高空气象探测系统换型记录对比分析

利用青海省西宁市气象站L波段雷达探空系统和701雷达探空系统定时探测资料,应用统计学方法,分别对各标准等压面层的高度、温度、湿度、风进行差值对比分析,同时对500hPa高度、温度及其差值的分布特征进行研究。结果表明:L波段雷达探测系统感应灵敏,滞后误差小,所获资料离散性小,更加稳定可靠;L波段雷达系统高度、温度的测值比701雷达系统的测值偏高,湿度测值却偏低,07时偏高或偏低比19时明显,500hPa及其以下两者测值接近,差值较小,温度差值分布较高度差值分布集中;两种探空仪灵敏度的高低在对流层顶附近表现得更为突出,其差异更加明显;各层之间比较:高度平均绝对差值随着探测高度的升高而增大;温度平均绝对差值随高度的变化不尽相同,在温度突变的对流层顶附近差值幅度较大,同样当湿度变化剧烈时,其差值幅度也相应增大;风的变化随机性较大,总体上风向在对流层底部尤其在摩擦层内偏差相对较大,但随高度变化呈减小趋势,相反,风速平均绝对差值表现出随高度变化逐渐增大的趋势。     

L波段高空气象探测系统气压、高度观测数据分析

对甘肃省民勤站L波段高空探测系统GTS1型探空仪地面基测气压变量的统计分析表明,气压传感器在地面稳定的环境下感应的数值与标准气压数值相比偏低;在实时探测过程中,气压相差1hPa时,L波段高空探测系统所反映出的测高偏差随探测高度的增加而不断变大;对L波段雷达和GTS1探空仪测量高度的差值进行比较,所得的高度差随探空仪的升高而逐渐增大,探测高度到达36000gpm时,高度差约为1700gpm。     

风廓线雷达组网资料初步对比分析

以L波段探空雷达探测到的水平风为标准对全国风廓线雷达探测到的水平风的可信度进行评估,得到:风廓线雷达探测到的水平风在700 hPa高度以下与L波段探空雷达测风有较好的一致性;并且将风廓线雷达探测到的垂直速度与同址地面自动气象站观测到的1 h雨量进行相关性分析,得出垂直速度大小能很清楚地反映降水的开始、结束以及降水的强度;最后将全国风廓线雷达探测到的水平风进行组网对比分析,得出全国风廓线雷达探测得到的水平风在700 hPa高度下是可信的,风向可信度随探测高度的增加而增大。风速可信度随探测高度的增加而降低。     

中国1月探空资料与NCEP再分析资料位势高度场之间差异特征分析

文章选取了NCEP再分析资料与中国探空资料150～925hPa共7个高度层,1958—2009年中每年冬季1月份的月平均高度场数据,对中国地区逐层资料进行了差值分析,并对400hPa与700hPa的差值做了时间折线分析,分析了各个层面不同区域NCEP资料的可信度以及400、700hPa层面NCEP再分析资料与探空资料之间差值随年份的变化特征。结果显示:中国地区东部资料比西部资料可信度高,低纬度资料比高纬度资料可信度高,400hPa及500hPa两层资料的偏差最小,NCEP再分析资料在400、700hPa层面都表现出了其准确性随着模式完善逐年增加的结论。     

用GPS定位数据研究L波段雷达数字探空仪系统的测高误差

我国高空站网已普遍推广L波段雷达-数字探空仪系统,但业务上作为测风使用的L波段雷达设备的探测精度只经过了近距离静态目标的标定,缺乏相关的动态检验.为了解该系统的动态探测性能,作者在数字探空仪上增加了GPS定位模块,以获得的GPS高度数据作标准,分析了2006年5月至6月上海和南京探空站23份施放记录,结果表明: L波段雷达设备由于水平标定精度不够,造成测高误差较大,100hPa高度以下最大系统误差达到几百米,而且每个站的误差带有系统性,但利用GPS高度数据与雷达测得高度的对比分析结果,来修正雷达仰角参数后,大幅度提高了L波段雷达的测高准确度,系统误差在100hPa高度以下不超过40m.因此在高空探测业务上以GPS定位资料作为L波段雷达定标的参考标准具有可行性.     

L波段探空雷达探测高度偏低分析

海拉尔站L波段雷达探测高度经常出现偏低现象,为弄清探测高度偏低的具体原因,通过ASOM系统统计分析了该站探空和测风数据,并从多个可能造成雷达探测高度偏低的成因分别进行分析,发现造成海拉尔站L波段雷达探测高度偏低的主要原因为:(1)探空仪突然变性;(2)1600g探空气球在冬季的施放高度偏低;(3)海拉尔站值班大楼在固定方位、仰角区间内会对探空信号造成遮挡。     

地基遥感联合反演大气边界层高度与ERA5再分析资料比对分析

利用北京国家综合气象探测试验基地超大城市观测试验建设的地基垂直遥感设备(激光气溶胶雷达、微波辐射计及风廓线雷达),使用2021年5—8月的观测资料,根据不同设备的探测优势以及边界层的日变化规律,利用激光气溶胶雷达、微波辐射计、风廓线雷达观测资料进行联合反演,得到全天候大气边界层高度。并将联合反演所得的边界层高度与探空资料计算及ERA5再分析资料提供的全天候大气边界层高度进行比较,发现:联合反演边界层高度与ERA5数据提供的大气边界层高度有较好的一致性;激光气溶胶雷达适用于白天对流边界层的观测,微波辐射计适用于夜间稳定边界层的观测,使用微波辐射计与风廓线雷达联合反演大气边界层高度可以改善弱降雨时单设备的反演结果;联合反演的大气边界层高度结果与单设备反演大气边界层高度均符合大气边界层的日变化规律;得到的联合反演边界层高度与探空数据计算得到的大气边界层高度差值的标准偏差为62 m,相较于ERA5数据提供的一定范围内大气边界层高度均值,联合反演边界层高度能更精准地反映更小范围内的大气边界层高度。     

云底高度的地基毫米波云雷达观测及其对比

对2014年11月20日—12月31日中国气象局大气探测综合试验基地Ka波段毫米波云雷达、Vaisala CL51激光云高仪、L波段高空探测系统观测的云底高度进行对比分析。结果表明:在低能见度条件下,毫米波云雷达对云的探测能力明显优于激光云高仪,随着能见度的增加,两设备云探测能力差距在减小;毫米波云雷达与激光云高仪同时观测到有云时,二者观测的云底高度相关系数为0.92;毫米波云雷达与探空观测云底、云顶高度的相关系数分别为0.93和0.78;云雷达观测的云底高度均略低于激光云高仪和探空,云雷达观测的云顶高度略高于探空。     

新疆探空仪器换型前后资料对比分析

选取阿勒泰、阿克苏、和田等8个台站L波段和59-701系统对比观测逐日07时和19时850～100 hPa 10个位势等压面上的高度、气温、露点温度数据,进行差值、离散程度分析,对数据进行t检验,并给出订正方程.研究发现:(1)温度差值07时阿勒泰、库尔勒、民丰等5站为正,哈密、若羌、阿克苏三站为负,正值表明L波段雷达探测的温度值大于59型的温度值,大部分台站19时的差值比07时稳定.(2)高度差值07时和19时4站为正,250 hPa以下差值在0～-10之间,250 hPa以上差值迅速增大,除个别台站外差值最大值均在100 hPa处.(3)07、19时露点温度差值除个别等压面外均为负值,且07时的差值大于19时.(4)大部分台站的高度、温度能通过信度α=0.05的检验,说明L波段与59-701雷达探空高度和气温观测资料无显著性差异.露点温度均未能通过T检验,通过计算给出订正方程.     

两部近距离风廓线雷达资料的对比分析

在不同天气条件下,对大连市金州区固定式风廓线雷达和大连市新机场车载移动式风廓线雷达资料进行对比分析,研究结果表明:1)随着数据的可信程度越高,两组探测风速的相关性越好,标准差越小,两种风廓线雷达资料质量可信的风速数据,相关系数达到了0.92,标准差为4.31 m/s。2)质量可信的两组风速数据,绝对误差小于3 m/s的累计概率达到了92%。3)随着高度的增加,两部风廓线雷达探测的风速偏差增大,在1 km以下偏差增大的幅度较大,3 km以上增加的幅度较小。在1 km以下随着高度的增加,两组探测风速的相关系数明显的增大。4)在探测数据完整度和可信度高的情况下,在大风天气、气旋系统、强冷空气天气过程中,两部风廓线雷达的探测风速,均表现出了较高的一致性,随着高度的增加,这种一致性表现出减小的趋势,多表现在4 km以上一致性较差。     

国产GPS探空系统探测能力分析

实验室测试和外场比对试验表明,我国研制的GPS探空系统采用卫星导航测风体制进行测风,GPS高度反算气压取代气压传感器,较之雷达探空体制要更为准确和精确。其在电气性能和稳定性、可靠性方面满足CIMO的探空要求。实验室测试表明,在采用新型温、湿、压传感器和测试条件情况下,准确性误差分别在±0.1℃、±2%、±1hPa之内,满足WMO对常规高空探测要求。与RS92型探空系统相比,国产GPS探空仪的动态测量性能除相对湿度准确性方面由于技术和工艺水平仍有一定差距外,其余要素已接近RS92的水平,尤其与GPS定位相关的气压、位势高度、风向和风速,其一致性标准差已与RS92相当,达到了较高的水平。与我国现有高空探测业务使用的L波段探空系统相比,测量准确性方面已优于L波段探空系统。     

59型与L波段探空仪温度和位势高度记录对比

利用全国探空系统换型时获取的70个高空台站的对比观测数据,计算了59型探空仪和L波段探空仪温度和位势高度的差异,分析了探空仪换型对于探空数据一致性的影响。结果表明:就全国平均而言,在100 hPa特别是在400 hPa以下高度,两套系统提供的温度和位势高度观测值没有明显的系统差异;但在70 hPa以上高空,59型探空仪测定的规定等压面温度比L波段探空仪低0.1～0.7℃,导致位势高度在20 hPa高度时偏低达30 m左右,换型前后变化明显。系统差异的产生与59型探空仪的生产厂家、施放地区和季节关系较大,进一步分析表明:太原厂生产的探空仪测得的温度在对流层偏高,在平流层偏低,位势高度在对流层偏高,在平流层逐步转为偏低;上海厂生产的探空仪测得的温度全程偏低,引起位势高度也全程偏低,因此两个厂家的59型探空仪相对于L波段的温度和位势高度系统差也有明显不同。用户在使用局部地区高空站59型探空仪的观测数据时需了解该59型探空仪的生产厂家。     

乌鲁木齐风廓线雷达的探测能力评估

利用2011年12月~2013年3月CFL－03型风廓线雷达在乌鲁木齐市的风探测数据与同期的常规探空数据开展了比对分析,从而对风廓线雷达探测数据的可靠性和探测能力给予了评估。结果表明,受乌鲁木齐四季不同的气候背景影响,CFL－03型风廓线雷达的数据获取率在夏季最高,在冬季最低,80%的数据获取率等值线夏季、冬季各自达到的高度分别为4500m和1980m;受低空地物回波、探测盲区等因素影响,240m以下风廓线雷达探测的风速误差较大,240m以上风廓线雷达四季探测的风速普遍小于实况,误差在-1~0m/s之间的出现频率最高,介于28.8%~31.8%,且在四季最大频率出现的高度有所差异,总体来看夏季风速误差相对较小;风向误差总体在-22.5°~0°之间的出现频率最高,且随着高度增加频率增加;风廓线雷达风速的探测能力优于风向,二者与实况的相关系数各自为0.9左右和0.6~0.8;通过长时间序列的风速、风向资料的比较,说明CFL－03型风廓线雷达能够较为准确地反映冬季天气过程的演变,且能够较为精细地刻画夏季短时强降水天气过程中高低空气流的变化特点。在综合考虑低空地物回波、探测盲区因素以及高空气球探空飘移等多种因素影响的情况下,可见CFL－03型风廓线雷达对乌鲁木齐大气环境和天气过程拥有较可靠的监测能力。     

不同台风降水强度下风廓线雷达适用性

以2019年8月在浙江舟山对1909号超强台风“利奇马”的移动观测试验为基础,利用同一地点释放的9次GPS探空气球,对比了风廓线雷达和多普勒激光测风雷达与GPS探空的吻合程度,并利用车载雨滴谱仪对风廓线雷达在不同台风降水强度下的适用性进行了研究。结果表明,在100~300 m高度范围内激光测风雷达观测风速比风廓线雷达更准确。由水平风速对比结果可知,风廓线雷达在3~4 km高度范围内偏差最小(3.59 m/s),相关性最高(0.86),而在1 km高度下偏差最大(6.39 m/s),相关性最低(0.54);在中雨及大雨条件下适用性最差,最大风速偏差约为18 m/s。由水平风向对比结果可知,风廓线雷达与GPS探空总体上吻合较好,相关系数均大于0.85,均方根偏差均小于11 °。另外,降水强度对风廓线雷达的风向观测影响较小,风向偏差随降水强度的变化总体趋于平稳,基本分布在-20 °~20 °之间。      

毫米波测云雷达融化层自动识别技术

为了充分利用雷达数据中的融化层信息,通过分析融化层在反射率因子和线性退极化比(LDR)参量中的特性,结合国内某型毫米波测云雷达的特点,提出了一种融化层边界自动识别的技术。利用2010年5-10月国内某型毫米波测云雷达在杭州的探测资料及相应的探空资料,对识别结果以及算法中参数的敏感性进行了对比和分析。对比结果表明,该方法能有效识别亮带的存在,得到的融化层上边界平均高度与实测零度层高度的误差小于100 m。参数的敏感性分析表明,融化层在反射率和LDR中的特性存在差异,其厚度在600～1500 m。毫米波测云雷达距离分辨率高、LDR对融化层敏感以及使用反射率和LDR双重约束是识别出的融化层边界误差较小的原因。     

毫米波雷达与无线电探空对云垂直结构探测的一致性分析

在众多种针对云垂直结构的探测中,毫米波雷达可获取云底、云顶、云厚等完整的云垂直结构信息,并可以连续监测云的垂直剖面变化,是有力的探测手段之一。而无线电探空因其直接的测量优势,能直观、确切地描述大气湿度垂直结构,可将其进一步处理生成云垂直结构信息,并作为一种数据源用于与毫米波雷达云垂直结构探测结果进行比对,以评估毫米波雷达针对云宏观垂直结构的探测性能,为毫米波雷达更好地应用于云探测提供参考。通过获取位于北京南郊观象台的毫米波雷达2014年10月28日至2015年2月17日长达113天连续观测的反射率因子以及探空温、压、湿数据,设计或选取合适的方法对二者进行云边界的计算,并进行云高（包括云底高和云顶高）以及云层数的一致性比对分析。结果认为,除对于高层云的云顶高度毫米波雷达由于探测限制不能探测到10 km以上的云顶,某些时刻与探空产生较大差异外,在云底高度以及中低云的云顶高度上可以与探空观测取得很好的匹配效果,对于云的垂直分层上二者也有较强的一致性。该毫米波雷达具有较为准确并连续刻画10 km以下云垂直结构的能力。     

探空观测黑名单检查在变分同化系统中的应用

针对探空观测资料使用造成的某些区域GRAPES分析场存在虚假的高、低压系统问题,该文通过对比全球探空资料的位势高度观测与NCEP分析场,统计站点中观测质量较差的时次出现频数,确定探空位势高度观测黑名单。研究表明:500 hPa在印度地区、北大西洋和南极洲附近的探空位势高度观测与NCEP分析场的均方根误差在30 gpm以上的站点较多,且位势高度观测不可靠观测比率为20%以上的站点主要集中这些区域,以上观测站均列入黑名单。文中在GRAPES全球三维变分分析场的质量控制中加入探空位势高度观测黑名单检查,通过6 h分析预报循环试验表明:探空位势高度观测黑名单检查能有效提高分析场质量,GRAPES位势高度分析场在南极洲附近和印度地区有所改善。     

RS92型GPS探空仪的性能试验与分析

采用同球施放的方法,对芬兰维萨拉GPS探空仪的性能进行了试验。结果表明：气压和湿度的测量一致性符合RS92型GPS探空仪的探空整体非确定性的标称;温度除白天10hPa外,其它各规定层都能够满足RS92型GPS探空仪的探空整体非确定性的标称;湿度、风速能够满足WMO对全球气候观测系统（GCOS）探空的要求,高度能很好满足WMO对GCOS探空的要求。辐射特性分析表明,RS92型GPS探空仪在70hPa以下受辐射影响较小,20hPa以上温度受辐射影响相对较大。出、人云特性分析表明,RS92型GPS探空仪的湿度测量性能较好,能较灵敏地跟踪湿度变化,温湿度配合合理,数据丢失情况比RS80型探空仪明显减少,但产品在稳定性、检测和软件方面仍需要改进。     

利用CINRAD WSR-98D探测飑线天气过程

根据南昌CINRAD WSR-98D天气雷达获取的2002年4月5日的平均径向速度场和强度场回波资料，结合当日探空、500hPa及地面天气形势等资料分析发现：2002年4月5日的强风夹带飑线天气过程的发生、发展，在高空、地面天气形势及层结稳定度方面均表现出明显特征，同时在多普勒天气雷达回波上也有明显特征。