一种利用天空辐射计反演大气总水汽量的算法研究

传统计算大气总水汽量是利用改进的Langley方法,通过准确测定传感器的光谱响应函数结合辐射传输方程模拟大气中水汽透射比并反演总水汽量。而本文提出了一种根据天空辐射计940 nm通道的太阳直接辐射资料反演晴空条件下大气柱总水汽量的算法,该算法直接根据天空辐射计的观测数据估算了描述大气中水汽透射比的参数(a和b),而不依赖于光谱响应函数的精确测量;反演得到的a和b值包含了观测站温度、气压和湿度垂直廓线的季节变化等信息,不受模式模拟误差的影响。利用2009年3-8月兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)天空辐射计资料,用该算法获得了观测时期内大气总水汽量,然后利用同期探空资料反演的水汽量验证天空辐射计反演和微波辐射仪观测的水汽量。结果表明,这两种方法得到的水汽总量都是可靠的。天空辐射计与微波辐射仪、CE318型太阳光度计的反演水汽量表现出较好的一致性,拟合斜率值分别为1.03和1.64,相关系数均0.95,相对误差在2.1%~11.3%范围内。该算法可广泛应用于东亚地区天空辐射计网(SKYNET)对总水汽量的反演。     

微波辐射计观测同降水相关性的研究

利用南阳站微波辐射计反演产品数据,结合L波段探空、多普勒天气雷达和地面雨量等资料,分析了2017年6月4—5日南阳地区一次降水过程中水汽与液态水变化特征,并对2017年6—8月不同降水条件下该地区的水汽与液态水总含量进行了统计。结果表明:微波辐射计反演的产品数据较准确,可靠性较强,可应用于日常业务工作和科研中。降水开始前,水汽总含量与液态水总含量明显增加,随着降水减弱结束,水汽总含量与液态水总含量减少。利用这一现象,可以将水汽和液态水的变化作为选择人工影响天气作业最佳时机的辅助判别条件。对比同时刻、同位置的雷达和微波辐射计资料发现,水汽总含量和液态水总含量跃增时对应较强雷达回波。水汽总含量达到5 cm、液态水总含量达到1 mm,可以作为判断南阳地区夏季降水开始的参考值。     

一次锋面气旋云系中强对流云团的识别

利用NOAA-16/AMSU-B微波亮温资料和GOES-9光学遥感资料对2004年6月16日一次锋面气旋云系中的强对流云团进行识别, 尝试了NOAA-16/AM SU-B微波两窗区通道亮温、3个微波水汽通道间亮温差, GOES-9红外亮温阈值、水汽和红外通道亮温差、红外和水汽通道亮温多光谱逐个修改聚类等方法, 通过比较各种方法的识别结果, 分析各种识别技术的特点, 同时采用地面常规观测资料进行叠加, 对识别方法进行了验证。结果表明:微波对强对流云团均能较好识别, 但89 GHz通道亮温受地表影响较大, 不能很好剔除过冷水体, 150 GHz通道亮温与微波水汽通道间亮温差的识别结果较一致, 3个微波水汽通道间亮温差对阈值的依赖性相对较小; GOES-9红外亮温阈值因其随时空变化对识别结果会造成较大差别, 而水汽和红外通道亮温差对强对流云团能进行较好定位, 但识别范围较小, 多光谱逐个修改聚类方法对积雨云的识别效果较好, 且和NOAA-16/AMSU-B识别结果有较好的对应关系; 地面常规观测资料的叠加结果也说明, 多波段遥感资料对强对流云团的识别结果与当时的天气现象及积雨云状均有较好的对应关系。     

利用地基遥感方法监测大气中汽态、液态水含量分布特征的分析

文章根据1992～1994年4～6月间利用北京大学研制的新一代双通道共天线地基微波辐射计在河北省石家庄等地的监测资料,分析了晴空、有云无雨两种天气条件下,大气中积分汽态水、液态水含量的分布特征,两种相态大气含水量的相对分布特点。结果表明,在有云无雨的天气条件下,云中液态水积分含量仅占大气中总水量的1%,说明作为人工增雨资源条件的云中液态水含量仅占大气总水量的一小部分。因此,分析认为,以往通常采用大气中水汽含量评估人工增雨资源条件的方法,存在着不确切性。     

基于ERA5的快速辐射传输模式与FY-4A成像仪观测结果的偏差分析

2016年12月发射升空的FY-4A是中国第二代静止轨道气象卫星,该星上搭载了可提供东半球近实时高分辨率卫星观测数据的扫描辐射成像仪——AGRI（Advanced Geostationary Radiation Imager）。在其观测数据应用于大气参数反演或同化前,数据偏差的定量化分析是一个必要环节。采用快速辐射传输模式RTTOV（Radiative Transfer for the TIROS Operational Vertical Sounder）,基于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第5个全球再分析数据产品（ERA5）对AGRI的7个红外通道（通道08—14）进行了模拟,并利用MODIS云检测产品对模拟结果进行了晴空筛选,以期得到一些对AGRI的定量应用有价值的偏差分析结果。观测-模拟（O-B）的偏差分析结果显示:海洋和陆地上,通道10（7.1 μm）存在明显大于其他红外通道的系统性偏差,这很可能来源于ERA5在对流层中层对水汽的高估。通道08为近红外短波通道,地表反射作用影响强烈,陆地上存在较大的平均偏差,而海洋上平均偏差小于0.4 K。通道14在ERA5近地层气温偏高及定标偏差的影响下,海洋存在接近1 K的平均偏差;陆地上存在2 K左右的平均偏差。其余各红外通道在海洋和陆地上的平均偏差分别在0.6和1.3 K以下。偏差影响因子分析结果显示:地表海拔高度、观测天顶角对偏差也存在一定程度的影响;海洋上偏差分布存在季节变化可能来源于再分析资料中海表温度估算的季节性误差。      

两波段微波辐射计遥感云天大气的可降水和液态水

本文在薄大气近似下计算了1.35cm和8.5mm波段上云天大气辐射传输,建立了微波辐射亮度温度与云中液态水含量、大气衰减与水汽总量的经验关系,讨论了由两波段的辐射测量遥感云天条件下的水汽总量和云中含水量的方法,并进行了实验验证.在我们的实验条件下,微波遥感的云天水汽总量与探空值的相对偏差约为10%.     

预估临边探测大气温度和水汽廓线的反演精度

针对在研仪器——大气辐射超高光谱探测仪的临边探测模式,模拟计算了大气温度和水汽的权重函数。以此为基础,利用信息量和权重函数线性化方法,结合仪器的可探测亮温阈值0.3 K,计算并分析6种大气状态下,大气温度和水汽混合比廓线在不同反演精度条件下可获得的光谱通道数,在满足最佳光谱通道数200的要求下,理论上预估其反演精度。温度廓线整体反演精度为0.6 K,水汽混合比廓线反演精度可达到5%,但热带大气在16~20 km高度的水汽廓线反演精度仅为10%。反演精度预估,仅提供了一种全面认识仪器性能的方法,精度的确定还有赖于真实探测数据的获取和反演方法。     

应用AMSU-B微波资料识别强对流云区的研究

微波遥感可以穿透云顶直接探测对流云内的冰态粒子分布,受冰晶粒子的强烈散射衰减作用,AMSU-B的3个微波水汽吸收波段亮温随冰粒子的增加而降低.由于探测权重高度不同,辐射传输过程中受冰粒子的散射影响也不尽相同,3个水汽通道之间存在亮温差异,这种差异与对流云的强弱密切相关.利用微波向量辐射传输模式(VDISORT)模拟了云雨粒子对微波水汽通道观测的影响,并利用2005年8月12日华北地区的对流天气过程,分析了AMSU-B通道亮温与对流强弱变化之间的对应关系.在此基础上,建立了一种利用NOAA卫星AMSU-B水汽通道亮温差定量判识深对流云和冲顶对流云的方法.利用该方法对典型对流降水云团进行判识,结果显示,微波识别的对流云区可以较好地表征强降水的分布,其中的冲顶对流区与可见光云系的上冲云顶结构有着很好的对应.     

基于多源资料的一次暖区暴雨水汽特征分析

利用常规气象观测资料、NCEP逐6 h再分析资料(1°×1°)、微波辐射计资料以及HYSPLIT模式等,对2021年7月5日冀中平原一次暖区暴雨过程的水汽输送特征进行对比分析。结果表明：应用HYSPLIT模式模拟分析后发现,本次过程中925和850 hPa降水开始前比湿在12 g/kg以上,是暴雨区的主要水汽贡献者,其主要水汽通道为西南路径,水汽贡献率分别占57.57%和63.64%。源自黄海或途径黄海、渤海等地的气块在东南转西南气流的引导下为暴雨区低层带来丰富的水汽,同时源自亚欧大陆中高层的气块,随着西风带长波槽脊的运动,为暴雨区上空500 hPa带来干空气,构成上干下湿的不稳定层结。降水开始前,925和850 hPa在相应引导气流的作用下,水汽不断向冀中平原输送,使得优良的水汽条件主要集中于低层大气,与HYSPLIT模式模拟结果一致。通过微波辐射计对降雨过程的水汽特征进行分析,结果表明在降雨开始前,700 hPa以下高度的水汽含量有明显增加,水汽密度最大达到14 g/m³。分析3种不同资料得到相似结论,但HYSPLIT模式和微波辐射计两种高时空分辨率资料的应用...     

用红外和水汽两个通道的卫星测值指定云迹风的高度

提出了一种改进的用红外和水汽两个通道的测值指定云迹风高度的算法。利用红外水汽散点图和云迹风本身自动地将有低云的目标区、有半透明卷云的目标区、有密蔽高云的目标区分开。在有低云的目标区和有密蔽高云的目标区用红外一个通道指定云高。在有半透明卷云的目标区用红外和水汽两个通道指定云高。在用两个通道的测值指定云高时，假定卷云高度以上不存在水汽，以红外和水汽两个通道亮温相同这个方程与两个通道辐射测值线性相关的方程联立解出云的高度     

上对流层/下平流层水物质分布与输送特征

基于Aura卫星微波临边探测仪（MLS）探测的水汽、冰水含量和温度等资料,对比分析了夏季亚洲季风区与北美季风区、暖池区以及伊朗高原上对流层/下平流层水汽、冰水含量以及水物质总含量（水汽和冰水含量之和）的分布特征,并探讨了不同区域水汽的输送过程。结果表明：在215-83 hPa高度上水物质总含量在亚洲季风区均出现了高值中心,且亚洲季风区水物质总含量明显大于北美季风区;在215 hPa高度水汽对水物质总含量起主要的贡献,而到了147-83 hPa高度,冰水含量与水汽对水物质总含量的贡献大致相当,亚洲季风区上对流层/下平流层水汽的高值中心揭示了反气旋对水汽的隔离作用。水汽混合比在147 hPa和100 hPa高度不同的概率密度分布反映出不同高度影响水汽输送的不同因素。北半球冬季暖池区100 hPa上空温度极低,水汽混合比峰值概率仅为2 ppmv;而在147 hPa高度上,亚洲季风区频繁的深对流使得大量水汽被输送到对流层上层,这是亚洲季风区水汽概率“长尾”分布的主要原因。在100 hPa和147 hPa高度,冰水含量主要集中在小值,可能是由冰晶粒子消耗水汽而增长到一定尺度后沉降造成的。     

AMSU-B微波资料反演对流云中冰粒子含量

微波遥感可以穿透云顶直接探测云内的冰粒子分布,NOAA系列卫星微波湿度计(AMSU-B)的3个水汽吸收波段对冰粒子含量的变化有着很好的响应,受冰粒子的强烈散射衰减作用,亮温随冰粒子的增加而降低.因此,可以利用3个水汽通道亮温变化判断云中冰粒子的含量.根据模拟实验结果,确定了对流云状态下各水汽通道对冰粒子的响应高度,冰粒...     

面向同化应用的红外高光谱探测资料局地综合通道选择方案及在FY-3D/HIRAS中的初步应用

通道选择是红外高光谱探测资料同化的关键技术。为了最大限度提取红外高光谱探测资料观测信息,减少模式在青藏高原等常规观测稀少地区的初始场的误差,不同区域需要选取不同通道进行同化。基于信号自由度的通道选择方法提出一种面向资料同化的红外高光谱资料的局地综合通道选择方案,该方案综合考虑了局地的大气温度垂直分布特征、背景误差协方差、仪器通道的雅克比函数、权重函数和其他影响红外高光谱模拟和同化的因素。针对CMA＿GFS（原GRAPES＿GFS）全球背景误差协方差,在高原和海洋两个典型区域对FY-3D/HIRAS红外高光谱资料的温度通道进行局地综合通道选择,并通过一维变分同化评估了局地综合通道选择方案对分析场的影响。结果表明,高原和海洋两个典型区域的大气温度垂直分布特征、背景误差协方差、模式垂直分层以及各通道的雅克比函数和权重函数均有明显的差异,选出的敏感通道也明显不同,相比较在其他区域选择出的通道,在对应地区选择的通道能够显著提高红外高光谱资料的同化效果。     

由地面观测的太阳红外光谱确定大气某些成份的含量

本文提出了一种由地面观测的太阳光谱确定某些大气成分含量的方法。这种方法不需要预先知道观测光谱的基线,从而可避开复杂的观测定标手续。以实验室测量资料和吸收气体的谱线资料为基础计算待定大气成分的透过率,并用当时的探空测量为基础对水汽吸收进行了订正。利用1978年10月在香河观测的太阳光谱计算了二氧化碳的混合比和垂直气柱内臭氧总含量,证明这种方法是可行的。     

基于机载微波辐射计探测大气水汽通道饱和问题研究

183.31 GHz微波辐射计在探测低含量水汽时具有优势,但也存在通道饱和问题,定量研究该问题对明确该类型仪器探测水汽能力和适用范围具有重要意义.基于天津市人工影响天气办公室增雨飞机运-12搭载的183.31 GHz微波辐射计GVR(G-band water Vapor Radiometer),采用探空资料对该辐射计4...     

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。     

FY3极轨卫星资料在暴雨短时预报中的应用分析

利用常规观测、地面加密自动站降水资料以及FY3B极轨卫星资料,对2014年5月18日广西一次暴雨过程中暴雨云团的微波湿度计特征进行分析,得出以下结论:(1)广西中东部处受高空槽前西南气流影响,中低层水汽条件较好,低层有切变辐合,为中尺度对流系统的发生、发展提供了有利背景。(2)250m分辨率可见光通道云图上对流发展旺盛的云团有明显不均匀纹理结构,其中镶嵌着多个圆形的暗影,预示着云中伴有强降雨、雷暴大风等灾害性天气。(3)微波湿度计资料反映出暴雨云团从低层到中高层都有较高的水汽含量,50mm以上的强降雨区主要位于3个亮温低值中心的过渡区域,即对流云团合并处。高低层通道亮温差能反映云团对流的强弱程度,强降雨发生在微波亮温差的正值区,通道3与通道5的亮温差对6h强降雨落区有较好的指示意义。     

利用FY-3A近红外资料反演水汽总量

该文介绍了利用搭载在FY-3A卫星上的中分辨率光谱成像仪 (MERSI) 的近红外 (NIR) 通道反演大气水汽总量 (PWV) 的方法。根据预先建立的查找表,大气水汽总量可以通过水汽通道与窗区通道的卫星测值相比反演得到。对MERSI近红外水汽通道灵敏度进行估算,结果表明:处于吸收带两翼的905 nm和980 nm通道对不同水汽量的敏感性表现比较接近,对较大水汽含量最为敏感;当水汽较弱时,强吸收的940 nm通道非常敏感。基于这3个通道对水汽含量敏感性的不同表现,采用3个通道水汽总量的加权平均值作为PWV产品的最终反演值。文中设计了水汽总量业务算法反演流程,并基于FY-3A/MERSI最新观测资料进行晴空大气水汽总量的业务处理生成试验,顺利生成MERSI单轨道水汽总量产品及日拼图中国区域产品和全球产品,同时生成多天合成产品,产品反映出MERSI具有较好的近红外水汽探测能力。将卫星反演结果与探空数据进行初步比对检验,显示卫星反演值有20%~30%系统性偏低,需要进一步改进反演查找表。     

大气中的水汽

对于大气中的水还有一点是我们必须了解的,这就是以水汽形态存在的水的数量,它取决于空气的温度。由于水汽是一种气体,我们可采用测气压的方法来测量它;还可以用另一种方法来确定在一定温度下可能含有的最大水汽量,即用每立方米空气中所含有的水汽质量(通常用克/米~3)来表示。在一定温度下,空气的最大水汽含量称为饱和水汽量。实际的含量通常是小于饱和值,但偶尔也出现大于饱和值的情况(可是,这时水汽可以通过凝结转变成液态水。饱和值仅说明可能的最大水汽含量。而云既含有水,又含有水汽)。气温越高,空气能够含有的水汽越多,其饱和值也就越大。下表给出饱和值变化的大致情况。表中克/米~3是一种表示水汽     

地基GPS和微波辐射计倾斜路径水汽对比观测试验方案设计

为开展地基GPS接收机和微波辐射计斜路径水汽总量的对比观测试验,设计实现一套控制微波辐射计全自动追踪可视范围内某颗GPS卫星,以获取微波辐射计与该GPS卫星之间斜路径水汽总量的外场试验方案.根据观测设备的特点,在软件控制层面上,该试验方案集成GPS接收机和微波辐射计的I/O数据和控制文件,实现各种天气条件下的自动连续观测,获取的观测数据样本具有代表性.该试验方案的实施全程由计算机控制,既可避免可能的人为操作失误,又能节约人员劳务开支.初步的观测结果表明,试验方案能够满足倾斜路径水汽总量对比试验对微波辐射计定位精度的要求.