用非线性重整化方法反演大气折射率廓线的数值试验

本文研究采用非线性重整化方法反演大气折射率廓线，以代替传统的探测方法，结果表明表明非线性重整化方法能够反演出人们所关心的局部大气折射率廓线的改变。     

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。     

利用地基微波辐射计资料反演0-10km大气温湿廓线试验研究

实测与模拟的微波辐射计亮温存在偏差,导致基于BP神经网络模型的大气温湿廓线反演精度的降低。研究了一种基于资料订正后的BP神经网络反演大气温湿廓线的方法。首先,基于2014年6月南京江宁探空资料,利用MonoRTM模式,模拟中心频率在22.2GHz~58.8GHz范围内22通道亮温;对比模拟和实测南京站微波辐射计资料,建立实测微波辐射计资料订正模型。然后,以南京地区2011-2013年探空资料为输入,模拟22通道亮温数据,并基于模拟的22通道亮温数据和当地探空资料,利用BP神经网络算法,建立大气温度、水汽密度、相对湿度廓线反演模型。最后,利用构建的订正模型,对2014年7月试验获取的微波辐射计资料进行订正,并将订正后的微波辐射计资料输入BP神经网络反演模型,反演0-10km高度58层的大气温度、水汽密度和相对湿度,对比实际探空资料以及微波辐射计二级产品,评估分析反演效果。实验结果表明：所建的反演模型提高了大气温湿廓线反演精度,大气温度、水汽密度和相对湿度均方根误差范围分别为1.0~2.0K、0.20 ~1.93g/m3和2.5%~18.6%。     

利用地基微波辐射计资料反演0~10 km大气温湿廓线试验研究

为综合评估地基微波辐射计(以下简称辐射计)温湿探测性能、提高温湿廓线精度,利用2021年3—8月北京辐射计观测、探空和ERA5再分析等资料,分析不同天气条件下(晴天、云天、雨天)辐射计温湿度探测性能,利用探空数据和修正后的ERA5数据对辐射计温湿廓线进行检验,并基于线性偏差订正方法对辐射计温度、相对湿度进行订正。结果表明：(1)辐射计温度在晴天、云天与探空温度具有较好的一致性,而其在降雨天气较探空温度高;辐射计相对湿度在晴天高于探空,云天和雨天低于探空。雨天探空数据对辐射计温、湿度的线性偏差订正效果优于晴天、云天。(2) ERA5相对湿度在4 km以上高度与探空存在明显偏差,其温度与探空温度的相关性高于相对湿度。(3)探空数据修正后的ERA5数据能较好提升辐射计温湿廓线精度,且在雨天效果优于晴云天。垂直方向上,随着高度增加辐射计温、湿度订正效果更明显。(4)采用探空数据和修正后的ERA5数据对订正后的辐射计温湿数据进行误差分析,结果表明晴天和云天条件下辐射计与探空、辐射计与修正后ERA5数据的误差(平均误差BIAS和均方根误差RMSE)廓线垂直分布特征相似。雨天条件下两者在中高层(7—10 km)有明显差异,其中温度RMSE相差4 K,相对湿度RMSE相差20%。

     

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。     

分层均匀介质折射率廓线的重建

依据电磁逆散射理论，由频域的反射系数或时域的反射脉冲重建分层均匀介质折射率廓线。采用非线性重整化技术对利卡提方程进行化简，并由此导出反射脉冲与折射率廓线分布函数之间的关系。数值模拟结果表明，用非线性重整化技术重建折射率廓线具有物理图象清晰、精度高、抗噪声干扰及简便快捷的优点。     

利用AIRS卫星资料反演大气廓线Ⅰ.特征向量统计反演法

引进美国威斯康星大学的IMAPP（International MODIS／AIRS Preprocessing Package）软件包，介绍了利用高光谱分辨率大气红外探测器AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）观测辐射值，用特征向量统计法反演大气温度、湿度等垂直廓线的算法，采用亮度温度分类和扫描角分类回归后，减小了反演误差。并将其应用到中国地区，通过与无线电探空值及欧洲中期天气预报中心ECMWF（European Center of Medium-range Weather Forecasts）客观分析场的比较，结果表明：该方法所获得的温度、水汽反演结果与探空观测及ECMWF大气廓线分布一致，且AIRS因其高光谱分辨率（即高垂直空间分辨率）显示了精细的大气结构。     

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。     

云对地基微波辐射计反演湿度廓线的影响

利用中国气象局大气探测试验基地的L波段探空数据和微波辐射计观测数据,采用MonoRTM辐射传输模型作为正演亮温模型,BP (back propagation) 神经网络作为反演工具,在由亮温反演大气湿度廓线的过程中,添加与样本匹配的云底高度和云厚度信息,建立新的反演模型,使新反演模型得到的反演湿度廓线和未添加云信息的反演湿度廓线分别与探空数据进行对比,获取两种反演方法各高度层的均方根误差,分析云信息对反演大气湿度廓线的影响。对比结果表明:未添加云信息时,测试样本的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.685,而添加云信息后,相关系数平均值为0.805。相比未添加云信息的反演廓线,添加云信息之后多数高度层的均方根误差均有不同程度减小,而在有云以上高度层表现尤为明显。     

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。     

华北三站地基GPS反演的大气可降水量及其特征

利用2005年4月-2006年10月石家庄、秦皇岛和张家口三个地基GPS站的观测资料和地面气象资料,根据GPS反演可降水量的原理以及可降水量与地面水汽压的线性对应关系,对不同站点、不同时次的大气可降水量进行了解算和补算,并对河北省GPS可降水量的时空分布特征进行了分析.结果表明:可降水量在时间上先升后降,7、8月达到最大值;在空间上由北向南递增;可降水量的日变化特征不十分显著,仅表现为小幅度波动.     

Retrieval of Vertical Distribution of Tropospheric Refractivity through Ground-Based GPS Observation简

In the present reported study, the vertical distributions of local atmospheric refractivity were retrieved from ground- based GPS observations at low elevation angles. An improved optimization method was implemented at altitudes of 0-10 km to search for a best-fit refractivity profile that resulted in atmospheric delays most similar to the delays calculated from the observations. A ray-tracing model was used to simulate neutral atmospheric delays corresponding to a given refractivity profile. We initially performed a ＂theoretical retrieval＂, in which no observation data were involved, to verify the optimization method. A statistical relative error of this ＂theoretical retrieval＂ （-2% to 2%） indicated that such a retrieval is effective. In a practical retrieval, observations were obtained using a dual-frequency GPS receiver, and its initial value was provided by CIRA86aQ_UoG data. The statistical relative errors of the practical retrieval range from -3% to 5% were compared with co-located radiosonde measurements, Results clearly revealed diurnal variations in local refractivity prc,files, The results also suggest that the general vertical distribution of refractivity can be derived with a high temporal resolution. However, further study is needed to describe the vertical refractivity gradient clearly.     

云南地基GPS水汽解算方案及精度检验

在分析GAMIT水汽解算方案特点的基础上,利用云南6站地基GPS水汽探测资料,进行了不同解算方案计算结果的分析,并与GPS探空资料的PWV值进行比较,结果显示:不同解算方案对云南地基GPS水汽反演结果有显著的影响;在进行本地化后,GAMIT软件包对云南GPS水汽反演的精度有显著提高;不同季节的云南地基GPS反演水汽值与高精度探空水汽值的数值和变化趋势极为一致,二者的均方根差小于2 mm,说明该解算方案的地基GPS水汽反演结果可用.     

机载多普勒激光测风雷达风场反演研究

中国科学院上海光学精密机械研究所研制出机载全固态多普勒激光测风雷达,并成功进行了试验飞行。本文介绍了机载多普勒激光测风雷达的基本参数和探测三维风场的工作原理,并对利用激光回波信号和机载辅助数据反演三维风场的详细算法进行了研究,获得了3 000 m以下高度具有较高精度的三维风场,同时用经纬仪气球测风法进行了对比验证实验,验证了机载多普勒激光测风雷达测量数据的准确性。     

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。     

不同观测误差确定方法对地基GNSS-ZTD资料同化预报效果影响的对比分析

利用2016年6—8月华北—东北地区的地基全球卫星导航系统的天顶总延迟(GNSS-ZTD)观测资料、东北区域中尺度数值预报系统,以2016年6—8月的13 d强降水为例,开展基于Desroziers等(2005)理论的Des方法和传统方法进行观测误差确定的天顶总延迟资料同化对比试验研究,探讨Des方法相对于传统观测误差确定方法对天顶总延迟资料同化预报效果的影响,并以未做天顶总延迟资料同化的试验为对照试验,考察天顶总延迟资料在数值模式中的同化应用效果。结果表明:(1)Des方法得到的天顶总延迟观测误差诊断值较为合理,诊断值站点间差别较大,说明逐站进行观测误差诊断的必要性;(2)天顶总延迟资料同化使强降水的强度、落区预报性能得到提高,使温、湿、风等要素的预报与观测接近,Des方案同化分析、预报效果优于传统方案;(3)对2016年7月25日华北—东北强降水过程进行了同化预报分析,整体而言,天顶总延迟资料同化有效增强了对流层中低层初始湿度场,修正了积分初期水凝物含量与位置,进而改善了降水预报效果,修正了对照试验对辽宁东部地区强降水的明显漏报,且通过降水的反馈作用改进了温度与风场预报效果。基于D...     

地基GPS水汽监测技术及气象业务化应用系统的研究

本研究建立了川渝地区地基GPS（global positioning system,全球定位系统）遥感水汽的本地化计算模型,开发出GPS遥感水汽的计算软件包,开展了局域地基GPS观测网遥感大气水汽的试验及业务应用,反演出30 min间隔的高时间分辨率GPS可降水量序列。评估了反演精度,研究了GPS水汽产品在气象业务应用的可行性。研发了可搭建在MICAPS（meteorological information comprehensive analysis and process system）平台上的地基GPS水汽监测业务化应用系统,实现了局域地基GPS观测网数据的实时传输、数据解算、可降水量反演和GPS水汽产品的可视化,并在气象业务部门试运行,在强降水、暴雪等灾害性天气预报中发挥了独特作用。本项目组系统性研究了GPS可降水量的时间变化、水平分布,分析了GPS可降水量与气温、气压、比湿、辐射和降雨量等地面气象要素以及与局地环流、水汽输送和循环等大气过程及地形的对应关系。研究了GPS水汽产品在几类典型灾害性天气（西南暴雨、持续性降水、冰冻雨雪、大雾）以及人工增雨中的演变特征,揭示了GPS探测水汽技术及其产品在天气预报业务中的应用方法。进行了GPS可降水量的日循环合成分析,GPS可降水量在华北暴雨、西南暴雨、华西秋雨、四川盆地夜雨等方面的应用研究,以及不同云系降雨过程、不同类型降雨过程中GPS可降水量的对比分析。例如,对不同类型降雨过程中GPS-PWV（precipitable water vapor by GPS,GPS可降水量）的比较表明,在夏季暴雨发生前5～10h,GPS-PWV的激增可很好地预示其后的强降雨天气;而对于类似秋绵雨的一般性持续降雨来说,GPS-PWV的连续大幅递增或递减并超过平均值可作为降雨开始或结束的预报依据;对于不同类型降雨天气过程GPS-PWV具有不同的日变化特点,它能及时反映水汽的局地变化特征,作为水汽异常输送中的强信号,GPS-PWV在降雨天气分析及预报中具有重要的指示意义。     

酒泉市大气边界层逆温特征及其与沙尘天气的关系

利用2009-2018年酒泉市逐日08时（北京时间,下同）和20时L波段雷达探空秒级数据资料,统计分析了近10a酒泉市大气边界层内（5 km以下）逆温变化规律特征及其与沙尘天气的关系。结果表明：1）酒泉市一年四季均有逆温出现,逆温日的出现频率高达84.1 %,其中接地逆温频率72.9 %,悬浮逆温频率29.5 %;08时逆温频率、逆温厚度高于20时,秋冬高于春夏;逆温强度08时和20时差异较小,但接地逆温平均逆温强度是悬浮逆温强度的2.2倍,5 ℃·hm-1以上的强逆温主要出现在秋季。2）酒泉市逆温（双层逆温）的出现频率呈增大趋势,逆温厚度呈减小趋势,逆温强度没有明显变化;3）沙尘天气发生时逆温层厚度增大,逆温强度减小,沙尘暴对逆温强度的削弱作用最为明显,沙尘暴发生前平均逆温强度为2.73℃·hm-1,发生时仅为0.67℃·hm-1。     

基于地基GPS遥感的大连地区大气水汽总量变化特征

基于大连地区地基GPS综合观测网遥感反演了大气水汽总量（PWV）,分析了大连地区PWV空间变化、逐月变化和日变化特征以及PWV变化与降水的关系,并利用大连本站2005-2011年的探空资料拟合了大连地区地面温度和大气加权平均温度的关系。结果表明：大连本站的PWV与探空积分的水汽含量相关系数达到0.988,均方根误差为2.5 mm。大连地区PWV南北分布比较均匀;PWV最大的月份为7-8月,最大月平均值约40 mm,PWV最小的月份为1月,最小月平均值小于4 mm;大连地区PWV春季和冬季日变化幅度约0.5 mm,夏季和秋季日变化幅度约1.3 mm。夏季和秋季的PWV日变化呈单峰型,春季和冬季的PWV日变化呈多峰型; 在降水发生前8 h 大气水汽总量有明显增加过程,对降水的发生有指示作用。     

微波辐射计亮温观测质量控制研究

针对武汉MP-3000A型微波辐射计,将无线电探空资料代入辐射传输模式(MWCLD),计算出该辐射计各通道的亮温,再与实际观测的亮温值进行对比,通过个例分析该辐射计观测值与计算值的一致性并判断各通道观测值的合理性.分析结果表明:模式计算值与观测值之间有很好的一致性,并且经过偏差订正或线性订正后的数据,可用于检查辐射计在各个通道的运行状态,从而建立有效的针对地基微波辐射计资料的质量控制方案.