应用ATOVS资料反演大气温湿廓线

本文用牛顿迭代的方法反演NOAA-15极轨气象卫星ATOVS资料，求解大气温度廓线和水汽廓线，本文利用一阶变分原理从辐射传输方程中得到了大气温度、水汽权重函数的解析形式，并改进了传统使用的线性迭代方法，利用牛顿非线性迭代方法求解大气表层温度，大气温度廓线及大气水汽廓线，并根据大气参量的自相关性，将大气温度廓线、大气水汽廓线用经验正交函数（EOF）的线性组合表示，减少了要反演的参数，提高了反演稳定性和迭代速度。     

AIRS晴空大气温度廓线反演试验

2002年5月发射的Aqua是美国地球观测系统中的第2颗卫星EOS-2（Earth Observing System）,它携带的大气红外探测仪AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）是目前国际上最先进的超高光谱分辨率红外大气垂直探测仪。1200的光谱分辨率和全球覆盖能力使其可以观测全球大气状态及其变化。对其超高光谱分辨率资料的处理和应用的研究既有科学意义,又有实用价值。利用AIRS实际观测资料反演大气温度,本文使用的是便于处理大数据量的统计反演方法中的特征向量法,计算回归系数使用的是AIRS观测辐射值和T213数值预报分析场。本文从通道个数、地形及地表发射率影响、增加预报因子、国外同类产品比较等4个方面进行了大气温度反演试验研究。研究结果表明:（1）在利用超高光谱分辨率仪器进行反演时,合理选择通道是非常必要的;（2）AIRS反演的大气温度在对流层顶和中上层具有较高的精度,在对流层低层,尤其是近地面反演精度不够理想;（3）增加地表温度,地表发射率和地形3个预报因子,可以提高近地面的反演精度;（4）文中反演的大气温度精度与国外同类产品精度基本一致。     

利用人工神经网络方法反演大气温度廓线

高光谱大气红外探测仪AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)资料能够显示小尺度的大气温度垂直结构,为数值预报和天气诊断提供了更加准确精细的初始场.目前处理数据主要使用晴空大气业务反演国际MODIS/AIRS处理软件包IMAPP (International MODIS/AIRS Preprocessing Package)中的特征向量统计回归算法,由于统计法算法简单,反演精度受到较大限制.现提出一种利用人工神经网络的算法来对晴空状况下AIRS模拟辐射值进行大气温度廓线反演的方法,并与特征向量统计法结果相比较.结果表明,神经网络方法与特征向量统计法反演所耗时间相当,减小了反演误差,各高度层温度反演精度均有不同程度的改进,获得了较好的反演结果.     

AIRS资料反演大气温度廓线的通道选择研究

通过引入信息容量的概念,给出了一种对高光谱大气探测资料所包含各种大气参数有效信息进行描述的方法;然后以信息容量为指标,设计了利用"逐次吸收法"进行通道选择的计算方案;最后针对利用大气红外探测器(AIRS Atmospheric Infrared Sounder)探测资料反演大气温度廓线进行了通道选择试验.从将本文试验选择结果与NASA(National Aeronautics and Space Administration) DAAC(Distributed Active Archive Center)进行AIRS产品反演时所使用通道进行比较的结果表明,利用信息容量为指标,并按照"逐次吸收法"进行通道选择是可行的.     

晴空卫星红外模拟资料反演大气温度廓线的研究

HIRS／3资料的反演是一个典型的非适定问题,而奇异值分解法（SVD）是一种解病态线性代数方程组的有效方法,它在遇到矩阵的不适定问题时依然可以保持其数值稳定性并能尽量多地利用各探测通道的有效信息。将SVD方法应用于卫星资料的温度反演问题中可以将资料空间和参数空间分型,从中提取有效信息来反演大气温度廓线。通过理想资料试验,分析了温度廓线初猜值、水汽廓线误差等因素对温度反演结果的影响。结果表明：对HIRS／3资料来说,用SVD法反演大气温度廓线时只能截取一定的阶数,以取4～7为宜;温度廓线初猜值的选取对反演结果的影响较大,当模式层的中层误差较大时得到的反演结果最稳定;水汽廓线的扰动对中低层的温度反演结果和第5,8,10,11和16通道的亮温值有较大影响。     

由HIRS/3资料反演大气温度廓线的理论误差分析

将EOF与SVD方法相结合,利用HIRS/3卫星红外模拟资料和NCEP再分析资料,分析了反演大气温度廓线时的理论误差全球分布特征。结果表明,误差分布与纬度有一定的关系,中、高纬地区的绝对反演误差比低纬地区大,但其相对误差要小于低纬地区。相对误差结果反映出低纬地区的反演能力较差;同时像青藏高原这种大地形的存在对反演结果也有一定的影响。     

高原地区基于微波辐射计反演大气廓线的神经网络算法研究

以2007~2018年西宁二十里铺气象站探空资料为模拟样本,利用MonoRTM模式模拟中心频率21.985~58.759GHz的35通道亮温,应用BP神经网络对模拟数据进行反复训练,构建最优反演模型,并以2019年探空资料为测试样本,对比分析了不同季节和不同天气条件下BP神经网络与微波辐射计的反演效果。结果表明：晴空条件下,BP神经网络与微波辐射计在温度反演上效果最佳,水汽密度次之,相对湿度最差,其中冬春季BP神经网络反演效果优于微波辐射计,夏秋季反之;有云条件下,BP神经网络温度反演效果在冬、春和夏季均优于微波辐射计,其水汽密度反演效果在四季均较微波辐射计有明显提升,其相对湿度反演效果在冬、春和夏季均较微波辐射计更佳。晴空和有云条件下,BP神经网络在不同季节反演温度、水汽密度和相对湿度的平均绝对误差和标准偏差均小于微波辐射计,尤其是相对湿度的反演精度提升最为明显。晴空条件下,BP神经网络反演温度廓线在春、夏和秋季效果最佳,反演水汽密度廓线在中低层精度较高,反演相对湿度廓线的精度较差,但基本和探空资料趋势一致;有云条件下,BP神经网络反演温度廓线与晴空时基本一致,较微波辐射计精度更高,反演水汽密度和相对湿度廓线在8km以上效果较好。     

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。     

人工神经网络算法在红外高光谱资料反演大气温度廓线中的应用

基于红外高光谱大气探测器AIRS实况观测资料,尝试用人工神经网络算法来实现晴空时大气的温度垂直廓线反演,重点将该算法与目前已经发展比较成熟的特征向量统计反演算法进行比较。结果表明,两种算法在计算时间效率和反演精度上相当。鉴于人工神经网络算法的统计物理本质,误差反向传播BP神经网络可以求解非线性问题,在优化训练样本和继续调试网络种类和网络参数的基础上,有望能进一步提高反演精度。     

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。     

利用地基GPS测量大气水汽廓线的方法

GPS倾斜路径的湿延迟反映了大气中水汽的三维非均匀分布,通过准确确定空间各卫星对地面各接收机的倾斜路径湿延迟,就可以利用断层扫描技术,确定大气层中水汽的三维分布和变化,从而增加目前还相对缺乏的大气水汽探测。文章就这方面介绍了国际上利用地基GPS测量倾斜路径大气湿延迟的两类方法(单点定位方法和双差定位方法)以及应用断层扫描技术利用这些观测进行水汽廓线遥感探测的两类方法(附加约束法和卡尔曼滤波法),并对这些方法的优缺点进行了初步的比较和探讨。     

大气水汽总量的垂直分解

利用1986-2001年探空资料, 分析了我国5个不同地区的水汽垂直分布规律, 建立了大气边界层以上比湿随气压为幂函数分布, 边界层内比湿随气压线性分布的模型, 并用2004年11月-2005年10月的探空资料、 NCEP再分析资料作了对比检验和误差分析, 最后将模型应用于微波辐射计反演水汽总量的垂直分解.结果表明, 模型分解产生的误差越接近地面则越大, 对于1 mm总量的水汽, 分解得到的比湿最大误差为0.1 g·kg-1.     

GPS水汽监测中卫星轨道处理分析

轨道误差是GPS水汽监测的重要误差来源,对轨道误差对水汽监测的影响进行分析,并研究Neville算法在预报精密星历轨道插值上的可行性,实现近实时水汽监测的轨道插值处理,为水汽监测奠定基础.     

北京城区大气边界层高度的反演研究

采用北京市国家大气探测试验基地2017年5月1日至2019年8月31日的微波辐射计观测结果,通过位温气块法反演了该地区的大气边界层高度,统计其日变化和月际变化特征,并与相应的探空反演结果进行对比.结果表明:日间大气边界层高度的变化特征与日照时长对应关系很好.除热力作用外,边界层高度受地面风速的影响较大,近地面的较强大风...     

大气探测高技术及应用研究进展

大气探测技术是支撑大气科学,特别是大气物理和大气环境学科发展的重要基础,其主要任务是发展新的探测和试验手段、原理和方法,为认识大气运动以及大气中各种物理、化学、生物过程的基本规律及其与周围环境的相互作用提供技术手段和方法。除了充分利用国内外已有的成熟技术和产品对大气科学发展提供支持外,大气探测还存在一系列科学与技术问题需要研究和开发,这也是大气探测科学与高技术的前沿。本文从强对流和降水探测技术、雷电探测技术、云特性探测技术、臭氧和气溶胶等大气成分探测技术、地基GPS观测反演大气和海洋参数、大气与环境综合探测平台六个方面综述近五年来中国科学院大气物理研究所在地面大气探测高技术研发、实验观测及相关研究领域所取得的一些主要进展,并对未来发展进行展望。     

Correlation between Atmospheric Water Vapor and Diurnal Temperature Range over China

Diurnal temperature range （DTR） is an im- portant measure in studies of climate change and variability. The changes of DTR in different regions are affected by many different factors. In this study, the degree of correlation between the DTR and atmospheric precipitable water （PW） over China is explored using newly homogenized surface weather and sounding observations. The results show that PW changes broadly reflect the geographic patterns of DTR long-term trends over most of China during the period 1970-2012, with significant anticorrelations of trend patterns between the DTR and PW, especially over those regions with higher magnitude DTR trends. PW can largely explain about 40% or more （re 0.40） of the DTR changes, with a d（PW）/d（DTR） slope of -2% to -10% K^-1 over most of northwestern and southeastern China, despite certain seasonal dependencies. For China as whole, the significant anticorrelations between the DTR and PW anomalies range from -0.42 to -0.75, with a d（PW）/d（DTR） slope of-6% to -11% K^-1. This implies that long-term DTR changes are likely to be associated with opposite PW changes, approximately following the Clausius-Clapeyron equation. Furthermore, the relationship is more significant in the warm season than in the cold season. Thus, it is possible that PW can be considered as one potential factor when exploring long-term DTR changes over China. It should be noted that the present study has a largely statistical focus and that the underlying physical processes should therefore be examined in future work.     

吉林省冬季逆温天气特征分析

吉林省的三个探空站即长春、临江和延吉分别位于该省的中部平原、南部山区和东部盆地之中.利用三站探空资料,分析了吉林省冬季发生逆温的时空分布特征、逆温的统计特征、逆温属性以及逆温的天气气候特征.结果表明:逆温的发生频率平原最多、山区次之,盆地较少,强逆温的发生频率恰好与之相反;逆温底高平原多发生在近地面附近,山区多在400m以下,盆地多在200m以下;发生在近地面的强逆温层厚度一般多发生在1000m以下;逆温属性,平原和山区以辐射或下沉逆温为主,盆地则以辐射或下沉和平流逆温为主,同时指出了不同属性逆温的地面形势场特征.     

边界层微型火箭气象探空系统研制与应用

首次介绍了国内自主研制的边界层微型火箭气象探空系统,系统包括火箭发射装置、探空仪、降落伞、地基接收设备和数据接收处理软件,其温度、湿度和气压测量采用数字式传感器,风速和风向由北斗/GPS全球定位信息获得。火箭升空至顶点后,将探空仪和降落伞从仪器舱弹出,在下降过程中测量大气的温度、湿度、气压和风速、风向等参数,通过无线发射机传送至地面接收机,由处理软件实现数据存储和参数分析。不同地区、不同气象条件下多次外场比较试验和实际应用结果表明,该系统性能稳定,探测技术指标和功能满足使用单位的设备研制要求,可应用于气象保障、大气探测、环境监测及海洋气象要素廓线的观测。     

双基雷达联合探测降水廓线的研究

利用1998年淮河流域能量和水循环试验(HUBEX)中的一次地面雷达与星载雷达(简称为双基雷达)联合探测雨强的资料,比较了现有的几种测雨雷达回波衰减订正方法.选取了一条比较有代表性的降水廓线,利用地基雷达数据对其进行衰减订正.结果表明,在雨区的中上部,星载雷达探测效果优于地基雷达;从"零度层亮带”往下至近地面,地基雷达探测效果优于星载雷达.     

湖北省不同资料反演大气可降水量的误差分析

利用常规探空、秒级原始探空、GPS/MET、微波辐射计、GFS再分析资料以及区域中尺度WRF模式的预报场资料计算整层可降水量,对多种资料计算的整层可降水量进行误差特征和原因分析,结果表明:秒级探空和常规探空计算的整层可降水量基本一致。GPS/MET、微波辐射计、GFS以及WRF计算的整层可降水量与常规(秒级)探空的相关系数分别为0.94、0.92、0.93、0.80,有降水时GPS/MET和微波辐射计与常规探空的相关系数分别下降到0.85和0.81,但有降水时GPS/MET误差分布较集中,而有降水时微波辐射计误差显著增大,主要由于1~2 km处水汽密度误差异常增大。除微波辐射计和GFS宜昌站计算的整层可降水量为相对常规探空偏高,其他资料均为偏低,GPS/MET宜昌和恩施站平均偏低3 mm,GFS武汉和恩施站分别偏低1和7 mm,WRF恩施平均偏低2 mm,WRF武汉和宜昌平均偏低6~8 mm。GFS恩施站可降水量偏低是由于GFS资料中恩施地面气压比实际偏低,但其露点温度整层均比常规探空偏高。除GFS恩施站外,GFS武汉、GFS宜昌和WRF 3站的露点温度相对常规探空资料露点温度均表现为:850 hPa以下偏低,850 hPa以上偏高。WRF 12 h预报场的整层可降水量与常规探空整层可降水量的相关性和误差均优于24 h预报场。