两种探空仪观测湿度垂直分布及其应用比较

对2010年8月在云南腾冲利用芬兰Vaisala RS80和低温霜点仪 (Cryogenic Frostpoint Hygrometer,CFH) 两种探空仪测量大气湿度的垂直分布进行对比分析,同时比较它们白天和夜间测量误差的差别,并对国产GTS1,RS80和CFH共3种探空仪测量水汽总量与地基GPS遥测结果进行比较。结果表明:RS80湿度测值在整个对流层比CFH测值偏干 (23.7±18.5)%;因太阳辐射白天RS80偏干较夜间更明显,比夜间偏干 (13.5±14.8)%。而在对流层上层向平流层过渡区域内RS80湿度数据基本无效。CFH在低温、低湿环境下对湿度能有效测量,但在湿度较高的对流层低层测值偏高,导致比较中CFH水汽总量平均比GPS遥测的水汽总量偏高 (4.3±2.0) mm (样本数为11),而RS80,GTS1与GPS的水汽总量差别分别是 (0.2±1.4) mm (样本数为12), (-0.2±2.2) mm (样本数为43)。地基GPS遥测的水汽总量对对流层上层至平流层的水汽变化不敏感。由于RS80测量相对湿度在高空偏低,通过RS80相对湿度测值来确定中、高云结果是偏低的,特别是对6000 m以上的高云判别上,RS80相对湿度的探测几乎很难甄别到云的存在。     

中国区域大气加权平均温度的时空变化及模型

大气加权平均温度T_m是地基GPS水汽遥感的关键参数,决定了水汽反演的精度。利用2008—2011年全国123个探空站点资料,分析了T_m与其影响要素纬度、海拔、地面气温、水汽压及大气压之间的关系,结果表明:T_m与纬度和海拔随季节变化呈周期性负相关,与地面温度和水汽压的自然对数呈正相关,与大气压呈负相关;T_m的空间变化具有纬度地带性和明显的气候分布特征,其变异程度在空间分布上有显著差别,不同地理位置的T_m受季节性影响程度不一,T_m也具有明显的年际周期性变化,年内T_m的每日变化符合二次函数分布规律。按照全国、气候分区和季节分区方法,分别建立了T_m单因子和多因子回归模型,并利用2012年1—5月数据对所建模型进行验证,T_m的估算误差能满足GPS水汽遥感2%的精度,模型普遍适用于我国地基GPS水汽遥感中T_m的估算。     

The impact of convergence zones on the initiation of deep convection: A case study from COPS

During the ‘Convective and Orographically-induced Precipitation Study’ (COPS) performed in summer 2007, deep convection developed on July 15, although convective available potential energy was only moderate and convective inhibition was high. Convection was restricted to an area east of the Black Forest crest. Data analysis revealed that the convection was triggered by different mechanisms. Due to a surface high which was situated east of the Black Forest and a surface low which approached the investigation area from the west, a mesoscale convergence zone was established between the two regions and moved eastwards. Secondly, high insolation favoured the development of slope and valley winds and high evapotranspiration resulted in an increase of moisture in the planetary boundary layer (PBL). The thermally driven circulation systems formed a convergence zone along the mountain crest. When the synoptically induced mesoscale convergence zone reached the Black Forest, the different convergence zones superimposed optimally, such that strong updraughts were observed above the mountain. These updraughts penetrated the PBL-capping inversion and nearly reached the level of free convection. About 15 min after the convergence zone had passed the Black Forest crest, first clouds developed east of it. While moving further eastwards, the convergence zone intensified and became visible as a north-south oriented cloud line in the satellite images. Some deep convective cells with precipitation formed within the cloud line. The dense COPS network allowed the capture of the position and characteristics of the convergence zone and explains why convection developed in some restricted areas only.     

COSMIC掩星数据与L波段探空数据的对比分析

COSMIC(Constellation Observation System for Meteorology,Ionosphere and Climate)每天可以提供全球2000～3000条从40 km高空到近地面的大气温、压、湿的廓线资料,有效地弥补了常规探空资料在时间和空间上分辨率的不足。通过对2008年5月20日至2008年11月26日COSMIC资料与L波段探空秒数据进行比对,结果表明,在10 km高度以下,COSMIC反演的湿廓线资料与L波段探空数据偏差较小,温度偏差为-0.5℃,均方根误差为1.5℃;折射率偏差为1.4N,均方根误差为5.9N;气压偏差为2.0 hPa,均方根误差为4.7 hPa;水汽压偏差为0.1 hPa,均方根误差为1.1 hPa。COSMIC干廓线资料与L波段探空相比,在10～30 km高度内,温度偏差为-0.3℃,均方根误差为1.9℃;折射率偏差为0.4N,均方根误差为0.9N;气压偏差为1.4 hPa,均方根误差为2.6 hPa。表明COSMIC资料既具有较高的时空分辨率,又具有较好的精度,在数值模式中具有重要的潜在应用。     

贺兰山东麓极端暴雨的中尺度特征

利用近10年宁夏逐时自动气象站降水、银川CD雷达、FY-2、探空和ECMWF再分析0.125°x 0.125°等高分辨率多源气象资料,在中尺度系统分型基础上,对比分析贺兰山东麓6次极端暴雨的中尺度特征.结果表明:(1)低空偏(东)南急流夜间增强并配合贺兰山地形,在东坡山前触发或增强了暴雨中小尺度系统,造成地形处降水增幅...     

青藏高原探空大气水汽偏差及订正方法研究

水汽是大气的主要成分和降水的主要物质来源.青藏高原大气水汽分布对区域天气和气候有很大影响,为了探讨探空观测的大气水汽总量（R）资料的可靠性,本文以地基GPS遥感的大气水汽总量（G）为参照标准,对拉萨（1999~2010年）和那曲（2003年）的R进行对比分析和偏差（R-G）订正.结果表明:近10多年拉萨站R比G明显偏小,偏小程度随使用不同的探空仪而异.GZZ-2型机械探空仪和GTS-1型电子探空仪多年平均的PW偏差分别为-8.8%和-3.9%,随机误差分别为17.6%和13.6%.近10多年PW偏差变化呈减少趋势,这与探空仪性能改进有关.分析发现,青藏高原PW偏差具有明显季节变化和日变化特征,夏季比冬季明显,1200 UTC比0000 UTC明显.拉萨站GZZ-2型和GTS-1型探空仪在1200 UTC多年平均的PW偏差分别为-15.8%和-7.3%,在0000 UTC分别为-1.6%和-0.4%.那曲站GZZ-2型探空仪在1200 UTC和0000 UTC的PW偏差分别为-12.4%和-0.3%.分析还表明,太阳辐射加热与气温的日变化和季节变化是造成高原PW偏差日变化和季节变化的重要原因.据此,提出了高原PW偏差的订正方法,并以拉萨和那曲站为例进行PW偏差订正,订正后的PW系统偏差显著减少,随机误差也相应得到了改善.     

风廓线雷达反演大气比湿廓线的初步试验

基于湍流散射理论,运用边界层风廓线雷达 (WPR) 联合RASS (Radio Acoustic Sounding System), GPS/PWV (Global Position System/Precipitable Water Vapor) 进行全遥感系统的大气比湿廓线反演试验,并对影响因子进行分析。利用2011年8—9月云南大理综合探测试验数据的反演结果与探空数据进行比较分析,结果表明:WPR联合探空的温度廓线和起始边界比湿 (q₀) 反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线相比具有相同的变化趋势,标准差为0.84 g·kg-1,误差随高度增加呈递增趋势;WPR联合RASS, GPS/PWV数据反演大气比湿廓线,与探空大气比湿廓线的标准差为0.85 g·kg-1。参加反演的数据中,折射指数结构常数C_n2与谱宽σ_turb2对反演影响最大,反演算法中大气折射指数梯度M符号的判断对反演精度也有较大影响。     

Convective characteristics of the nocturnal urban boundary layer as observed with Doppler sodar and Raman lidar

Convective plume patterns, characteristic of clear sky and light wind daytime boundary layers over land, were observed for two nights with a tri-axial Doppler sodar operated in the central area of Rome during the summer of 1994. An urban heat island effect, combined with a continuation of a breeze from the sea late into night during both days, is believed to be responsible for the observed nocturnal convection. Estimates of the surface heat flux and the vertical velocity scaling parameter are obtained from profiles of vertical velocity variance, and the Raman lidar water vapor measurements are used to obtain the humidity scaling parameter. Convective scaling results for vertical wind and humidity fairly agree with the results of other experiments and models. On the basis of available measurements, it appears that mixed-layer similarity formulations used to characterize the daytime convective boundary layer over horizontally homogeneous surfaces can also be applied to the nocturnal urban boundary layer during periods of reasonable convective activity.     

微波辐射计与探空仪测值对比分析

利用武汉站高时空分辨力探空资料(3h,30m)与同址的MP-3000A型地基微波辐射计资料,分析了微波辐射计探测偏差的日变化及时间序列变化特征。结果表明,微波辐射计对大气要素的探测具有较高的探测准确度,但仍然存在一定的探测偏差。温度的探测偏差大值区出现在午后,相对湿度及水汽密度的探测偏差大值区则在凌晨;温度及相对湿度探测误差的时间序列表现为起伏较大,而水汽密度则相对平稳,降水,特别是强降水,会对微波辐射计的探测准确度产生较明显的影响。     

干湿地表的湍流特征及其对深对流影响的大涡模拟

利用大涡模式模拟了对流边界层结构演变以及深对流触发过程。通过改变鲍恩比的敏感性试验研究不同大气初始状况下湿润和干旱下垫面湍流特征及其对深对流触发过程的影响。结果表明:干旱下垫面的混合层干而暖,厚度较大;湿润下垫面相反。由于地表感热通量对热力湍流形成的作用更大,干旱下垫面上湍流混合和夹卷作用更强,使得水汽和相当位温在边界层内分布更均一,而在边界层顶有较大的负扰动;干旱下垫面上对流强度较湿润下垫面大,但均表现为泡状对流,水平方向上呈网状结构。不同下垫面上深对流的发生与大气初始状况有关,当初始时刻1—3 km的逆温强度较弱时（0.15 K/（100 m））,边界层内湍流迅速发展,深对流首先在干旱下垫面发生,但因对流有效位能较小,云层厚度小于湿润下垫面。当1—3 km的逆温强度增加到0.55 K/（100 m）时,云层形成时间较晚,云层厚度明显减小,仅当边界层顶的比湿较大时,有深对流发生,但仍首先发生在干旱下垫面,考虑贯穿对流在边界层顶引起的较强冷却作用,云层厚度大于湿润下垫面。      

4D tomographic reconstruction of the tropospheric wet refractivity using the concept of virtual reference station,case study: northwest of Iran

Iran enjoys a variety of climatological conditions. Moreover, numerical weather prediction (NWP) models are not assimilated with the meteorological data in Iran, the country suffering from poor spatial and temporal resolution of radiosonde measurements. These facts make modeling of troposphere impossible using the measurements and NWP. On the other hand, the global positioning system (GPS) has been emerged as a valuable tool for modeling and remote sensing of Earth’s atmosphere. This research is the first attempt to address the tropospheric wet refractivity modeling by GPS measurements in Iran. Changes of topography in the study area are taken into account. As a leading work, virtual reference stations (VRS) are used to fix the rank deficiency of the problem. The model space resolution matrix is used to achieve the optimum spatial resolution of the tomographic model and the optimum number of VRS stations. The accuracy of the developed model (KNTU1) is investigated by deploying radiosonde measurements.     

数值模式预报延迟量与GPS测量的比较研究

利用长江三角洲地区GPS观测网中4个站点的资料，研究了2002年梅雨期静力延迟和湿延迟的时、空变化，以上海宝山站为例用探空资料对GPS资料进行了验证，并将MM5模式24h的预报结果与GPS测量资料进行比较，以检验MM5模式对静力延迟和湿延迟的预报能力，在此基础上提出了订正模式预报静力延迟误差的方法。研究结果表明：GPS是一种与探空观测有可比性的大气静力延迟和湿延迟测量手段。GPS站点测得的静力延迟和湿延迟呈现出不同特征，静力延迟有明显的周期变化，湿延迟的变化与天气过程相关联。模式初始场对静力延迟有很好的描述能力，而对湿延迟却存在低估现象。MM5模式24h滚动预报基本能反映出静力延迟的日变化趋势，而模式在预报静力延迟的逐时次变化方面还存在一定的偏差。模式对湿延迟变化有一定的预报能力，但也存在低估现象。模式对总延迟的预报总体偏低，偏差主要集中在-3cm附近。可以通过订正地面气压的方法减小模式对静力延迟的预报误差。     

时间加密探空观测对分析和预报质量的敏感性研究

探空观测是气象资料同化中最基本的常规观测资料,对同化分析和预报的有效改善具有重要作用。由于现有探空观测站的空间分辨率较低,分布不均匀,且每日仅有两次观测,数量偏少,限制了其分析场对中小尺度大气状态的准确再现能力。自我国L波段雷达-数字探空仪更新换代以来,探空观测具备了获取每日4次、垂直分辨为秒级和分钟级的大气廓线资料。本文利用WRF中尺度数值模式,通过06时（世界时,下同）加密探空资料和12时常规探空资料的有效同化,研究分析了时间加密探空观测资料对同化分析和预报质量的敏感性影响。结果表明：同化06时的时间加密探空资料的午后暴雨预报质量优于12时常规探空观测。具体而言,同化06时的时间加密探空资料预报的大雨和暴雨的预报技巧高于12时常规探空资料;位势高度、温度和风场等预报场的均方根误差在高层的改进效果更加明显;06时的时间加密探空资料的同化对高层的高空急流和低层的水汽通量散度的预报质量贡献更大。批量试验进一步证实了有效同化时间加密探空资料对分析和数值预报效果改进的积极意义。     

用探空资料检验中尺度数值模式对强对流天气的诊断分析能力

提高对流天气临近预报准确率的关键问题之一是了解大气的垂直稳定度和垂直风切变。中尺度数值模式产品提供了高时空分辨率的大气稳定度和垂直风切变信息，需要首先检验其精度才能进一步考虑其在对流天气预报中的应用。利用北京加密探空资料检验北京市气象局3km分辨率的MM5模式结果，对强对流天气的背景参数包括温湿风垂直廓线、对流有效位能CAPE和垂直风切变进行模式分析和预报与探空对比检验。结果表明：模式模拟的各种大气廓线中，风廓线和温度廓线都具有一定的参考价值，与实况有较好的一致性，但在廓线出现转折的地方，如：逆温层和风向转折时，模式预报较差。露点（湿度）廓线的预报误差较大，不能反映出真实水汽场的分布。因此，模式预报的深层（地面至500hPa）垂直风切变与探空具有较好的一致性，而模式给出的对流有效位能CAPE由于露点预报结果不理想，其值与实际偏差较大。因此模式输出的对流有效位能CAPE必须经过适当订正才能用于诊断强对流天气发生的可能性。     

Observations of reversal of mixing ratio in the atmospheric boundary layer over the Arabian sea

Analysis of the radiosonde observations over the Arabian sea region during MONSOON-77 and MONEX-79 has revealed a reversal in the mixing ratio (QR) above the inversion/stable layer in the atmospheric boundary layer. The reversal could be attributed to the detrainment of cloudy air originating in the deep moist convection which has penetrated the inversion layer in nearby areas. It was noticed that the soundings in which a reversal of mixing ratio was not observed, were associated with meteorological conditions favourable for deep convection.     

利用COSMIC掩星资料分析青藏高原地区对流层顶季节变化特征

根据WMO(1957)对流层高度的判别方法,利用2007—2013年COSMIC掩星资料计算了对流层高度,并用无线电探空资料对结果进行检验,分析了青藏高原地区对流层顶季节变化特征.结果表明,COSMIC掩星资料和无线电探空资料判定的对流层高度具有很高的线性相关关系,相关系数高达0.976,平均值偏差为0.448 km,...     

基于地基遥感设备构建遥感探空廓线

利用天津地基遥感(风廓线雷达和微波辐射计)数据及地面自动气象站数据构建地基遥感探空廓线系统(简称遥感探空廓线), 旨在弥补常规探空层结信息时空密度不足, 对2020—2021年5—9月遥感探空廓线反演结果进行模式检验, 并从中选取10次强对流过程进行个例效果评估。结果表明:反演数据与欧洲中期天气预报中心再分析数据(ERA5)比湿的平均绝对偏差为1.06 g·kg-1, 对流有效位能相关系数为0.84(达到0.01显著性水平)。10次强对流过程中强对流发生前临近时次常规探空对流有效位能平均值为322 J·kg-1, 遥感探空廓线具有分钟级时间分辨率, 能高时效性地跟踪大气状态的演变趋势, 对流发生前8 h内对流有效位能平均峰值为1451.88 J·kg-1, 与常规探空相比具备明显对流指征。研究表明:遥感探空廓线能动态描述热动力参数的配置及对流潜势的发展与释放过程, 有利于提高短时临近预报的精细化水平。     

基于GPS技术的大气可降水反演方法

根据全球定位系统遥感水汽的原理,利用2004年6月哈尔滨GPS跟踪站的观测资料和气象资料,对哈尔滨地区的大气综合水汽含量进行了反演,得到了误差(与控探空资料计算的水汽含量相比)为2.7 mm的反演结果。同时对影响水汽反演的误差进行了分析,给出了各项误差对水汽结果的影响程度,并对反演结果与探空资料结果和实际降水进行了比较,得出了其间变化一致性的结论。     

Evaluating regional atmospheric water vapour estimates derived from GPS and short‐range forecasts of the Canadian Global Environmental Multiscale model in southern Alberta

Abstract

Integrated atmospheric moisture has been derived from a network of Global Positioning System (GPS) receivers established in southern Alberta. GPS receivers and post‐processing techniques provide the ability to estimate integrated precipitable water vapour (PWV) at temporal and spatial scales not usually available using conventional observational techniques and without costly expendables. GPS‐derived PWV was evaluated during the Alberta GPS Atmospheric Moisture Evaluation (A‐GAME) using nearby radiosonde observations from the Airdrie, Olds‐Didsbury and Sundre airports during field campaigns in the summers of 2003 and 2004. For the 2004 A‐GAME period, the regional (15 km) Global Environmental Multiscale model (GEM)‐modelled PWV was compared to the GPS derived PWV using a distance weighting approach. GEM model performance was assessed with regards to prognosis time (from 0 to 9 hours), grid cell elevation, location and the presence of storms in the study region. The results show that there is good agreement between radiosonde‐derived PWV and PWV derived from nearby GPS sites with correlations (r²) ranging from 0.76 to 0.84; the GPS‐derived PWV showed a small dry bias averaging 0.6 mm. When compared to GPS‐derived PWV, GEM model performance was found to be favourable out to the hour‐3 prognosis with an overall correlation (r²) of 0.63. Performance decreased with increasing prognosis time and as a result of the presence of storm activity in the study region but did not decrease with increasing grid cell elevation.     

近海水汽初值和对流影响一次华南前汛期沿海强降水对流系统发展过程的机理研究

本研究在对华南季风降水试验（SCMREX）观测资料分析的基础上,采用数值模拟试验探讨南海北部区域湿度场初值误差和海上对流对2014年5月8日华南沿海地区的一次强降雨过程的中尺度对流系统（MCS）的发展和移动的影响。加密探空和风廓线观测分析表明在珠江口地区有西南风和偏东风急流形成的辐合区,为对流在该地区增强发展提供了条件。增加和减少近海湿度以及关闭积云和微物理过程潜热释放,所造成的温度场以及风场的变化对广东沿海地区的对流的强度和移动路径都有明显的影响。特别是增加海上关键区的湿度,由于海上对流的发展改变了整个区域的环流,抑制了陆地上对流的发展。关闭海上关键区对流过程潜热的释放,导致低空急流到达更加偏北的位置,对流系统在模拟的后期向东北移动。通过这些试验表明,海上的湿度等要素场和对流活动对沿海地区的降雨预报有着十分重要的影响,需要进一步加强海上观测及其资料同化方法。