基于MonoRTM模型的微波辐射计反演方法研究

基于辐射传输模型MonoRTM计算天空亮温度,使用多元线性统计回归方法和BP神经网络方法分别对大气温度和水汽密度廓线进行了反演,检验并分析了两种方法的反演精度.结果表明,多元线性回归方法反演的温度偏差总体不大于6K,反演的水汽密度偏差小于4 g/m3;神经网络方法反演的温度偏差小于2K,反演的水汽密度误差总体不大于2 g/m3.与探空数据的对比表明,对于大气温度和水汽密度反演,BP神经网络方法的反演结果都要比多元线性回归方法的反演结果更接近探空资料值.     

Preliminary results of 4-D water vapor tomography in the troposphere using GPS

Slant-path water vapor amounts (SWV) from a station to all the GPS (Global Positioning System) satellites in view can be estimated by using a ground-based GPS receiver. In this paper, a tomographic method was utilized to retrieve the local horizontal and vertical structure of water vapor over a local GPS receiver network using SWV amounts as observables in the tomography. The method of obtaining SWV using ground-based GPS is described first, and then the theory of tomography using GPS is presented. A water vapor tomography experiment was made using a small GPS network in the Beijing region. The tomographic results were analyzed in two ways: (1) a pure GPS method, i.e., only using GPS observables as input to the tomography; (2) combining GPS observables with vertical constraints or a priori information, which come from average radiosonde measurements over three days. It is shown that the vertical structure of water vapor is well resolved with a priori information. Comparisons of profiles between radiosondes and GPS show that the RMS error of the tomography is about 1–2mm. It is demonstrated that the tomography can monitor the evolution of tropospheric water vapor in space and time. The vertical resolution of the tomography is tested with layer thicknesses of 600 m, 800 m and 1000 m. Comparisons with radiosondes show that the result from a resolution of 800m is slightly better than results from the other two resolutions in the experiment. Water vapor amounts recreated from the tomography field agree well with precipitable water vapor (PWV) calculated using GPS delays. Hourly tomographic results are also shown using the resolution of 800 m. Water vapor characteristics under the background of heavy rainfall development are analyzed using these tomographic results. The water vapor spatio-temporal structures derived from the GPS network show a great potential in the investigation of weather disasters.     

海南GPS网探测对流层水汽廓线的试验研究

介绍了2005年11月在海南地区进行的一次地基GPS小网观测试验。试验目的是研究利用组网的GPS倾斜路径观测进行对流层水汽层析反演, 给出站点上空水汽的垂直廓线结构信息。概述了试验中GPS原始数据处理方法以及层析反演的方法。将GPS层析得到的水汽垂直廓线与海口站探空观测的水汽廓线进行了对比, 结果表明:二者一致性较好, 均方根误差在0.5g·m-3左右, 层析结果较好地反映出试验期间水汽减少、大气变干的过程。另外, 采用3种不同的先验信息方案测试分析了GPS层析的结果, 表明GPS观测量对水汽先验信息有明显的调整作用。并对GPS水汽层析中可能存在的问题进行了讨论。试验证明高时间分辨率的GPS观测有能力层析出GPS测站上空水汽的廓线信息。     

GNSS反演资料在GRAPES_Meso三维变分中的应用

为了进一步提高GRAPES_Meso的分析和预报效果,该文在GRAPES_Meso三维变分同化系统中建立了同化GNSS/RO反演的大气资料的观测算子,实现了对GNSS/RO反演的大气资料的同化应用,并通过2013年7月1个月的同化和预报试验分析了GNSS/RO反演大气资料对GRAPES_Meso模式系统分析和预报的影响。结果表明:增加了GNSS/RO反演大气资料的同化后,GRAPES_Meso位势高度场的分析误差明显减小,平均分析误差减小约8%,预报误差略有减小,平均预报误差减小约1%;湿度场的分析误差和预报误差变化不明显,常规观测资料稀少的青藏高原地区的降水预报技巧有所提高,小雨到大雨的ETS (equitable threat score) 评分提高约0.01,对全国及其他分区的降水预报技巧总体上有正效果。     

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。     

Comparison of Incoming Solar Radiation at Different Air Density Regimes Using Neural Network Models

This study creates a database on incoming solar radiation using artificial neural networks (ANN) and information on altitude, air temperature and pressure, water vapor pressure, dry air density, water vapor density, and mixing ratio obtained at five weather stations in Turkey. The coefficients of correlation of the calculation results for three regimes of air density with observational data for the training sample (2000–2001) are 99.24%, 99.82%, and 96.67%; for the testing sample (2002), 95.97%, 82.32%, and 95.11%. These values indicate that the usage of artificial neural networks and data of at-mosphere parameters is a correct and effective method for estimation of solar radiation and creation solar databases.     

GNSS/PWV与风云四号A星GIIRS水汽廓线融合应用研究

中国新一代地球静止气象卫星风云四号A星（FY-4A）搭载的干涉式大气垂直探测仪（Geostationary Interferometric Infrared Sounder, GIIRS）以红外高光谱干涉分光方式探测三维大气温湿结构,取得了在静止轨道上探测大气的突破性进展。地基全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）是一种连续监测大气可降水量（Precipitable Water Vapor,PWV）的有效手段,基于2018年6—8月中国地基GNSS站监测的PWV和FY-4A/GIIRS水汽廓线的业务产品以及常规无线电探空资料,开展GNSS/PWV与FY-4A/GIIRS水汽廓线快速融合应用,以提高卫星资料反演大气水汽廓线的精度。结果表明:与常规无线电探空相比,FY-4A/GIIRS水汽廓线产品在大气低层均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）为4.5 g/kg,700 hPa为2.4 g/kg,500 hPa以上因水汽含量较低RSME小于1.5 g/kg。GNSS/PWV与FY-4A/GIIRS水汽廓线融合后,FY-4A/GIIRS水汽廓线误差整层RMSE减小20%,从近地层到600 hPa RMSE平均减小20%—25%,尤其是850—700 hPa改善最明显,极大改善了卫星水汽反演资料的可用性。对一次多系统影响的暴雨天气过程应用分析表明,GNSS/PWV和FY-4A/GIIRS融合产品可获得高时、空密度的大气水汽廓线,对强降水的临近预报有非常重要的支撑作用。      

基于一维变分算法的红外高光谱(IASI)卫星遥感大气温湿廓线研究

大气温湿度廓线是大气重要参数,在数值天气预报及天气预警中具有重要的应用价值。为获得高精度的大气温度与水汽混合比廓线数据,研究了基于Metop-A/IASI红外高光谱资料的大气温度与水汽混合比廓线变分反演方法。利用IASI高光谱传感器温度和水汽探测通道资料,结合CRTM模式和WRF模式预报技术,使用一维变分方法,研究了卫星资料质量控制、背景误差协方差本地化、观测误差协方差计算等方法,构建了大气温度及水汽混合比廓线变分反演系统,并在北京、青岛、沈阳3个地区开展了反演试验。以探空为标准的反演结果对比显示,使用WRF模式预报值作为背景场,温度的平均误差绝对值小于0.6 K,均方根误差为0.89 K;水汽混合比的平均误差绝对值小于0.021 g/kg,均方根误差为0.02 g/kg。试验结果表明:基于一维变分方法,可以利用Metop-A/IASI红外高光谱资料进行大气温度与水汽混合比廓线高精度探测。     

用单站探空资料分析对流层气柱水汽总量

使用北京地区１９９６,１９９７年７月中至８月上旬常规探空（标准层和特性层）资料,计算了各层气柱的水汽混合比,绘制了水汽垂直分布的廓线,并据水汽廓线分布把大气分为四种类型,通过对各层水汽混合比积分,算出该时段每日０８,２０时的北京单站对流层气柱累积水汽量,研究气柱水汽总量与降水的关系,为预报降水量级,降水范围提供依据,这一分析结果可与辐射仪遥感水汽技术得到的结果进行比较,并为应用其它新的探测技术（如     

基于特征向量法的地基红外高光谱反演大气温湿廓线附加影响因子分析

在地基高光谱遥感中,特征向量法获取的温湿廓线以初值的方式对物理反演进行约束,其反演精度对物理反演结果有着重要的影响。利用AERI的观测辐射资料和同站点的探空数据,基于特征向量法分析了温度廓线与湿度廓线反演的异同点;研究了主成分个数的选择问题,综合考虑反演精度和特征向量中包含的信息将反演温度廓线和湿度廓线的最优主成分个数定为7。为提高反演精度,引入地面温度、湿度、气压作为影响因子,试验结果表明,考虑反演精度和稳定性,地面气压的引入相比于其他2种单一气象要素以及3种气象要素组成的因子集表现更好,尤其是对边界层中下部的温湿廓线有着明显的提升,并随着高度的降低提升作用更明显,温度廓线RMSE降低最高达到1.5K,湿度廓线RMSE降低最高达到0.42g/kg。同时,分析了对数反演形式对湿度廓线的影响,结果表明,以水汽混合比的形式反演时取自然对数对反演精度的影响较小;将反演得到的水汽混合比转化为相对湿度后,取自然对数对反演精度有12%以上的提升。     

利用GPS的倾斜路径观测暴雨过程中的水汽空间分布

介绍了地基全球定位系统 (GPS) 沿倾斜路径方向观测水汽总量 (SWV) 的原理和方法; 不同时间和不同地点的GPS SWV与微波辐射计反演的SWV符合较好, 误差在3 mm左右, 表明GPS可以较高的精度探测SWV.计算了区域GPS观测网在一次暴雨过程中不同空间方位上的水汽观测结果, 为消除不同路径对SWV的影响, 把SWV转化为天顶方向的值VSWV; 分析了同一GPS站点对不同卫星方向VSWV的变化情况, 以及不同GPS站点对同一个卫星方向VSWV的关系.结果表明, 区域GPS观测网中倾斜路径观测可较好地探测不同方位上水汽的分布和变化; SWV相对于天顶方向的大气水汽总量PW而言, 能更好地代表真实大气水汽分布; 在探空或卫星观测等传统观测手段无法探测的情况下, GPS SWV数据可提供中小尺度暴雨结构中水汽分布和变化状况等有用信息.     

华北地区水汽总量特征及其与地面水汽压关系

利用2004-2005年张家口、邢台和北京三个探空气象站北京时间08、20时的资料,计算了各个站点不同时刻对应的水汽总量,对华北地区水汽总量的特征及其与地面水汽压的关系进行了研究.利用线性回归方法分别建立了四种不同分型下用地面水汽压估算水汽总量的经验公式.检验结果表明,华北地区估测的平均绝对误差和均方根偏差普遍低于4 mm和6 mm;夏季误差较大,而冬半年较小;按天气状况分型时,地面水汽压与水汽总量相关性较好、估计精度也更高,可作为除探空资料积分法和GPS遥感方法之外估计水汽总量的一种备选方案.     

MEASUREMENT OF WATER VAPOR AND CLOUD LIQUID WATER CONTENT BY A DUAL-CHANNEL GROUND-BASED MICROWAVE RADIOMETER

The design principle and structural features of a new type dual-channel ground-based microwave radiometerfor measurement of water vapor and liquid water in troposphere are discussed. A method independent ofradiosonde data is used for system absolute calibrations. A statistical method for retrieving the total watervapor and cloud liquid water content and a nonlinear iterative algorithm for retrieving the water vapor profilesin the troposphere are discussed. Comparison is conducted between the measurement of the integrated amountsof the water vapor and the tropospheric vapor profiles by the radiometer and the radiosonde data.     

Applying Artificial Neural Networks to Modeling the Middle Atmosphere

An artificial neural network (ANN) is used to model the middle atmosphere using a large number of TIMED/SABER limb sounding temperature profiles. A three-layer feed-forward network is chosen based on the back-propagation (BP) algorithm. Latitude, longitude, and height are chosen as the input vectors of the network while temperature is the output vector. The temperature observations during the period from 13 January through 16 March 2007, which are in the same satellite yaw, are taken as samples to train an ANN. Results suggest that the network has high quality for modeling spatial variations of temperature. Quantitative comparisons between the ANN outputs and those from the popular empirical NRLMSISE-00 model illustrate their generally consistent features and some specific differences. The NRLMSISE-00 models zonal mean temperatures are too high by ～6 K--10 K near the stratopause, and the amplitude and phase of the planetary wave number 1 activity are different in some respects from the ANN simulations above 45--50 km, suggesting improvement is needed in the NRLMSISE-00 model for more accurate simulation near and above the stratopause.     

COSMIC反演精度和有关特性的检验

COSMIC是一个由6颗低轨卫星组成的用于天气、气候和电离层观测的空基GPS星座观测系统, 从2006年9月开始每天可提供覆盖全球的约2000~3000个掩星点, 掩星过程可提供从40 km高空到近地面的大气温、压、湿的廓线资料。为了有效利用这些资料, 以探空资料为基准, 对2007年1-10月我国及邻近区域的COSMIC掩星资料进行精度、可用性和全天候性的检验。结果表明: COSMIC反演的温度和折射率的精度很高, 水汽压的精度相对较差。与NCEP/NCAR再分析资料相比, 折射率和湿度廓线有更高精度。     

实时GPS水汽探测技术中的电离层延迟订正

在水汽监测网中,利用精密预报星历得到的结果与精密星历的结果相差很小,因此可以采用精密预报星历进行实时的水汽探测。由于电离层延迟对水汽影响较大,因此必须加以消除。详细地介绍了Klobuchar模型、双频观测值求解电离层延迟和双频观测值线性组合无电离层延迟3种方法的推导过程。将3种方法消除电离层延迟的影响大小作一比较,认为双频观测值线性组合无电离层延迟是最好的方法。     

地基GPS在暴雨预报中的应用进展

加密的地基GPS全球定位系统网具备监测中小尺度天气水汽变化的功能.利用对流层延迟与水汽之间的关系,可以建立地基GPS水汽反演方法以获取大气可降水汽总量PWV和斜路径水汽含量SWV,并通过层析算法得到三维水汽分布.PWV的时间变率、PWV水平梯度变率和区域PWV水汽辐合辐散量定量反映了水汽输送以及区域水汽增减,PWV时间序列的初始峰值在暴雨临近预报中有重要的指示意义,地基GPS网的PWV可以作为数值天气预报模式的重要资料.不同指向的SWV可以表征测站周围水汽的非均匀性质,SWV和三维水汽层析可有效用于中小尺度天气的湿度分析和降水的定量预测.结合掩星GPS和其他探测信息,GPS/MET可以在暴雨监测预报中发挥更重要的作用.     

FY-3 IRAS水汽通道亮温正演精度改进方法

卫星大气探测仪器的正演模拟是卫星资料同化和定量遥感的基础, 同CO₂吸收通道相比, 目前红外水汽探测通道的亮温正演模拟误差较大。利用国际上通用的TIGR (thermodynamic initial guess retrieval database) 43廓线库作为训练样本, NESDIS (national environment satellite, data and information service) 35廓线库作为独立检验样本, 对水汽廓线按照整层大气水汽总量为阈值进行分组训练, 基于RTTOV (radiative transfer for TOVS) 模型训练获得风云三号气象卫星红外分光计的正演回归系数并模拟计算观测亮温。以0.045 kg·m-2作阈值进行分组训练为例, 结果表明:该方法可有效改进水汽通道亮温的正演精度, 特别是对低水汽含量廓线的模拟精度改进比较明显, 最大可达0.17 K。进一步分析表明:分组训练方法改进水汽通道辐射模拟精度的原因是提高了水汽光学厚度的计算精度。     

对流层水汽和液态水的地基微波遥感探测

本文论述了遥感对流层水汽和液态水的新型双通道微波辐射计的设计原理和结构特点，给出了不依赖无线电探空资料的系统定标方法。讨论了水汽总量和云中液态水含量的统计反演法以及水汽垂直分布的迭代反演法。最后给出了1989年夏季中尺度预实验观测中辐射计的部分观测结果及其与无线电探空仪的对比。