极轨道卫星上测量太阳常数的新方法

该文提出了一种在极轨道太阳同步卫星上，利用指向太阳矢量方向安装的绝对辐射汁，以非跟踪方式测量太阳常数的方法，非跟踪模式下简化模型热力学微分方程解与跟踪模式的解形式相似，微机模拟画出二模式下的能量响应曲线，二曲线在最高点基本重合，表明这种方法同样能够达到太阳进行测量的精度，且结构简单，测量方便。     

基于地基微波辐射计观测的东营地区低能见度天气指示性分析

针对东营市2016—2017年出现的27个低能见度天气过程,利用MP-3000A型地基微波辐射计二级数据,计算过程影响期间逐10 min的逆温层温差、逆温层厚度和低层相对湿度等物理量。结合空气质量和能见度变化情况,按照雾和霾、雾、降水三类天气对27次过程进行分类研究,总结地基微波辐射计观测的温湿度量对低能见度天气的指示意义和参考指标。结果表明：(1)雾和霾共同影响导致的低能见度天气出现在冬半年,PM_2.5浓度越大通常对应的能见度越低;逆温层温差和逆温层厚度与能见度的相关系数分别为-0.39和-0.45,逆温层温差增大指示能见度降低,逆温层厚度减小指示能见度升高。低层相对湿度在90%以上时,能见度受雾影响通常小于2 km;低层相对湿度在80%以下时,能见度受霾影响仍然维持在5 km以下。(2)雾影响导致的低能见度天气多出现在冬半年,与PM_2.5浓度无关;逆温层温差和逆温层厚度与能见度的相关系数分别为-0.54和-0.45。在逆温层生成和破坏阶段,逆温层温差变化幅度大,对能见度的指示性更强,而逆温层厚度变化幅度相对较小,多维持在300～400 m...     

利用微波辐射计观测计算云衰减

在地-空路径传播过程中,云衰减对无线电卫星通信系统的高频率信号有着不可忽略的影响。利用HATPRO型微波辐射计观测反演获得的云中液态水密度廓线等信息,提出了一种适用于中纬度地区的精确计算云衰减的方法,得出了地-空路径信号传播过程中,云衰减对信号的影响随着频率增大急剧扩大的结论;具体表现为,在高频波段,99.99%的链路可用时间内云衰减超过10 dB。将微波辐射计计算所得的云衰减与云中液态水总量建立“线性关系”,与ITU-R(国际电联无线电通信部门)模型结果对比。结果表明:由于ITU-R模型低估了武汉地区的云中液态水总量,导致该模型低估了武汉地区的云衰减影响。     

一次春季强寒潮的降水相态变化分析

应用常规高空地面观测、风廓线雷达与地基微波辐射计资料以及NCEP 1°×1°再分析资料,对2016年石家庄初雪预报失误的原因及降水相态的演变特征进行了分析。结果表明:预报中采用的降雪阈值不能反映云中雪晶形成和增长的条件,提取雪晶下降过程中是否融化的温度阈值时所用的资料精度不高,以上两条是导致其预报失误的原因。风廓线雷达垂直径向速度可辅助判断降水起止及相态变化,降雨时3 km高度以下出现一致向下的径向速度,速度值最大超过1.5 m·s^-1;径向速度数值减小到1 m·s^-1以下且高度下降到1 km以下,可能预示着降水由雨转为雪。微波辐射计反演的温湿廓线因易对云中雪晶形成增长条件以及雪晶在下降过程中是否融化作出判断,故其可以应用于降水相态转变的临近预报。

     

大气物理学

基于采样间隔为2 min的湖北省高速公路交通气象站观测资料和微波辐射计资料,对2014年1月29—30日发生在湖北省一次强浓雾过程的大尺度环流背景、温度、相对湿度、液态水含量以及水汽密度等要素的演变特征进行了分析。结果表明,这次大雾的发展演变可以分为三个明显的阶段：大雾的形成阶段,气温与路面温度降低,能见度下降,且下降速率明显;大雾的发展增强阶段,气温与路面温度变化平稳,能见度不足百米;大雾的消亡阶段,气温与路面温度升高,能见度上升,大雾消散。大雾产生在特定的大气环流背景下,微波辐射资料分析表明,近地层逆温是大雾产生的重要条件,它的演变与大雾的生消发展有着较好的对应关系。大雾的形成到发展增强阶段,水汽密度明显从近地面逐步向上增加,液态水含量数值增大,相对湿度饱和区高度抬升,大雾厚度变厚,雾浓度变大,能见度下降;大雾的消亡阶段,液态水含量、水汽密度明显减小,相对湿度饱和区高度降低,大雾厚度变薄,雾浓度减小,能见度上升。

     

云微物理参数的地基探测反演研究综述

单独利用云雷达反演液态含水量(LWC)廓线,由于降水粒子与冰相粒子的影响,反演结果误差较大。单独利用微波辐射计反演LWC廓线,由于无法得到云的垂直结构,结果也不理想。在云雷达联合微波辐射计反演暖云LWC廓线方法的基础上,根据回波强度区分云滴粒子与降水粒子,根据温度区分云滴粒子与冰相粒子,建立粒子分布模型,提出了利用云雷达回波强度数据与微波辐射计液态水路径数据(LWP)联合反演混合性降水层云LWC廓线的算法,基于2014年6月6日与7日两次混合性层云降水个例,联合反演LWC廓线,分析了该联合反演算法的稳定性和合理性,结论如下：(1)与直接用单一Z-LWC经验关系的方法相比,根据联合反演算法,剔除回波强度中的冰相粒子信息,区分云滴粒子和降水粒子,并采用不同Z-LWC经验关系的方法更加合理。(2)影响联合反演算法的7个参数(非降水粒子Z-LWC经验关系的系数a₁与b₁等)中,降水粒子Z-LWC经验关系系数a₂与b₂的改变对联合反演算法结果影响稍大,偏差在20%~30%左右,而其他参数的改变对结果的影响很小,偏差小于5%,联合反演算法的稳定性较好。(3)联合反演得到的LWC廓线与微波辐射计输出的LWC廓线相比,廓线分布更为合理。

     

武汉异常强降水水汽来源、输送路径分析

应用微波辐射计反演的地面至10 km高度共58层的相对湿度、水汽密度和云液态水的垂直廓线,以及大气水汽总量、云液态水总量和云底高度数据,再结合小时雨量资料对武汉站不同强度降水进行统计分析,按照降水初始时刻的雨强将武汉站降水分为三类：小时降水量大于等于5 mm的强降水、小时降水量在1~5 mm的中等强度降水和小时降水量在0.1~1 mm的弱降水,统计结果表明：三类降水开始前,大气和近地面湿度均有显著增加;2 km以下有水汽和云液态水的增量中心,且水汽增量中心比云液态水增量中心提前0.5~1 h;降水开始前1.5~1 h,水汽和云液态水的增长速度从缓慢增加突变为迅速增加。强降水开始前7 h最大湿度达到饱和、云底高度下降;低层水汽含量增幅最大,云液态水总量显著高于另两类降水。弱降水开始前,大气与近地面湿度、水汽和云液态水的增加都出现得更早、更稳定,增量中心强度小、位置高,但大值区从降水开始时刻维持到降水开始后5 h,这决定降水能够持续较长时间。

     

青藏高原及周边地区大气可降水量的分布、变化与各地多变的降水气候

微波辐射计能够获取分钟级别的大气温湿廓线,可以弥补气象探空在时间分辨率上的不足。本文利用青藏高原东侧甘孜站2017年8-10月并址观测的微波辐射计和探空资料,对微波辐射计反演大气廓线的精度进行分析,并利用这些廓线探讨甘孜大气热力和云水变化特征。分析结果显示,总体上微波辐射计反演参量与探空观测之间具有高相关系数,微波辐射计反演的温度、相对湿度和水汽密度与探空观测的偏差分别为1.3℃、-2%和0.71 g·m^-3,相应的均方差分别为2.9℃、20%和1.08 g·m^-3,非强降水对微波辐射计观测质量的影响较小。微波辐射计与探空的温度偏差在多数高度层上小于2℃,能够达到气象业务的偏差要求。非雨天时微波辐射计与探空的相对湿度偏差在多数高度层上约为10%,雨天时相对湿度偏差在3.5 km以下小于5%。基于甘孜微波辐射计资料的统计分析发现,甘孜大气具有白天干热、夜间湿冷的日变化特征,云液态水含量白天较小、夜间较大,而且白天低层云发展较弱、云底较高,夜间低层云发展较强、云底较低。云液态水含量在云天和雨天具有相似的垂直结构,云液态水含量随高度增加先快速增大,然后在一定高度内波动变化,之后又快速变小,能够较好地指示入云和出云的特征。此外,云天低层云的云体主要处在0.1-2.5 km高度,而雨天低层云的云体分布高度范围更大为0-3.5 km高度。这些分析结果表明,微波辐射计反演大气廓线在甘孜具有可用性,能为定量研究云特征提供科学数据。

     

基于多源探测资料对四川一次冰雹天气的分析

利用多普勒雷达、地基微波辐射计、激光雨滴谱仪等资料,分析了宜宾2017年4月13日一次降雹过程,探讨新型探测资料在冰雹监测预警中的应用。研究结果表明:(1)阶梯槽是冰雹天气过程重要的环流形势,短波北槽触发了大气不稳定能量的爆发释放。0~6km存在较深厚的垂直风切变,0℃高度出现在约3.5km处。(2)此次降雹过程的回波特征为多单体强风暴,垂直结构上有回波悬垂和弱回波特征区,VIL有四次明显的跃增,20:44VIL密度值> 4g·m^-3。(3)降雹前,0~10km相对湿度垂直分布存在“上下干,中间湿”的3层结构,K指数为40℃,降雹开始后相对湿度垂直分布存在“上干下湿”的2层结构,K指数波动较大;大气水汽总含量、大气液态水总量急剧增长,降雹发生在二者的波峰上。(4)雨滴谱仪观测到的降雹时段为20:56~21:19,最大冰雹直径为8.5mm;降水粒子的直径较小,大多数粒子直径只有0.2~1mm,雨滴谱呈双峰型分布特点,双峰上雨滴谱谱宽加大,雨强增大。     

微波辐射计温湿廓线反演方法改进试验

为提升地基微波辐射计在不同天气条件下, 特别是云天条件下温湿廓线的反演精度, 利用2011年1月—2016年12月中国气象局北京国家综合气象观测试验基地探空数据, 在微波辐射计反演温湿度廓线的过程中通过区分晴天和云天条件并引入全固态Ka波段测云仪云高及云厚信息, 对反演输入亮温进行质量控制和偏差订正, 建立BP神经网络模型, 采用2017年1月—2018年3月微波辐射计探测数据评估检验, 结果表明：在亮温订正前提下, 晴天温度模型、云天温度模型、晴天相对湿度模型和云天相对湿度模型反演结果与探空的相关系数分别为0.99, 0.99, 0.80和0.78, 均方根误差为2.3℃, 2.3℃, 9%和16%, 较微波辐射计自带产品（LV2产品）减小约0.4℃, 0.3℃, 11%和9%, 准确性提升约30%, 28%, 64%和45%;温度模型偏差在±2℃以内、湿度模型偏差在±20%以内的占比分别为68%, 70%和95%, 78%, 较LV2产品分别提高了7%, 5%和27%, 23%, 其中相对湿度改善明显。可见亮温订正、区分天气类型训练反演模型有利于改善地基微波辐射温湿廓线反演精度。