微波辐射计;云天条件下3种型号微波辐射计均方根误差均较大（26%左右）。     

降水对地基微波辐射计反演误差的影响

利用武汉站高时间(3h)、高空间垂直(30m)分辨率探空资料和MP-3000A型地基微波辐射计资料,分析了降水对地基微波辐射计反演误差的影响,并对微波辐射计和探空的要素廓线进行了对比分析。结果表明,降水对两种设备的温度廓线和水汽密度廓线的相关性无明显影响,但对相对湿度廓线的相关性有较为明显的影响,其相关性在有降水时好于无降水时;整体上,微波辐射计的廓线误差在降水时大于无降水时,其温度、相对湿度和水汽密度廓线的平均偏差均值分别在1.0～2.5℃,6%～15%和0.08～1.75g.m-3之间,对应的均方差均值分别在1.3～1.6℃,14%～17%和1.28～1.85 g.m-3之间。另外,将不同高度上同时刻微波辐射计和探空的资料进行点对点对比发现,降水会严重破坏两种资料的正相关性,导致大部分高度上的廓线呈负相关,同时也明显增加了温度和水汽密度的平均偏差和均方差。     

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...     

基于地基微波辐射计观测的东营地区低能见度天气指示性分析

针对东营市2016—2017 年出现的27 个低能见度天气过程,利用 MP -3000A 型地基微波辐射计二级数据,计算过程影响期间逐10 min 的逆温层温差、逆温层厚度和低层相对湿度等物理量。 结合空气质量和能见度变化情况,按照雾和霾、雾、降水三类天气对 27 次过程进行分类研究,总结地基微波辐射计观测的温湿度量对低能见度天气的指示意义和参考指标。结果表明:(1)雾和霾共同影响导致的低能见度天气出现在冬半年,PM2. 5浓度越大通常对应的能见度越低;逆温层温差和逆温层厚度与能见度的相关系数分别为-0. 39 和-0. 45,逆温层温差增大指示能见度降低,逆温层厚度减小指示能见度升高。低层相对湿度在 90%以上时,能见度受雾影响通常小于 2 km;低层相对湿度在80%以下时,能见度受霾影响仍然维持在5 km 以下。(2)雾影响导致的低能见度天气多出现在冬半年,与 PM2. 5浓度无关;逆温层温差和逆温层厚度与能见度的相关系数分别为-0. 54和-0. 45。在逆温层生成和破坏阶段,逆温层温差变化幅度大,对能见度的指示性更强,而逆温层厚度变化幅度相对较小,多维持在 300 ~ 400 m 之间。低层相对湿度 90%以上时能见度通常小于5 km,当低层湿层消失后能见度升高至 5 km 以上。(3)降水影响导致的低能见度天气出现在夏季,多伴随短时强降水出现,强降水时段逆温层温差达到8 ℃ 以上,逆温层厚度为 500 m;强降水结束后,逆温消失,能见度转好。     

14时探空在改进北京地区对流天气潜势预报中的作用

利用武汉观象台2010年6—7月及2013年6月的加密探空资料,采用两种不同方法与同期同址的MP-3000A型地基微波辐射计资料进行对比分析,讨论了地基微波辐射计探测精度的变化特征。微波辐射计与探空平均廓线对比结果表明,微波辐射计对温度及水汽密度探测精度较高,降水对微波辐射计探测有一定影响。通过对比不同时次的探空与微波辐射计探测资料发现,无降水时,微波辐射计探测的温度及相对湿度在14:00的系统误差较08:00及20:00明显偏大,14:00大气层结不稳定,气球的漂移会对对比探测产生一定的影响。温度及水汽密度在08:00的均方根误差均为最小。微波辐射计与探空的分层对比结果显示,无降水时, 20:00的相对湿度均方根误差在4 km以上明显大于08:00和14:00, 温度的系统误差在14:00最大,特别是3 km以上。降水时,总体而言,14:00的探测偏差大于08:00及20:00。通过对比降水条件下微波辐射计天顶与斜天顶观测的廓线发现,斜天顶观测能够有效减小降水对观测的影响,但斜天顶观测在14:00的探测偏差总体上仍大于08:00及20:00。

     

利用地基微波辐射计资料反演0~10 km大气温湿廓线试验研究

为综合评估地基微波辐射计(以下简称辐射计)温湿探测性能、提高温湿廓线精度,利用2021年3—8月北京辐射计观测、探空和ERA5再分析等资料,分析不同天气条件下(晴天、云天、雨天)辐射计温湿度探测性能,利用探空数据和修正后的ERA5数据对辐射计温湿廓线进行检验,并基于线性偏差订正方法对辐射计温度、相对湿度进行订正。结果表明：(1)辐射计温度在晴天、云天与探空温度具有较好的一致性,而其在降雨天气较探空温度高;辐射计相对湿度在晴天高于探空,云天和雨天低于探空。雨天探空数据对辐射计温、湿度的线性偏差订正效果优于晴天、云天。(2) ERA5相对湿度在4 km以上高度与探空存在明显偏差,其温度与探空温度的相关性高于相对湿度。(3)探空数据修正后的ERA5数据能较好提升辐射计温湿廓线精度,且在雨天效果优于晴云天。垂直方向上,随着高度增加辐射计温、湿度订正效果更明显。(4)采用探空数据和修正后的ERA5数据对订正后的辐射计温湿数据进行误差分析,结果表明晴天和云天条件下辐射计与探空、辐射计与修正后ERA5数据的误差(平均误差BIAS和均方根误差RMSE)廓线垂直分布特征相似。雨天条件下两者在中高层(7—10 km)有明显差异,其中温度RMSE相差4 K,相对湿度RMSE相差20%。

     

地基微波辐射计资料在降水分析中的应用

利用地基微波辐射计的观测资料研究了2016年8月昆明长水国际机场出现的两次不同性质雷暴过程在不同发展阶段的温湿参量分布和演变特征,结果表明：（1）天气尺度强迫下雷暴前40 min,温湿廓线表现为低层温度降低、水汽密度升高,雷暴结束后趋于稳定,该变化可反映对流活动的起止。而局地热力雷暴前8 h~40 min,低层温度持续升高,降水前半小时水汽密度迅速升高,反映出了大气层不稳定能量积蓄过程和对流爆发前的空中水汽变化。（2）积分水汽含量（IWV）和云内液态水路径（LWP）在降水前有明显的陡增。天气尺度强迫下雷暴降水期间,IWV和LWP随着温度的增减相互转化,低层的剧烈降温,加速了水汽凝结饱和到降落的转化,造成降水强度进一步增大,对应IWV减小,转化为LWP和地面降水。热力雷暴降水期间,温度均匀变化,IWV、LWP均匀增长,水汽转化量极小,IWV增量远高于实际降水量。（3）大气可降水量（PW）在两类降水过程前半小时显著上升,天气尺度强迫下雷暴降水前总增幅达14.6 mm,局地热力雷暴降水过程前PW均匀增长7.6 mm。

     

大气物理学

基于采样间隔为2 min的湖北省高速公路交通气象站观测资料和微波辐射计资料,对2014年1月29—30日发生在湖北省一次强浓雾过程的大尺度环流背景、温度、相对湿度、液态水含量以及水汽密度等要素的演变特征进行了分析。结果表明,这次大雾的发展演变可以分为三个明显的阶段：大雾的形成阶段,气温与路面温度降低,能见度下降,且下降速率明显;大雾的发展增强阶段,气温与路面温度变化平稳,能见度不足百米;大雾的消亡阶段,气温与路面温度升高,能见度上升,大雾消散。大雾产生在特定的大气环流背景下,微波辐射资料分析表明,近地层逆温是大雾产生的重要条件,它的演变与大雾的生消发展有着较好的对应关系。大雾的形成到发展增强阶段,水汽密度明显从近地面逐步向上增加,液态水含量数值增大,相对湿度饱和区高度抬升,大雾厚度变厚,雾浓度变大,能见度下降;大雾的消亡阶段,液态水含量、水汽密度明显减小,相对湿度饱和区高度降低,大雾厚度变薄,雾浓度减小,能见度上升。

     

地基微波辐射计资料在降水分析中的应用

利用神农架机场站2016年6月23日11时—24日08时（北京时,下同）和咸宁站2016年7月3日04时—4日01时两次暴雨过程的地面小时降水数据及同址微波辐射计观测数据反演的地面至10 km高度共58层的水汽密度、液态水含量、相对湿度和温度廓线,以及站点水汽总量、液态水总量、云底高度等资料,得到两次暴雨过程中,位于山地的神农架与位于平原的咸宁的暴雨前后大气垂直结构差异。神农架水汽总量、液态水总量均低于咸宁,测站上空各高度的水汽密度、液态水含量、温度也低于咸宁对应高度的数值,混合层的相对湿度略大于咸宁。多要素综合分析认为：（1）神农架处于山地,外来水汽供应不够充分,降水的形成主要依靠本地水汽凝结产生;由于山地海拔较高,神农架大气层结温度相对较低,冰晶效应的温湿条件较咸宁好,冰晶效应使得神农架在水汽供应不够充足的情况下产生暴雨。（2）咸宁水汽供应充足,水汽凝结之后可以得到及时补充;咸宁尽管混合层的湿度条件不如神农架,冰晶的凝结增长相对较弱,但混合层的凇附过程和融化层的云雨滴碰并都在降水过程中起到重要作用。（3）降水开始前神农架的大气抬升作用比咸宁的强,地形对气流的阻挡抬升作用明显,而降水开始后咸宁的大气抬升作用更显著,表现出明显的对流性特征。