由地基微波辐射计测量得到的北京地区水汽特性的初步分析

首先对比分析了三种测量水汽技术(地基微波辐射计、探空、GPS)之间的差异, 得到地基微波辐射计与探空的差值为0.281cm, GPS与探空的差值为0.728 cm, 地基微波辐射计与GPS的差值为0.322 cm。接着就地基12通道微波辐射计测量得到的水汽总量 (简称PWV), 分析了北京地区水汽在四个季节中的日变化特征。秋季日变化差为0.162 cm, 冬季日变化差为0.130 cm, 春季日变化差为0.229 cm, 夏季日变化差为0.276 cm。另外, 北京地区四个季节中水汽最大值/最小值出现频率最高的时间段呈现一定的特征。即四个季节中在北京时间00:00到00:59和23:00到23:59这两个时间段中, 水汽出现最大值/最小值的概率较其他时间段都高, 其中冬季在北京时间10:00到10:59之间出现最小值的概率最高。水汽总量PWV每小时变化率在四个季节中都存在这样的现象: 出现正的水汽总量PWV每小时变化率的百分比与出现负的水汽总量PWV每小时变化率的百分比相当, 几乎都为50%。最后就水汽与温度相关性做了分析, 分别得到四个季节中各个小时水汽与温度的相关系数, 结果显示各个小时水汽与温度的相关性在四个季节中, 除了夏季从北京时间09:00到22:00为负相关外, 其他时间段内都为正相关。而且各个小时水汽与温度的相关系数都按照秋、春、 冬、夏的顺序递减。     

北京地区一次罕见的雷暴大风过程特征分析

分析了2006年6月24日北京地区一次罕见的瞬时极大风速超过32 m.s-1的雷暴大风事件。多普勒天气雷达观测表明,此次强雷暴大风与镶嵌在飑线回波带中的弓形回波相关。后侧入流急流促使飑线回波带南段快速移动并与其前面的新生单体合并加强形成弓形回波。深厚的中气旋、低层径向速度辐合和高层辐散等在构成弓形回波的强对流单体形成过程中起了重要的作用。根据雷达回波特征演变推断,这次雷暴大风直接由构成弓形回波的一个强对流单体内的下击暴流导致。使用微波辐射计和风廓线仪的观测资料揭示了上述强风暴发生的环境条件,即高的对流有效位能值、中等强度的风垂直切变,以及风切变的分布特征为飑线等的产生提供了有利条件。下沉对流有效位能和对流层低层环境大气温度直减率明显增加并接近干绝热,这对即将到来的下击暴流具有指示意义。     

风云二号卫星地球观域修正算法

风云二号静止气象卫星在获取图像时, 必须使扫描辐射计的观域对准地球。卫星在轨道上受到各种摄动力的作用, 使轨道和姿态改变, 扫描辐射计的地球观域随之发生变化。卫星扫描辐射计对地球观域的偏差会影响图像定位的精度, 因此对准观域的工作是日常业务工作的一部分, 不仅在卫星定点之初启动观测时, 而且在业务运行的过程中, 都需要通过地面遥控指令进行修正。该文提出了一种风云二号静止气象卫星扫描辐射计地球观域修正量和调整方向的算法, 以替代人工目测卫星原始云图进行的卫星观域调整控制决策。这种算法的实施可以提高风云二号气象卫星云图获取作业的可靠性。     

三维城市地表反射率计算模式

地表反射率是控制地表能量平衡的一个重要参数。城市建筑物的分布具有较大的不均一性,这不仅给地基观测城市地表反射率带来了很大困难,数值模拟城市地表反射率也是非常困难的。作者开发了一个三维城市地表反射率模式city_photo,该方法结合了蒙特卡洛方法和几何光学方法的优点,具有较高的精度和较快的计算速度。通过引入城市地图的概念,该模式能够计算具有不同结构的城市的地表反射率。2002至2004年晴空MODIS（MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨率成像光谱辐射计）1~7通道可见光和近红外通道地表反射率资料被用来检验模式的有效性,位于北京朝阳区的中国科学院大气物理研究所的AERONET站点观测得到气溶胶光学特性和水汽资料,6S（Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum）大气辐射传输模式被用来对其进行大气订正。模式计算的北京城市地表反射率个例与MODIS 7个通道地表反射率观测结果具有很高的相关性,相关系数在0.80~0.93之间,说明模式能够较好地模拟城市地表反射率随太阳和观测角度的变化情况。最后讨论了城市结构对城市地表反射率的影响。     

基于微波辐射计的宁夏六盘山西侧大气水汽变化特征

采用隆德气象站2 a德制微波辐射计与同期1 h降水量资料,利用统计法分析了六盘山脉西侧大气水汽含量以及云液态水含量的时间分布特征,并分析了92次不同降水性质、不同降水量级的降水个例,得到降水前跃增时间的变化特征。剔除降水背景结果统计表明:(1)六盘山西侧大气水汽含量和云液态水含量有明显的季节变化,其中夏季是大气水汽含量最多的季节,平均为23.44mm,占年均水汽含量的47.7%。(2)大气水汽含量和云液态水含量日变化呈一谷一峰分布,春、夏、秋三季均在午后出现最大峰值,冬季在11:00出现峰值;大气水汽含量低值区春、夏、秋季出现在日出前后,冬季出现在22:00。(3)87.0%的降水个例在降水发生之前大气水汽含量都在12.00 mm以上,且其值随着降水的量级增大而增大。(4)降水前云液态水含量发生明显跃增现象,春、夏季表现强,根据降水性质及降水量级不同,降水前跃增时间也不同。研究结论对把握人影作业时机具有一定的参考价值。     

地基微波辐射计遥感人工触发闪电的观测研究

为了深入研究雷电产生的微波热辐射特征,从2016年初夏开始利用地基微波辐射计在中国气象局雷电野外科学实验基地开展了连续4年的观测实验,根据雷电热效应的特征,制定了观测方案,并为地基微波辐射计设置了“引雷观测模式”。结果表明,地基微波辐射计具有对雷电热效应产生响应的能力。2017—2019年,辐射计一共成功捕获了30次人工触发闪电,观测效率逐年增长,平均为71.4 %;微波亮温脉冲幅度的最大值约125 K。结合其中28次触发事件的雷电流数据,分析了亮温脉冲幅度和雷电流积分量之间的相关性,并发现了最大亮温脉冲幅度与总电流作用积分之间可能存在指数关系。根据亮温观测数据估算了雷电热效应的持续时间,平均约0.5 s,其中25次触发事件的雷电流热效应持续时间与雷电流持续时间变化较为一致,相关系数约0.73。     

一次冰雹天气过程的多源资料观测分析

利用地基微波辐射计、风廓线雷达和雨滴谱仪等观测资料,对2015年4月28日发生在南京的一次冰雹天气进行了分析,探讨新型探测资料在冰雹监测预警中的应用。结果表明:(1)华北冷涡后部冷空气南下,与低层暖湿气流交汇,是产生这次冰雹的天气背景;高空冷平流叠加在低层暖湿气流之上,使得对流层中低层形成不稳定层结;地面辐合中心及辐合线是降雹的触发机制。(2)微波辐射计监测显示,降雹期间冰雹云中上升气流将底层空气的感热和潜热向上输送,导致2 km以上大气有明显升温,由于低层水汽聚集及冰雹在近地层融化造成降雹时近地层相对湿度、水汽密度增大。冰雹发生在云液态水含量快速增长的波峰上,对冰雹的发生具有较好指示意义。(3)对比南京3站风廓线雷达资料表明各站上空环境风场存在一定差异,六合地区降雹前6 km高度高空急流有利于六合上空形成有利的辐散形势,降雹时0~6 km存在较深厚的垂直风切变,配合地面中尺度低压,降雹最为强烈;南京站降雹时,对流层中下层有一槽过境,而高淳地区冰雹由近地面垂直风切变激发。(4)六合站、高淳站雨滴谱仪分析表明不同降水相态对应的滴谱特征有差异,两站雨滴谱型分别呈指数型、多峰型分布。高淳站雨滴谱仪监测到直径达到15 mm的冰雹粒子,六合站冰雹直径最大为5 mm。两站速度谱大致为单峰型,在较强降水时刻,粒子下落峰值速度在3~4 m·~(-1)。(5)影响六合的超级单体存在钩状回波、回波悬垂、三体散射等雷达回波中尺度特征,地面中尺度低压系统、中低层的中气旋及高层的辐散环流配置造成了雹云中维持较强的旋转上升气流,有利于出现大冰雹。     

云雷达和微波辐射计联合反演大气湿度廓线的初步研究

利用中国气象局大气探测试验基地的微波辐射计亮温值、对应的云雷达测得的反射率因子和L波段探空数据,采用BP(back propagation)神经网络作为反演工具,反演得到大气垂直湿度廓线。将天气情况分为晴天、低云、中云和高云四种情况,对比不加入反射率因子的反演湿度廓线,分析两种反演方法在各高度层的均方根误差。对比结果表明,加入反射率因子的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.862,均方根误差为14. 9%,而不添加反射率因子的相关系数平均值为0.763,均方根误差为19.2%。     

GVR机载微波辐射计反演算法适用性分析

为研究GVR(G-band water Vapor Radiometer)机载微波辐射计自带反演算法在天津地区的适用性,将2016年北京探空资料分成春夏秋冬,对垂直累积液态水和垂直累积水汽的反演精度进行数值模拟检验。结果表明:垂直累积液态水反演精度随高度变化不明显,春夏秋冬4个季节反演结果相对偏差值范围分别为29%~78%、31%~71%、36%~67%、35%~79%,绝对偏差值范围分别为0.04~0.492 mm、0.075~0.294 mm、0.074~0.315mm、0.116~0.347mm;垂直累积水汽反演精度随高度降低(3000m以上降低更为明显),春、夏、秋、冬4个季节相对偏差3000m以下时分别为2.6%~20.8%、7.9%~19.1%、4.3%~16.5%、3.4%~14.2%,3000m以上时分别为6.4%~89.7%、12.5%~36.9%、13.2%~50%、11.8%~301%。与其他类型机载微波辐射计反演精度及GVR在北极地区地基观测反演精度相比,GVR自带反演算法在天津地区的垂直累积液态水和垂直累积水汽反演精度明显偏低。     

HTG-4型微波辐射计的航空气象预报应用研究

为研究Airda HTG-4型微波辐射计在成都双流机场的应用效果,利用2017年4月～2018年1月该型辐射计温湿数据,选取雾、积冰、小(阵)雨、雷暴个例进行分析,结果表明:相对湿度和液态水含量在大雾、积冰、弱降水和强对流过程中表现良好。大雾时,近地面相对湿度和能见度的变化有较高的同步率,液态水含量的激增对应了雾的加深。弱降水和强对流过程中,相对湿度多呈“上干、下湿”两层结构;其中,6km以下相对湿度和2.3～4.5km高度的液态水含量变化显著。K指数和沙氏指数SI在对流天气下表现良好,在有明显降水后误差增大,对流过程结束后需要较长时间恢复常态。