基于高空气球平台的下投探空:系统研发和青藏高原实验

为提高复杂地理环境和极端天气条件下的大气廓线探测能力,本文自主研发了基于平流层高空气球平台的下投探空系统,并在青藏高原开展探测评估实验.该系统主要由下投探空舱,携带降落伞的下投探空仪,下投施放装置,数据接收通讯天线和GPS模块等组成.下投探空仪测量数据通过卫星通信链路和无线电信号实时发送至数据接收机存储处理.2020年青藏高原实验中8枚下投探空仪全部成功施放,提供了合理有效的大气廓线探测数据.后续会进一步提高下投探空仪传感器性能,全面评估其探测准确性和精度.     

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。     

基于高空气球平台的下投探空:系统研发和青藏高原实验（英文）

为提高复杂地理环境和极端天气条件下的大气廓线探测能力,本文自主研发了基于平流层高空气球平台台的下投探空系统,并在青藏高原开展探测评估实验.该系统主要由下投探空舱,携带降落伞的下投探空仪,下投施放装置,数据接收通讯天线和GPS模块等组成.下投探空仪测量数据通过卫星通信链路和无线电信号实时发送至数据接收机存储处理.2020年青藏高原实验中8枚下投探空仪全部成功施放,提供了合理有效的大气廓线探测数据.后续会进一步提高下投探空仪传感器性能,全面评估其探测准确性和精度.     

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。      

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。     

中高层大气探测技术的研究进展

探测技术的发展和探测仪器的研制是中高层大气研究的重要方面,利用单一的探测技术无法完成这个相当宽的高度范围大气状态参量的测量,需要采用多种探测手段综合得出这一区域的大气结构。本文结合国际上中高层大气探测技术的发展,主要从雷达的地基遥感,高层大气探测卫星的探测及无线电掩星技术,大气参数的气球、火箭、飞船探测方面回顾了我国近几年间的研究进展。     

地基微波辐射计探测资料质量控制方法

微波辐射计具有24 h不间断工作、时间分辨率高等优点,是常规探空的有益补充。天线罩上的积水、无线电干扰等会导致微波辐射计探测数据出现错误。因此,开展质量控制是合理使用微波辐射计探测资料的基础。该文利用上海宝山站历史探空资料和世博园站MP-3000A型地基微波辐射计温湿度数据,设计了极值、时间一致性、空间一致性检查等适用于微波辐射计探测资料的质量控制方法,针对2012年1月-2013年12月降水、有云（有云无降水）、晴空等不同天气条件下得到的微波辐射计探测资料分别开展质量控制,并对质量控制效果进行定量分析。结果表明:上述方法能有效查找温（湿）度超过极值、温（湿）度突变、温度层际变化大等各类疑误廓线,疑误廓线类型和频数与天气条件有关,其中降水天气的各类疑误廓线频数远远高于无降水天气（有云和晴空）。去除疑误廓线后,与同期探空资料的相关系数增加,均方根误差减小。     

风廓线雷达反演大气比湿廓线的初步试验

基于湍流散射理论,运用边界层风廓线雷达 (WPR) 联合RASS (Radio Acoustic Sounding System), GPS/PWV (Global Position System/Precipitable Water Vapor) 进行全遥感系统的大气比湿廓线反演试验,并对影响因子进行分析。利用2011年8—9月云南大理综合探测试验数据的反演结果与探空数据进行比较分析,结果表明:WPR联合探空的温度廓线和起始边界比湿 (q₀) 反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线相比具有相同的变化趋势,标准差为0.84 g·kg-1,误差随高度增加呈递增趋势;WPR联合RASS, GPS/PWV数据反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线的标准差为0.85 g·kg-1。参加反演的数据中,折射指数结构常数C_n2与谱宽σ_turb2对反演影响最大,反演算法中大气折射指数梯度M符号的判断对反演精度也有较大影响。     

多普勒雷达风廓线资料可用性评估

利用阳江大气探测基地拥有多普勒雷达、L波段探空雷达和地面观测站于一体的条件,将多普勒雷达高密度的VAD风廓线资料与L波段雷达资料进行对比,分析其相关性,得出多普勒VAD风廓线资料在探测资料齐全时,与L波段雷达资料变化趋势一致;一般情况,多普勒风廓线探测值比同一层的探空风偏小;多普勒风廓线RMS误差资料代表多普勒风廓线资料与探空资料的一种差异趋势。     

基于一维变分算法的地基微波辐射计遥感大气温湿廓线研究

为研究地基微波辐射计遥感温、湿度廓线的一维变分算法的反演能力,用北京地区2010—2011年00和12时(世界时)的多通道地基微波辐射计亮温资料进行试验。首先,利用同时次的地面观测资料、红外亮温(由地基微波辐射计自带红外传感器测得)及探空观测数据,给出提取无云样本的方案,得到432个无云样本;再以辐射传输模式计算得到的模拟亮温为参考,对无云条件下的观测亮温进行质量控制;然后利用探空数据进行模拟试验,结果发现,一维变分算法对3 km以下的温度廓线有较大调整。使反演结果更加接近探空,而对湿度廓线在0—10 km都有不同程度的优化;最后利用一维变分算法对地基微波辐射计观测亮温进行大气温湿廓线反演,将结果与探空对比可以看出,温度廓线的均方根误差小于2.9 K,绝对湿度的均方根误差小于0.47 g/m~3;进一步与地基微波辐射计自带神经网络的反演结果比较表明,一维变分的反演结果更接近实际大气。     

往返平飘式探空观测系统对CMA-MESO的影响研究北大核心CSCD

往返平飘式探空观测是我国研发的一种新型高空观测技术,除了具备与传统探空观测一致的上升段大气垂直廓线观测能力,同时还增加了平飘段和下降段的大气探测,自动实现了探测廓线的时空加密。利用ERA5再分析资料作为“真值”,利用往返平飘式探空模拟仿真系统构造了往返式探空模拟观测,基于CMA-MESO区域模式和3D-Var同化系统进行了观测系统模拟试验(Observing System Simulation Experiments,OSSEs)。数值试验结果表明:相比传统单次上升段探空观测,往返平飘式探空在全国组网的情况下,其增加的下降段模拟探空观测,能够有效提高CMA-MESO的降水预报技巧,不同降水量级的ETS评分提高约2%~5%,同时改进要素场(温、湿场和风场)的预报,改进率约为2%~5%。此外,典型天气个例分析结果表明,增加往返平飘式探空观测能够改善模式初值偏差,从而更准确地模拟降水分布。该文的研究结论为往返平飘式探空的未来科学布局和应用提供了理论支撑。     

L波段探空高分辨率廓线中近地层信息分析及相关模型

L波段高空气象探测系统的更新换代,提高了大气探测精度,L波段＂秒级＂数据为垂直高分辨率廓线探测信息的获取提供了气象要素再分析的基础平台。为了探讨L波段探空垂直高分辨数据应用的可行性,考虑到用于对比分析的其他观测系统获取＂秒级＂＂高时间密度＂同步观测数据的设备条件,本文重点选用了JICA（中日气象灾害合作研究中心项目）PBL（行星边界层）通量铁塔梯度观测系统来进行对比分析,并构造L波段探空再分析与通量铁塔近地层气象信息相关模型。研究结果表明,L波段探空垂直高分辨率廓线近地层数据能够较好地描述大气边界层内近地层温、湿、压;所建立的温、湿、压模型具有推算PBL铁塔近地层的温、湿、压的可行性。研究结论可为L波段高分辨率垂直廓线再分析平台及其对大气结构描述可行性提供具有应用价值的技术基础。基于L波段高分辨率垂直廓线再分析信息平台的构造,将有助于开发全国L波段探空在数值模式应用方面的潜力,推进探空垂直高分辨信息在数值模式同化系统中新技术的发展。     

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...     

MP-3000A型地基微波辐射计在乌鲁木齐探空站的辅助性探测研究

将乌鲁木齐探空站400Mhz电子探空数据与MP-3000A型地基微波辐射计探测数据进行比较,主要分析了距地高度在0—10000m的58个高度层的温度、相对湿度误差情况,分析了误差产生的原因,简单介绍了地基微波辐射计物理量垂直廓线图的实际应用情况,认为MP-3000A型地基微波辐射计提供的物理量垂直廓线图在监测和分析天气系统方面有一定的优势;地基微波辐射计的探测准确性远低于传统气球探空,准确性不高是目前的主要问题;地基微波辐射计还需要在实践中不断改进和完善;气象技术人员还需要不断积累地基微波辐射计的应用经验和技巧;地基微波辐射计在气象领域的前景较好。     

MP-3000A型地基微波辐射计在乌鲁木齐探空站的辅助性探测研究

将乌鲁木齐探空站400 MHz电子探空数据与MP-3000A型地基微波辐射计探测数据进行比较,主要分析了距地高度在0～10000 m的58个高度层的温度、相对湿度误差情况,分析了误差产生的因为,简单介绍了地基微波辐射计物理量垂直廓线图的实际应用情况.认为MP-3000A型地基微波辐射计提供的物理量垂直廓线图在监测和分析天气系统方面有一定的优势;地基微波辐射计的探测准确性远低于传统气球探空,准确性不高是目前的主要问题;地基微波辐射计还需要在实践中不断改进和完善;气象技术人员还需要不断积累地基微波辐射计的应用经验和技巧;地基微波辐射计在气象领域的前景较好.     

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。     

GPS可降水量在华南强对流过程的应用效果

利用广东省GPS地基网探测得到的大气可降水量数据,结合多种探测资料、NCEP客观分析资料等进行分析,检验地基GPS探测PWV的精度与误差,并对PWV在2014年前汛期一次强对流过程的变化特征进行分析。检验结果表明,GPS探测PWV与探空PWV之间均方根误差在3.05~4.07 mm范围内,相关系数在0.92~0.95范围内,符合业务使用的需求。相比于NCEP客观分析资料,GPS探测PWV时间分辨率更高、准确性更好,因此尝试使用风廓线雷达、无线电探空数据与PWV进行融合,开发单站比湿、水汽通量等水汽产品,探测局地水汽的增长,反映强对流天气过程期间低空水汽输送通道的建立。此外,PWV空间分布的大值区能够揭示水汽辐合区,其变化同时也预示着雷暴单体和多单体雷暴发展和传播方向的变化。     

应用风廓线资料分析强降水过程

“廓线仪”是一种遥感探测器,现已发展为一套综合的遥感系统,可以探测多个气象要素（如：风、温度、水汽……等）。对于短时预报、及时探测大气实况有十分重要的意义。本文主要应用香港天文台廓线仪测风资料,分析１９９７年６月２８日至７月８日的强降水过程,并结合雷达资料进行综合分析,目的是：探索新技术应用途径和方法;揭示廓线仪风资料的垂直环境场气流分布和现象;通过分析的结果对日常天气预报业务提供参考依据。１　天气背景概况　　１９９７年６月３０日至７月８日期间,广东出现了连续暴雨过程。该过程的特点：范围广、时间…     

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。     

地基微波辐射计低空大气逆温探测能力分析

利用西安泾河站MWP967KV型地基微波辐射2019年6月—2021年5月温度数据,与同期探空观测数据进行对比,检验地基微波辐射计反演温度的准确性;将两种观测方式所探测的逆温参量进行对比,从而分析地基微波辐射计逆温探测能力。结果表明：MWP967KV型地基微波辐射计反演温度廓线在2 km以下精度较高。地基微波辐射计观测逆温出现频率与探空观测类似,并能很好地探测低层200 m以下的逆温,对于高空500 m以上的逆温无法监测到。地基微波辐射计观测的逆温强度、逆温厚度均小于探空观测。地基微波辐射计对逆温日变化有较好的监测能力,填补了常规探空观测的空白。