国产MWP967KV型地基微波辐射计探测精度

MWP967KV型地基微波辐射计是我国自主研发,拥有完整自主知识产权的新型大气微波遥感探测设备,为了实现国产设备在气象业务中的应用,需对设备的探测精度进行对比分析。利用2015年8月—2018年3月四川盆地南部山区的无线电探空数据和地基微波辐射计数据,分析晴空和有云天气条件下温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线及相关物理参数的精度。结果表明：晴空、层积云和高积云的微波辐射计与探空仪的温度、水汽密度和相对湿度相关系数整体上分别在0.9890,0.9665,0.5868以上,均达到0.01显著性水平。3种参数廓线的相关系数整体均呈地面大于高空,仅温度廓线相关系数达到0.01显著性水平,相对湿度廓线和水汽密度廓线在高空的相关系数未达到0.01显著性水平。3种参数的相关性整体上温度最高,水汽密度次之,相对湿度最低。温度、相对湿度和水汽密度的均方根误差平均值分别为2.8℃,22%和1.38 g·m-3,温度廓线和相对湿度廓线在层积云和高积云的云中及云上的精度明显降低,均方根误差较云层下温度升高1℃~2℃,相对湿度增大10%~20%。逆温层会影响廓线及物理参数的精度。晴天或云天等大范围相似天气条件下,探空气球飘移距离与温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线偏差的相关性较弱。     

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。     

激光雷达和微波辐射计温湿度廓线与探空数据的对比分析

基于西安泾河国家气象站2021年微波辐射计、西安理工大学研制的大气温湿度廓线激光雷达等设备观测数据反演计算0～10 km 以下的温湿度，通过与探空资料的对比分别评估了微波辐射计和激光雷达的探测性能。结果表明，二者反演的温度均与探空数据具有较好的一致性，激光雷达反演的温度和探空温度的相关系数为0997，均方根误差在15～25 K之间，微波辐射计反演的温度和探空温度的相关系数为0973，均方根误差在15～50 K之间；在反演相对湿度方面激光雷达优于微波辐射计，激光雷达反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0964，均方根误差在5%～15%之间，微波辐射计反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0632，均方根误差在20%左右。     

不同天气条件下微波辐射计温度探测效果评估

以西安泾河探空站的探空数据作为参照标准,利用同址安装的国产MWP967KV型地基多通道微波辐射计温度廓线数据,通过计算相关系数、平均偏差和均方根误差等,分析了微波辐射计在雨天、阴天、晴天和雾天四类典型天气下的温度探测效果。结果显示：微波辐射计反演的温度与探空探测的温度的相关系数为099,平均绝对偏差为217 ℃,均方根误差为275 ℃;均方根误差在各类天气下差异不明显,且随高度的增加误差逐渐增大;随着高度升高,微波辐射计反演温度的偏差有显著的变化。     

地基微波辐射计与探空数据对比分析

利用西安泾河国家高空气象站2020年1—9月电子探空仪在0～10 km探测高度内观测的温度和水汽密度数据,与同址的MWP967KV型地基微波辐射计反演的同类气象数据对比分析,以评估微波辐射计反演气象要素的准确性。结果表明：MWP967KV型地基微波辐射计反演的温度廓线与探空数据相关性较高,平均偏差小于15 ℃,均方差小于20 ℃,两者相关性达到0990;水汽密度的平均偏差和均方差均小于10 g/m3,相关性为0972;在任何天气条件下,温度的相关性均较高,水汽密度相关性较好;在雨天天气条件下,地基微波辐射计反演廓线与探空仪观测数据一致性最高,说明地基微波辐射计对厚云的反演精度比薄云高。地基微波辐射计在观测精度和探测高度方面还需要进一步优化改进,使其能获得高质量的探空观测资料。     

微波辐射计反演大气廓线精度及降水预报应用

利用2018年6月—2021年7月陕西西安泾河站MWP967KV型地基微波辐射计反演数据和L波段探空数据, 分析晴天和云天(低云、中云、高云)微波辐射计反演的大气温度、相对湿度、水汽密度的精度, 探讨相关产品在降水过程中的应用能力。结果表明:晴天和云天微波辐射计与探空的温度相关系数均为0.99, 水汽密度相关系数均为0.97, 相对湿度相关系数均低于0.50, 均达到0.01显著性水平;晴天和云天的温度差异较小, 但云天相对湿度均方根误差超过25%, 较晴天的19.54%明显偏大, 且3种参数均越接近地面反演精度越高。在不同云类型条件下, 3类云的温度差异较小, 低云相对湿度均方根误差和偏差最大, 分别为26.85%和9.51%。对降水个例分析表明:在临近降水发生前空中相对湿度、液态水含量、大气可降水量和液态水路径均明显增长, 这可作为降水可能发生的指示因子。降水前1 h大气可降水量达到4 cm, 液态水路径达到0.2 mm, 可作为判断降水发生的参考阈值。     

ERA5再分析数据在微波辐射计数据反演中的初步应用

为了研究ERA5再分析资料在微波辐射计数据反演中的应用效果,利用探空和ERA5作为训练样本分别训练得到两个神经网络,对微波辐射计观测数据进行反演。并以探空资料作为参考分别统计基于探空和ERA5再分析资料反演得到的数据的相关系数、绝对偏差和均方根误差,用于评估ERA5再分析资料在微波辐射计数据反演中的应用效果。结果表明：基于ERA5和探空反演的温度廓线与探空的相关系数分别为0.988、0.99,绝对偏差分别为2.402 ℃、2.607 ℃。反演水汽与探空的相关系数分别为0.975、0.979,绝对偏差分别为0.412 g/m3、0.369 g/m3。反演的相对湿度相关系数分别为0.663、0.696,绝对偏差分别为15.587%、13.976%。反演的积分水汽总量相关系数分别为0.959、0.968,绝对偏差分别为0.258 cm、0.227 cm。从结果来看,基于ERA5资料反演的温度、水汽资料与利用探空反演的结果相差较小,温度廓线反演效果优于相对湿度廓线。     

台风天气条件下地基微波辐射计反演产品精度分析

利用中国气象局上海台风研究所台风试验获取的4个典型台风个例数据,对地基微波辐射计反演的温度、水汽密度廓线与同址GPS探空资料得到的廓线进行对比分析,发现二者的温度、水汽密度相关系数分别为0.988、0.928。微波辐射计的探测精度在不同高度上有很大差异,整体来说,在高层温度探测精度较优于低层,而在低层水汽密度探测精度较优于高层。进一步研究表明,探测水汽密度精度与降水强度存在显著的正相关,而与风速及相对台风位置没有明显的关系。经计算,21组水汽密度廓线均方根误差与对应时段降雨强度的相关系数为0.912。本研究定量化地展示了微波辐射计在台风天气条件下对温度的探测精度相对比较高,且对水汽密度的观测质量有一定的可靠性和可用性,这一研究为今后将微波辐射计用于观测台风、锋面等强对流天气系统的大气温度湿度结构提供可靠性依据。     

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。     

地基微波辐射计反演的青藏高原东侧甘孜大气温湿廓线分析

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。     

阳江国际探空试验的GPS、探空、微波辐射计水汽资料对比分析

GPS/MET水汽资料因其建设维护成本低、时间分辨率高、可全天候、无人、自动观测等优点,已经成为获取大气水汽资料新的重要手段。以阳江第八届国际探空比对试验资料为基础,对比分析了GPS/MET与4种探空仪和微波辐射计获取的水汽资料。探空与GPS/MET测量的水汽值有较强的相关性,相关系数在0.57~0.74之间,但探空水汽值比GPS/MET偏高0.71~1.47mm,方差在3.48~3.96之间。其中RS92探空仪测量的水汽变幅与GPS/MET基本相当,但国内探空仪水汽测量值的变幅明显高于GPS/MET,偏高近1.6~1.8倍。微波辐射计在天气较好时,测量精度较高,基本上以3个国产探空仪数据相当;但微波辐射计在雨天受罩子上的雨水影响,误差较大,与GPS/MET的测量值不相关。     

风廓线雷达和地基微波辐射计资料在台风天气分析中的应用

利用常规地面观测资料、风廓线雷达及微波辐射计资料,对2020年8月4—5日第4号台风“黑格比”在浦东机场的一次强降水天气过程统计分析。结果表明：(1)副热带高压的强势稳定与台风挤压,导致浦东机场维持长时间的强风;(2)4日中午12:00以后,平均风速稳定在10 m/s以上并伴有阵风,约离台风距离浦东机场同纬度前后9 h,风向在4日21:00以后由东南风转为偏南风,12 h(4日21:00至5日09:00)累计降水量达57.9 mm;(3)云系结构在未登录之前,基本维持“9”字形,“黑格比”的螺旋云带主体位于台风的东南象限,北侧云带边界清晰,先向西北方向移动,逐渐影响浙江东南部沿海,其后又向正北方向移动,影响上海、江苏,于4日晚上21:00到达上海同纬度正西侧,且台风主体结构开始减弱松散;(4)出现明显降水过程时,5 km以下高度层垂直速度出现相应的显著大值区,垂直速度最大值接近9 m/s且高度可以达5 km以上,其数值与降水强度成正相关的关系;(5)当1 km以下高度层出现大气折射率结构常数Cn2高值区,且在2～6 km高度层出现次高值区时,对应着强降水,当高值区逐渐减弱时,表示强降水...     

基于微波辐射计和探空的FY-4A温度廓线检验

选取2021年1月1日—2022年3月31日山东济南地区探空、微波辐射计和FY-4A的温度廓线,评估FY-4A温度廓线偏差特征。结果表明：10 km以下,FY-4A温度比探空偏小0.51℃,两者偏差的标准差为0.50℃;FY-4A温度比微波辐射计偏大0.53℃,两者偏差的标准差为0.75℃。FY-4A与探空在00：00(世界时,下同)和12：00的温度偏差趋势一致;相对于00：00,12：00的FY-4A与探空温度偏差的离散程度较小。有降水时,600 m高度以上微波辐射计与FY-4A的温度偏差逐渐增大,在1500 m高度附近偏差达到最大值(约为9.35℃),在3000~8500 m高度内偏差为1.35~5.10℃,偏差的标准差为1.41~4.99℃。有降水时,FY-4A与探空的温度偏差和标准差在不同高度上不同,偏差变化范围为-0.31~3.60℃。有云时,微波辐射计与FY-4A的温度偏差为-0.40℃,偏差的标准差为3.79℃;探空与FY-4A的温度偏差为0.31℃,偏差的标准差为2.66℃。相对于有云时,晴空背景下FY-4A与另外两种设备的温度偏差和标准差均较小。     

MWP967KV型地基微波辐射计反演产品的质量评估

利用MWP967KV型地基微波辐射计和L波段探空资料,采用了平均误差、相关分析、回归分析等统计方法,评估了微波辐射计和L波段探空在降水和无降水时温度、相对湿度、水汽密度的差异,了解地基微波辐射计的性能。研究结果表明:(1)微波辐射计和探空探测温度、相对湿度和水汽密度为显著性的线性相关,两者相对湿度相关性不如温度和水汽密度高,且离散度较大。(2)无降水时,相对湿度和水汽密度平均误差小,有降水时,温度和相对湿度的均方根误差大;在低层时,无降水时温度平均误差小,水汽密度的均方根误差大,中高层时,有降水时温度平均误差小,水汽密度均方根误差大。(3)温度和水汽密度为显著性正相关;相对湿度在有降水时表现为0~2km的显著性正相关和9.25~10km的显著性负相关,无降水时表现为0~8km的显著性正相关。总体来看,微波辐射计能弥补探空时空不足的问题,相对湿度的可信度需要进一步提高,降水对微波辐射计影响较大。     

微波辐射计反演产品评价

利用北京南郊探空资料,对从美国进口的微波辐射计近3年反演资料,从总体平均、早晚平均、平均年变化以及不同天空状况4个方面进行分析、评价,以了解该设备的性能和产品特点。结果表明:①温度均方根误差从近地面到5000 m,误差逐渐增大,5000 m以上又逐渐减小。相对误差总体平均不到0.2,且均为正,表明仪器反演的温度比探空的偏高。②湿度从近地面到3000 m误差逐渐增大,3000 m以上逐渐减小。总体平均相对湿度的误差均为正,表明仪器反演出的相对湿度比探空的偏高。③从温、湿度误差的早晚对比看,20:00的误差相对比08:00小。④从不同天空状况看,温度碧空、多云间晴效果较好,多云转阴、阴天效果较差;湿度多云转阴、阴天效果较好。⑤从温、湿度误差的年变化来看,温度均方根误差1500 m以下年内变化幅度较小,1500 m以上变化幅度较大,呈现出8月误差最小,3、4月最大;相对湿度的均方根误差在1500 m以下年内变化比较相似,1500 m以上脉动变化比较大。     

地基35通道微波辐射计观测资料的初步分析

选取2008年6月的微波辐射计观测数据和同期探空数据进行对比分析。结果发现两者温湿度的相关系数分别为0.994和0.697,都通过了置信度为0.001的显著性水平检验,表明其总体趋势是相近似的。对于廓线的分析采用的是各层的平均值,微波辐射计和探空的结果都反映了温度随着高度呈现递减趋势,而且经过方差分析两者在0.05水平差异不显著。但相对湿度的廓线结果经过方差分析在0.01水平差异极显著。     

地基微波辐射计工作环境对K波段亮温观测影响

该文研究地基微波辐射计天线性能及其工作环境对K波段20~30 GHz亮温观测数据的影响,根据辐射传输理论和天线性能参数分析建立模型,通过模拟计算给出辐射计20~30 GHz波段亮温观测对天线性能及其工作环境的响应,提出针对工作环境温度变化影响的订正方案,并结合观测资料进行分析验证。结果表明:如果辐射计天线增益和3 dB波束宽度决定的等效主波束效率η_e较低,则即使在能够经常进行辐射计系统液氮定标的情况下也必须考虑天线工作环境 (环境温度与辐射计定标时的情景差异) 对K波段亮温观测的影响。对某一辐射计液氮定标后1年多观测资料的订正验证表明:订正效果明显,尤其是在28.0 GHz和30.0 GHz两通道。     

探测大气温湿廓线的35通道微波辐射计设计原理与特点

总结了自主研制的MWP967KV型地基35通道微波辐射计系统设计原理和主要特点。系统将K、V双频段宽带天线及接收机、宽带调谐本振、温湿压计以及电源模块紧凑集成为一台整机设备。对各传感器的测量输出实时进行一体化综合处理,采用BP神经网络实时反演大气温度、湿度廓线和汽、水总量。廓线的垂直覆盖范围为地表至顶空10km,共划分为58层。辐射计样机于2012年秋冬季节在北京地区开展了为期2个月的观测试验,利用这段时期内的69个探空资料样本对辐射计2个层次的实时观测输出都进行了对比检验,计算了水汽、氧气通道亮温和反演所得大气温湿廓线的平均偏差、均方差以及相关性。结果表明该系统能够满足实时气象监测的需求,达到国际先进水平。