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。     

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。     

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。     

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。     

七通道微波辐射计遥感大气温度廓线的性能分析

文中首先分析了大气参数分布的垂直分辨率对模拟七通道微波温度探测器各通道亮温的影响,通过对比计算表明,大气参数的垂直分辨率对微波测温通道亮温计算的影响为0．2K～0．7K;随后分析了各通道亮温测量误差对温度廓线反演性能的影响,当测量误差在0．2K～2．0K范围内变化时,反演结果的总体均方根误差为2．1K～3．1K;同时还分析了单通道缺损、单通道发生漂移及所有通道发生漂移等情况对温度廓线反演性能的影响。当仪器缺损一个通道时,对所缺通道权重函数峰值附近高度上的大气温度反演有不同程度的影响,对其他高度上的大气温度反演的影响可忽略;单通道漂移0．5K时,对反演结果的影响较小;各通道整体漂移达到1．0K时,对温度廓线反演有明显影响;最后,考虑了云雾对微波测温通道亮温的影响,数值计算表明,雾层、浓霾和卷云对各通道亮温几乎没有影响,层云和积云对50．50GHz通道亮温有明显的影响。     

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。     

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。     

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.     

云对地基微波辐射计反演湿度廓线的影响

利用中国气象局大气探测试验基地的L波段探空数据和微波辐射计观测数据,采用MonoRTM辐射传输模型作为正演亮温模型,BP (back propagation) 神经网络作为反演工具,在由亮温反演大气湿度廓线的过程中,添加与样本匹配的云底高度和云厚度信息,建立新的反演模型,使新反演模型得到的反演湿度廓线和未添加云信息的反演湿度廓线分别与探空数据进行对比,获取两种反演方法各高度层的均方根误差,分析云信息对反演大气湿度廓线的影响。对比结果表明:未添加云信息时,测试样本的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.685,而添加云信息后,相关系数平均值为0.805。相比未添加云信息的反演廓线,添加云信息之后多数高度层的均方根误差均有不同程度减小,而在有云以上高度层表现尤为明显。     

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...     

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。     

地基微波辐射计遥感大气廓线的BP神经网络反演方法研究

讨论了12通道地基微波辐射计遥感反演温度、相对湿度和云液态水廓线的BP神经网络反演方法,利用探空资料,对北京春、夏、秋、冬四个季节的大气廓线进行神经网络训练,并对训练好的网络的反演能力进行数值检验,分析了反演精度;对北京南郊观象台12通道微波辐射计的观测亮温资料进行实际反演,结果表明,神经网络(BPNN)反演的廓线与微波辐射计自带RadiomeNN的相比更加接近实际。     

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。     

三年地基微波辐射计观测温度廓线的精度分析

对安装在北京南郊观象台的地基微波辐射计测量的温度廓线数据的精度进行了分析。首先在2006年9月晴天条件下,对比由7个氧气通道测量的亮温与由微波辐射传输模式计算的亮温。得到51.250 GHz的测量值与计算值的标准差值最大,为3.8 K,其余通道均小于1.8 K。2种亮温的偏差值以及绝对偏差值,在51.250和52.280 GHz处大于1.0 K,在其余5个通道处都小于1.0 K。2种亮温拟合直线的斜率,在52.280和53.850 GHz处分别为0.66与0.7,其余通道都大于0.8。然后,使用2005年9月—2008年8月的观测数据,对比地基微波辐射计与探空同时观测的大气温度。结果显示,2种测量技术的差异随高度而增大。另外,将3a观测数据按照季节以及晴天与非晴无降水天进行对比分析。结果显示,不同季节２种测量技术存在不同差异。其中,夏季测量差异最小。而晴天测量差异在3.250 km以下比非晴无降水天小。     

激光雷达与微波辐射计联合观测大气边界层高度变化

为了研究苏州地区大气边界层结构的日变化及季节特征,利用2014年1—7月期间大气颗粒物激光雷达对苏州上空大气气溶胶进行了连续观测。选定2014年1月15日、3月16日、5月7日与7月22日全天的消光系数探测数据,通过优化后的梯度法得到了该地区的大气边界层高度,分析了其日变化特征,并分析了边界层高度与地表的温湿变化之间的相关性。结果表明除1月15日外,边界层的变化与地表温度存在明显的正相关,而与地表的相对湿度存在负相关。同时,对站点微波辐射计观测得到的温湿廓线与边界层内消光系数廓线进行了联合研究。研究结果表明,微波辐射计湿度垂直廓线与激光雷达消光系数廓线探测得到的边界层具有良好的一致性。     

冬奥赛场卫星和地基微波辐射计气温廓线观测对比和验证

利用探空站数据对北京和张家口冬奥赛场周边地区的地基微波辐射计和FY 4A大气垂直探测仪资料进行验证分析。选取2020年全年FY 4A大气垂直探测仪资料以及2020年12月至2021年3月期间对冬奥赛事有重要影响的寒潮前后、雾霾和沙尘暴这3种不同天气现象下探测得到的气温廓线数据进行个例分析。结果表明：在晴空条件下,地基微波辐射计和FY 4A大气垂直探测仪探测大气垂直气温的精度较高,平均相关系数达到0.97,低层大气（500 hPa以下）较高层大气探测结果的一致性较好;大气污染对探测精度产生一定影响,其中PM2.5产生的影响较小,PM10的提高对FY 4A大气垂直探测仪的探测产生较大影响,尤其是发生沙尘暴时,星载探测仪无法对低层大气进行探测。经过对比和验证,卫星探测作为补充探测手段,可以与地基微波辐射计互相补充,尤其是在空间覆盖和时间分辨率上具备一定优势,但在有云和沙尘暴的天气条件下无法对低层大气开展探测;地基微波辐射计可以对一个地点的大气垂直参数开展不间断的探测,与探空站数据的一致性较高。卫星探测和地基微波辐射计均可以为冬奥赛事提供高时间分辨率的探测数据,为数值天气预报提供有力的数据支撑。     

云雷达和微波辐射计联合反演大气湿度廓线的初步研究

利用中国气象局大气探测试验基地的微波辐射计亮温值、对应的云雷达测得的反射率因子和L波段探空数据,采用BP(back propagation)神经网络作为反演工具,反演得到大气垂直湿度廓线。将天气情况分为晴天、低云、中云和高云四种情况,对比不加入反射率因子的反演湿度廓线,分析两种反演方法在各高度层的均方根误差。对比结果表明,加入反射率因子的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.862,均方根误差为14. 9%,而不添加反射率因子的相关系数平均值为0.763,均方根误差为19.2%。     

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。     

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%。

     

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。