基于FY-4A温湿廓线的强对流过程探空检验及应用分析

选取2019年2月至2020年2月广西区域内出现强对流天气的时段,将区内6个探空站温湿廓线资料以及ERA5数据作为基准检验,分析了FY-4A卫星温湿廓线的误差情况,结果表明：(1)无云条件下FY-4A温湿度廓线的偏差相对较小。相对于探空数据,质量控制为0和1的样本均方根误差RMSE范围在1.04～4.16℃,总体RMSE为2.61℃,850～700 hPa、600～500 hPa以及250 hPa上误差较小,RMSE均小于2℃。FY-4A与ERA5温度廓线的差异分布与探空结果相近,RMSE范围为1.01～4.15℃,总体RMSE为2.19℃,925～400 hPa以及250 hPa上RMSE均小于2℃。(2)无云条件下FY-4A湿度廓线总体RMSE为61.06%,低值区位于900～700 hPa,平均约为20.51%。在500 hPa附近误差最大,可能与干空气入侵导致垂直方向上含水量突变有关。总体而言对流层低层误差较高层小。(3)个例中重构的T-Inp图能一定程度上还原大气上下层的温湿结构特征,但对于层结稳定度以及不稳定能量的定量估计还存在一定偏差。经质量控制后的温度数据较好地反映了冷...     

利用GPS的倾斜路径观测暴雨过程中的水汽空间分布

利用青藏高原地区COSMIC掩星资料反演的大气湿廓线WetPrf数据和8个站点的探空数据,分析了COSMIC反演大气廓线和可降水量与探空观测的偏差,并考查了偏差随高度的变化特征。结果显示：(1) COSMIC反演的温度、压强和水汽压廓线与探空观测具有很好的正相关;与探空观测相比,COSMIC的温度、压强和水汽压的偏差为-0.2 ℃、1.7 hPa和0 hPa,均方差为1.8 ℃、1.6 hPa和0.4 hPa;COSMIC反演大气廓线与探空观测的偏差基本上在大气低层较大,然后随高度增加而减小。(2) COSMIC反演的可降水量与探空观测正相关较好;COSMIC反演的可降水量低于探空观测,两者的偏差为-5.0 mm,均方差为5.7 mm;两者的负偏差在大气低层最明显。(3)探空观测在近地层的不稳定性和COSMIC反演方法中背景模式在青藏高原地区描述大气状态的能力有限,是造成COSMIC反演大气廓线和探空观测的偏差在近地层较大的主要原因;COSMIC观测的折射率偏小导致其反演的可降水量偏低。

     

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。      

风云卫星的掩星干大气温度廓线精准度特征

风云三号气象卫星C星/D星/E星的掩星接收机接收GPS和北斗导航卫星信号,形成掩星事件,进而反演得到大气温度廓线。利用2016—2022年FY-3C/3D/3E GPS和北斗掩星干大气温度廓线,通过与ERA5再分析资料对比,分析掩星干大气温度的精准度特征。结果表明：掩星干大气温度廓线在200 hPa至20 hPa间精度最高,标准偏差约为1 K,且GPS与北斗掩星的误差特征相近。在稳定度方面,FY-3C GPS掩星干大气温度平均偏差线性变化趋势为-0.0055 K·a-1,与国外同类掩星资料稳定性相当。因2021年初掩星天线多径效应订正,FY-3D GPS掩星干大气温度与ERA5再分析资料的平均偏差出现明显跳变,平均偏差值从-0.154 K降为-0.007 K, 负偏差显著减小。总体上,FY-3C GPS掩星干大气温度廓线长序列稳定度较好,北斗掩星干大气温度廓线精度能够达到或优于GPS,风云极轨卫星序列的GPS和北斗掩星在长序列稳定性上具有良好的应用前景。     

COSMIC反演大气温湿廓线与模式客观分析场的比较

利用2009年不同季节COSMIC湿反演的大气温度和相对湿度廓线数据,分别与时、空相匹配的ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,欧洲中尺度天气预报中心)、NCEP(National Centers for Environmental Prediction,美国环境预报中心)模式客观分析场和无线电探空观测数据,进行全球范围的比较分析.初步研究表明,无论夏季还是冬季,各种资料源之间相互比较的偏差和标准差分布相似,与季节无关.就温度而言,三种资料源的温度水平、垂直分布都很接近,ECMWF模式数据比NCEP不论是温度廓线还是湿度廓线都更接近COSMIC反演值.模式的水汽客观分析场在对流层基本上都比无线电探空观测值偏湿,对流层中高层在大部分海洋地区也比COSMIC反演场偏湿.COSMIC反演的相对湿度相对于无线电探空整层偏大,具有明显正偏差,在300 hPa偏差达最大值(约30%).     

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。     

COSMIC掩星资料反演青藏高原大气廓线与探空观测的对比分析

利用青藏高原地区COSMIC掩星资料反演的大气湿廓线Wet Prf数据和8个站点的探空数据,分析了COSMIC反演大气廓线和可降水量与探空观测的偏差,并考查了偏差随高度的变化特征。结果显示:(1)COSMIC反演的温度、压强和水汽压廓线与探空观测具有很好的正相关;与探空观测相比,COSMIC的温度、压强和水汽压的偏差为-0.2℃、1.7 h Pa和0 h Pa,均方差为1.8℃、1.6 h Pa和0.4 h Pa;COSMIC反演大气廓线与探空观测的偏差基本上在大气低层较大,然后随高度增加而减小。(2)COSMIC反演的可降水量与探空观测正相关较好;COSMIC反演的可降水量低于探空观测,两者的偏差为-5.0 mm,均方差为5.7 mm;两者的负偏差在大气低层最明显。(3)探空观测在近地层的不稳定性和COSMIC反演方法中背景模式在青藏高原地区描述大气状态的能力有限,是造成COSMIC反演大气廓线和探空观测的偏差在近地层较大的主要原因;COSMIC观测的折射率偏小导致其反演的可降水量偏低。     

利用气象卫星资料反演大气温度廓线的初步试验

气象卫星垂直探测资料在国外已广泛用于数值天气预报中,本文介绍了由气象卫星垂直探测资料反演大气温度廓线的方法及回归反演系数的计算。最后给出了利用NOAA-7 TOVS资料反演大气温度廓线的试验结果。试验结果与常规探测温度的比较表明:绝对平均偏差和均方根误差在各等压面上大致为2—3℃。     

应用FY-3A/MWHS资料反演太平洋海域晴空大气湿度廓线

发展Smith迭代算法,建立适用于微波波段的物理迭代算法。采用搭载于FY-3A卫星之上的微波湿度计亮温数据及矢量辐射传输模式,对我国西北太平洋海域晴空区域的大气水汽廓线进行反演计算。反演得到的水汽廓线与MODIS水汽廓线产品比较,单点结果表明,反演混合比廓线与MODIS水汽廓线趋势一致,下层水汽反演能力较中上层强;500 hPa水汽场反演结果表明,可基本反映水汽干湿中心分布情况,反演水汽混合比值与MODIS产品相比偏低。经统计所有气压层反演结果与MOD07水汽廓线产品相比偏差均控制在5.76 g/kg以内。      

上对流层/下平流层GPS掩星资料与我国探空温度对比

本文使用CDAAC(COSMIC Data Analysis and Archival Center)提供的1995—2010年GPS掩星干反演大气温度和我国无线电探空温度资料,选择临近的廓线进行匹配,以掩星资料为基准,分析上对流层/下平流层区域(200～30 hPa)探空温度与掩星温度之间的偏差。分析多种时空匹配条件下总的温度偏差和标准差的结果表明,匹配条件对偏差平均值影响较小,主要影响偏差标准差,选择探空和掩星廓线时间差小于3 h、距离小于200 km作为匹配条件。就全国平均而言,探空温度和掩星温度相差很小,其中在上对流层的偏差大于下平流层,偏差的标准差随高度增加而变大。在上对流层昼夜偏差都为正,下平流层白天为正、夜间为负,温度偏差和标准差在白天大于夜间,说明掩星资料具有足够的精度可以识别出太阳辐射对我国探空温度的影响。偏差在低纬较大,随纬度升高逐渐减小,与使用掩星资料计算的大气垂直减温率有较好的对应关系,其变化特征与探空滞后误差比较一致,说明使用掩星资料可以辨别滞后误差对探空资料的影响。就全国平均而言,L波段探空仪和59型探空仪的平均温度偏差都相对较小,但在不同纬度表现不同;在低纬地区二者偏差对比明显,59型探空仪具有较大的偏差,L波段探空仪偏差较小,高纬地区二者偏差相对都较小;59型探空仪的偏差标准差始终大于L波段探空仪。结果说明掩星资料可以分辨仪器换型对温度偏差的影响,探空仪的升级使我国探空资料的精准度提高,特别在纬度较抵的区域,偏差的改进更加明显。     

L波段秒级探空资料在GRAPES同化系统中的应用研究

我国探空站的探空系统升级为L波段探空系统后,可以获取全国120个站点连续自动测定的高空温、压、湿、风等高垂直分辨率秒级和分钟级探空廓线数据。为了分析高垂直分辨率探空秒级资料水平和垂直结构特征,并将其应用于区域GRAPES-3DVAR变分同化预报系统中,文章比较秒/分钟级探空与传统探空资料使用对资料同化预报带来的影响。试验中使用2011年6—7月资料进行分析,结果发现:秒级探空资料具有水平分布均匀,垂直结构非常密集的特点;在850、500 hPa等层次上高度分析比传统探空分析更接近NCEP分析,显示出对分析场的改进效果;同时风场在200 hPa以上的高层分析中改进显著,表现出高分辨率资料使用在高层分析中对系统模拟更加准确的特征。由于模式预报初值的改进,降水预报评分有所提高,预报偏差明显变小。因此高垂直分辨率秒级探空资料的使用对数值模式分析初值及预报的改进有着积极的意义,这为进一步开发利用秒级探空资料打下基础。     

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。     

2021年2月北美极端低温暴雪的卫星遥感监测

利用气象卫星数据和欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据,在开展卫星数据误差分析的基础上,研究2021年2月北美冬季风暴乌里发生的气候背景、发展演变、极涡活动对乌里的触发作用及造成极端低温和降雪的大气影响因子等。结果表明:与ERA5温度相比,FY-3D/VASS温度在北美地区100,400 hPa和850 hPa的平均绝对偏差分别为1.14℃,1.44℃和2.63℃,可满足冬季极端冷事件监测服务需求;2021年2月北美大陆冷空气活动关键区(50°～80°N,50°～150°W)西部温度较历史同期偏低4～8℃,2月上旬冷空气强度最强,温度距平百分比达70%;在东北太平洋暖高压脊引导下,极涡加强南下,极涡中心西侧横槽转竖过程中冷空气向南爆发,对流层中高层高位涡异常南伸为乌里的生成提供了高层动力强迫,低层冷空气南下和墨西哥湾沿副热带高压西侧向北输送的暖湿气流在美国南部交汇,触发了乌里低层低涡及云系的快速发展;造成强降雪的风暴乌里云系具有对流特征,冷锋云带和头部云顶亮温大部分低于-40℃,部分低于-52℃,闪电活跃。     

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。     

对流层平流层往返式平漂探空气球系统的动力热力过程理论分析与数值试验

往返式平漂探空观测是我国正在研究实施的一种新型探空观测方式,可有效提高观测效率和经济效益,对克服常规探空观测缺陷、改善数值预报质量具有重要的意义。本文针对平漂探空上升和平漂阶段的热力、动力过程特点及其主要影响因子,构建了平漂探空系统的热动力理论模型,并结合实际观测试验进一步分析验证了理论模型的可靠性。研究结果对往返平漂式探空系统的设计和完善具有重要的理论支撑和实用价值。     

FY-3C微波湿温探测仪辐射测量特性

2013年9月发射的FY-3C是我国第2代极轨气象卫星的第3颗星,其上装载的微波湿温探测仪在118 GHz氧气吸收线和183 GHz水汽吸收线设计了两组大气探测通道,在大气窗区设置了89 GHz和150 GHz探测通道。为保证微波湿温探测仪在轨定量应用,卫星发射前完成了地面热真空试验。该文介绍了热真空定标试验原理,并对FY-3C微波湿温探测仪正样产品真空试验数据进行了定量分析。数据分析结果表明:FY-3C微波湿温探测仪正样产品15个探测通道的灵敏度均满足设计指标要求,各通道观测亮温间相对独立,定标准确度优于1.6 K,真空试验过程中微波湿温探测仪定标结果稳定。FY-3C微波湿温探测仪发射前热真空定标特性分析结果为仪器在轨定量应用奠定了基础。     

风廓线雷达组网资料初步对比分析

以L波段探空雷达探测到的水平风为标准对全国风廓线雷达探测到的水平风的可信度进行评估,得到:风廓线雷达探测到的水平风在700 hPa高度以下与L波段探空雷达测风有较好的一致性;并且将风廓线雷达探测到的垂直速度与同址地面自动气象站观测到的1 h雨量进行相关性分析,得出垂直速度大小能很清楚地反映降水的开始、结束以及降水的强度;最后将全国风廓线雷达探测到的水平风进行组网对比分析,得出全国风廓线雷达探测得到的水平风在700 hPa高度下是可信的,风向可信度随探测高度的增加而增大。风速可信度随探测高度的增加而降低。     

59型与L波段探空仪温度和位势高度记录对比

利用全国探空系统换型时获取的70个高空台站的对比观测数据,计算了59型探空仪和L波段探空仪温度和位势高度的差异,分析了探空仪换型对于探空数据一致性的影响。结果表明:就全国平均而言,在100 hPa特别是在400 hPa以下高度,两套系统提供的温度和位势高度观测值没有明显的系统差异;但在70 hPa以上高空,59型探空仪测定的规定等压面温度比L波段探空仪低0.1～0.7℃,导致位势高度在20 hPa高度时偏低达30 m左右,换型前后变化明显。系统差异的产生与59型探空仪的生产厂家、施放地区和季节关系较大,进一步分析表明:太原厂生产的探空仪测得的温度在对流层偏高,在平流层偏低,位势高度在对流层偏高,在平流层逐步转为偏低;上海厂生产的探空仪测得的温度全程偏低,引起位势高度也全程偏低,因此两个厂家的59型探空仪相对于L波段的温度和位势高度系统差也有明显不同。用户在使用局部地区高空站59型探空仪的观测数据时需了解该59型探空仪的生产厂家。