邢台地区微波辐射计与无线电探空仪数据对比分析

利用2018年1月至2019年12月河北省中南部地区的微波辐射计和探空数据,将两种探测设备取得的资料在时间和空间上进行点对点匹配,共筛选出187条晴空廓线、1176条云天廓线和12条毛毛雨天廓线,定量分析了各个高度层的晴天、云天和毛毛雨天气条件下两种大气探测设备的温度、相对湿度和水汽密度廓线的相关性及误差情况。结果表明：3种天气条件下的微波辐射计与无线电探空仪温度和水汽密度的相关性整体较好,地基微波辐射计观测的大气参数分布存在不同程度的差异,但是微波辐射计和探空的变化趋势一致性较好,并且无线电探空仪观测的大气参数和微波辐射计反演的温度、相对湿度和水汽密度相关性整体上均呈现低层大气优于高层大气,温度相关性最好,水汽密度次之,相对湿度最低。通过对比各个高度层的拟合程度,发现3.5 km以下的低层大气参数精度更可靠,对于需要间接计算的大气物理量,如K指数、有效位能、积分水汽含量等,使用低层数据计算的大气物理量精度会更好。本文开展的地基微波辐射计反演的大气物理参数与探空仪观测对比研究工作,对提高微波辐射计在大气物理和人工影响天气的探测精度方面具有参考意义。     

地基微波辐射计与探空数据对比分析

利用西安泾河国家高空气象站2020年1—9月电子探空仪在0～10 km探测高度内观测的温度和水汽密度数据,与同址的MWP967KV型地基微波辐射计反演的同类气象数据对比分析,以评估微波辐射计反演气象要素的准确性。结果表明：MWP967KV型地基微波辐射计反演的温度廓线与探空数据相关性较高,平均偏差小于15 ℃,均方差小于20 ℃,两者相关性达到0990;水汽密度的平均偏差和均方差均小于10 g/m3,相关性为0972;在任何天气条件下,温度的相关性均较高,水汽密度相关性较好;在雨天天气条件下,地基微波辐射计反演廓线与探空仪观测数据一致性最高,说明地基微波辐射计对厚云的反演精度比薄云高。地基微波辐射计在观测精度和探测高度方面还需要进一步优化改进,使其能获得高质量的探空观测资料。     

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。     

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。     

激光雷达和微波辐射计温湿度廓线与探空数据的对比分析

基于西安泾河国家气象站2021年微波辐射计、西安理工大学研制的大气温湿度廓线激光雷达等设备观测数据反演计算0～10 km 以下的温湿度，通过与探空资料的对比分别评估了微波辐射计和激光雷达的探测性能。结果表明，二者反演的温度均与探空数据具有较好的一致性，激光雷达反演的温度和探空温度的相关系数为0997，均方根误差在15～25 K之间，微波辐射计反演的温度和探空温度的相关系数为0973，均方根误差在15～50 K之间；在反演相对湿度方面激光雷达优于微波辐射计，激光雷达反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0964，均方根误差在5%～15%之间，微波辐射计反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0632，均方根误差在20%左右。     

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）。     

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。     

ERA5再分析数据在微波辐射计数据反演中的初步应用

为了研究ERA5再分析资料在微波辐射计数据反演中的应用效果,利用探空和ERA5作为训练样本分别训练得到两个神经网络,对微波辐射计观测数据进行反演。并以探空资料作为参考分别统计基于探空和ERA5再分析资料反演得到的数据的相关系数、绝对偏差和均方根误差,用于评估ERA5再分析资料在微波辐射计数据反演中的应用效果。结果表明：基于ERA5和探空反演的温度廓线与探空的相关系数分别为0.988、0.99,绝对偏差分别为2.402 ℃、2.607 ℃。反演水汽与探空的相关系数分别为0.975、0.979,绝对偏差分别为0.412 g/m3、0.369 g/m3。反演的相对湿度相关系数分别为0.663、0.696,绝对偏差分别为15.587%、13.976%。反演的积分水汽总量相关系数分别为0.959、0.968,绝对偏差分别为0.258 cm、0.227 cm。从结果来看,基于ERA5资料反演的温度、水汽资料与利用探空反演的结果相差较小,温度廓线反演效果优于相对湿度廓线。     

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。     

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。     

阳江国际探空试验的GPS、探空、微波辐射计水汽资料对比分析

GPS/MET水汽资料因其建设维护成本低、时间分辨率高、可全天候、无人、自动观测等优点,已经成为获取大气水汽资料新的重要手段。以阳江第八届国际探空比对试验资料为基础,对比分析了GPS/MET与4种探空仪和微波辐射计获取的水汽资料。探空与GPS/MET测量的水汽值有较强的相关性,相关系数在0.57~0.74之间,但探空水汽值比GPS/MET偏高0.71~1.47mm,方差在3.48~3.96之间。其中RS92探空仪测量的水汽变幅与GPS/MET基本相当,但国内探空仪水汽测量值的变幅明显高于GPS/MET,偏高近1.6~1.8倍。微波辐射计在天气较好时,测量精度较高,基本上以3个国产探空仪数据相当;但微波辐射计在雨天受罩子上的雨水影响,误差较大,与GPS/MET的测量值不相关。     

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。     

AMDAR气温资料和常规高空观测气温资料的对比分析

为了解飞机观测气象资料(AMDAR资料)的可用性,推进AMDAR资料在湖南气象预报业务中的应用,对2013年5月至2016年12月的AMDAR资料时空分布特征进行了分析,并参考美国国家环境预报中心(NCEP)提供的AMDAR资料质量控制方法,对AMDAR气温资料进行质量控制,并在此基础上对湖南范围内的AMDAR气温资料和常规高空观测气温资料(长沙、怀化、郴州)进行了对比分析。结果表明:我国AMDAR资料主要分布在100 h Pa气压层以下,起飞和降落阶段资料约占68. 75%。AMDAR气温资料数据质量稳定,气温疑误率低于0. 13%。在对比样本上,AMDAR观测气温(t_a)与常规高空观测气温(ts)存在非常显著相关性,相关系数为0. 9966,均方根误差为1. 065℃,AMDAR观测气温平均偏低0. 13℃,差值呈准正态分布,且73. 76%的差值在-1~1℃。AMDAR观测气温与常规高空观测气温的差值分布与飞行状态和飞行高度相关,上升状态AMDAR气温偏高,下降状态AMDAR气温偏低。500 h Pa高度以下,样本飞行状态多为下降,t_a较ts平均偏低0. 25℃; 500h Pa高度以上,样本飞行状态多为上升和平飞,t_a较ts平均偏高0. 03℃。     

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。     

微波辐射计反演产品评价

利用北京南郊探空资料,对从美国进口的微波辐射计近3年反演资料,从总体平均、早晚平均、平均年变化以及不同天空状况4个方面进行分析、评价,以了解该设备的性能和产品特点。结果表明:①温度均方根误差从近地面到5000 m,误差逐渐增大,5000 m以上又逐渐减小。相对误差总体平均不到0.2,且均为正,表明仪器反演的温度比探空的偏高。②湿度从近地面到3000 m误差逐渐增大,3000 m以上逐渐减小。总体平均相对湿度的误差均为正,表明仪器反演出的相对湿度比探空的偏高。③从温、湿度误差的早晚对比看,20:00的误差相对比08:00小。④从不同天空状况看,温度碧空、多云间晴效果较好,多云转阴、阴天效果较差;湿度多云转阴、阴天效果较好。⑤从温、湿度误差的年变化来看,温度均方根误差1500 m以下年内变化幅度较小,1500 m以上变化幅度较大,呈现出8月误差最小,3、4月最大;相对湿度的均方根误差在1500 m以下年内变化比较相似,1500 m以上脉动变化比较大。     

GTS探空仪碳湿敏元件性能测试数据分析及相对湿度订正

碳湿敏元件受温度影响明显,造成相对湿度探空数据测量的误差。利用温湿控制设备对该元件进行静态试验,测试不同温度对元件感湿特性的影响。通过对试验数据分析计算得到元件的相对湿度温度项订正数据,以及相对湿度的温度项订正拟合公式,可以有效订正由温度引起的相对湿度探空数据误差。对实际相对湿度探空数据资料订正效果的对比分析表明,经过温度项订正后的相对湿度探空数据,不但其准确度得到了提高,而且清楚地体现出在订正之前所不能体现的高空大气相对湿度在低湿段的变化细节。     

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。     

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...