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基于多模型神经网络的湿度廓线反演研究

电波科学学报 2024年第1期39卷 181-190页

作者：王金虎肖安虹陈后财王昊亮刘萱蔡海强南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室南京210044 中国科学院中层大气和全球环境探测重点实验室北京100029 南京信大安全应急管理研究院南京210044 中国电波传播研究所青岛266107

为提升微波辐射计对大气廓线探测的精度,利用ARM大气观测站提供的地基微波辐射计、毫米波测云雷达以及探空数据,构建了两种添加不同云信息的反向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)模型(添加入云和出云高度的C-BPNN模... 详细信息

为提升微波辐射计对大气廓线探测的精度,利用ARM大气观测站提供的地基微波辐射计、毫米波测云雷达以及探空数据,构建了两种添加不同云信息的反向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)模型(添加入云和出云高度的C-BPNN模型与添加雷达反射率因子的Z-BPNN模型)与一种未添加云信息的BPNN模型(记为BPNN0),并对反演结果进行了对比,结果表明:C-BPNN模型和Z-BPNN模型在任何天气下(有云或无云),得到的反演误差都小于BPNN0模型;C-BPNN相较于另外两种模型反演结果具有更高的稳定性。对3种模型各自反演结果最好的个例分析发现,C-BPNN与Z-BPNN模型主要的误差存在于高空无云但是相对湿度却出现跃变的情况,说明神经网络模型对初始权值与阈值较为敏感,因此通过遗传算法(genetic algorithms,GA)对BPNN模型进行优化。经GA优化后的反演结果表明:BPNN0模型与C-BPNN模型具有明显优化效果,而Z-BPNN模型优化效果则不明显。

关键词：地基微波辐射计毫米波雷达湿度廓线反向传播神经网络(BPNN) 遗传算法(GA)

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

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陕西气象 2024年第1期 71-76页

作者：白水成狄慧鸽袁云任丹阳曹梅西安市大气探测中心西安710016 陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室西安710016 西安理工大学西安710048

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... 详细信息

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。

关键词：激光雷达微波辐射计探空资料温度廓线湿度廓线

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大气温度和湿度廓线的CT遥感方法仿真研究

量子电子学 1996年第4期13卷 378-384页

作者：汝剑飞荀毓龙中国科学院安徽光学精密机械研究所

本文讨论了ＣＴ（计算机层析扫描）技术在廓线反演中的应用，７个适合本研究特点的红外光谱通道被确定，对温度和湿度廓线截面作了数值仿真，并与常规的正对地观测反演作了比较，结果表明ＣＴ方法可以提高温度反演精度达２０％以上，而... 详细信息

本文讨论了ＣＴ（计算机层析扫描）技术在廓线反演中的应用，７个适合本研究特点的红外光谱通道被确定，对温度和湿度廓线截面作了数值仿真，并与常规的正对地观测反演作了比较，结果表明ＣＴ方法可以提高温度反演精度达２０％以上，而湿度的反演则表现出对先验信息的较强依赖性．

关键词：权函数 CT技术温度廓线湿度廓线大气温度

利用NOAA-9卫星垂直探测资料反演大气湿度廓线的试验

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气象 1988年第10期 22-24页

作者：张凤英董超华国家气象局卫星气象中心国家气象局卫星气象中心

本文介绍了利用NOAA系列卫星垂直探测器(TOVS)资料反演水汽廓线的方法,并给出了利用特征向量回归法由NOAA-9 TOVS资料反演水汽廊线的结果及其与常规探测资料的比较分析。比较结果表明,卫星反演水汽廓线与常规探测水汽廓线基本吻合。

关键词： NOAA-9 资料反演水汽廓线探测资料湿度廓线水汽混合比回归法协方差矩阵水汽含量特征向量

基于PSO-BP神经网络的探空湿度太阳辐射误差修正

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科学技术与工程 2018年第19期18卷 1-8页

作者：单鹏冒晓莉张加宏马涛陈永南京信息工程大学电子与信息工程学院南京210044 中国科学院紫金山天文台南京210034 南京市气象局探测中心南京211100

采用计算流体动力学(CFD)软件仿真太阳辐射偏干误差可获得无线探空仪的湿度修正因子,提高了湿度廓线的精度,有助于提升天气预报、气候预测及气象灾害预报预警能力。但湿度修正因子存在明显的时空分布特性,采用CFD方法对每条湿度廓线进... 详细信息

采用计算流体动力学(CFD)软件仿真太阳辐射偏干误差可获得无线探空仪的湿度修正因子,提高了湿度廓线的精度,有助于提升天气预报、气候预测及气象灾害预报预警能力。但湿度修正因子存在明显的时空分布特性,采用CFD方法对每条湿度廓线进行修正计算量庞大。针对这一问题,以CFD软件仿真出典型气压、太阳辐射量和太阳高度角下的温度误差作为数据样本,通过粒子群优化(PSO)的BP神经网络构建预测模型,对探空湿度太阳辐射温度误差进行预测,并利用饱和水汽压逼近公式推算湿度测量的修正因子。研究结果表明,以南京探空站某一天的探空数据作为测试对象,CFD计算和PSO-BP预测的湿度测量太阳辐射误差吻合度较好,说明PSO-BP神经网络预测方法能够对湿度廓线的太阳辐射偏干误差进行有效修正,而且可显著提高修正效率。

关键词：太阳辐射偏干误差(SRDB) 湿度修正因子湿度廓线 PSO-BP神经网络

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日食对中国大气边界层热力状态的影响分析

遥感学报 2023年第2期27卷 420-429页

作者：雷连发王振会马盈盈李成伟刘晓璐曹江平白水成朱磊卢建平南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心中国气象局气溶胶—云—降水重点实验室南京210044 南京信息工程大学大气物理学院南京210044 北方天穹信息技术(西安)有限公司西安710100 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室武汉430074 陕西省气象局气象探测中心西安710014 中国气象局云雾物理环境重点实验室北京100081 广西壮族自治区人工影响天气办公室南宁530022 西安市大气探测中心西安710016

地球的能量主要来源于太阳,太阳的辐射变化对地球大气边界层有着潜在的影响。日食过程中太阳被遮挡减少了到达地球的热辐射能量,大气热力状态被改变,为研究大气层热力状态的变化提供了一个好的机会。2020年6月21日,在中国境内出现了一... 详细信息

地球的能量主要来源于太阳,太阳的辐射变化对地球大气边界层有着潜在的影响。日食过程中太阳被遮挡减少了到达地球的热辐射能量,大气热力状态被改变,为研究大气层热力状态的变化提供了一个好的机会。2020年6月21日,在中国境内出现了一次日环食,除日环食带以外中国其他地区都可见到日偏食。为了研究日食对边界层大气热力状态的影响,本文分析了西安、遵义、南宁和宜宾4个不同地区的微波辐射计实时连续观测的大气温湿度廓线数据,研究日食期间不同日面遮挡程度对不同边界层高度上大气热力状态的变化及其受天气条件的影响。这4个站点月球对太阳的遮挡比例都不相同,其中宜宾处在日环食带上遮挡最多。实验结果表明,日食期间大气边界层温湿度受到日食的影响较为明显。从日食开始到最大时刻由于到达地球的太阳辐射能减少,边界层大气温度也开始降低,在日食从最大时刻到结束期间,从太阳到达地球的辐射能量逐渐增大,边界层温度开始上升,日食过程中相对湿度变化与温度相反。4个站点温度变化最大约4℃,相对湿度变化超过10%,水汽密度没有明显变化,各个高度层温湿度变化明显滞后日食过程约15—20 min。日食过程中,月球对日面遮挡越多,日食对边界层大气温湿度廓线的影响也越明显。日食对边界层大气温湿度的影响随着高度的增加逐渐减弱,日面被遮挡的面积越少日食对边界层影响的最大高度也就越低。由于云和雨对太阳辐射的衰减,日食对边界层大气温湿廓线的影响将会减弱。

关键词：遥感日食微波辐射计边界层温度廓线湿度廓线

AIRS反演中国区域上对流层水汽分布特征研究

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气候变化研究进展 2016年第1期12卷 1-9页

作者：刘瑞霞刘杰刘月丽中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室国家卫星气象中心北京100081 中国气象报社北京100081 山西省气候中心太原030006

上对流层水汽分布对于全球能量和水循环具有非常重要的影响。利用美国Aqua卫星红外高光谱仪器(AIRS)反演的湿度廓线资料对中国上对流层水汽时空分布特征进行了分析。为了保证卫星反演湿度廓线产品精度可以满足气候特征分析的需求,首先利... 详细信息

上对流层水汽分布对于全球能量和水循环具有非常重要的影响。利用美国Aqua卫星红外高光谱仪器(AIRS)反演的湿度廓线资料对中国上对流层水汽时空分布特征进行了分析。为了保证卫星反演湿度廓线产品精度可以满足气候特征分析的需求,首先利用JICA野外加密探空试验观测数据对卫星反演湿度廓线进行了真实性检验,分析表明,Aqua卫星搭载的AIRS反演的湿度廓线与探空加密观测数据总体具有较好的相关性,在200 hPa高度相对湿度偏差在5%以内,其精度可以用于上对流层水汽气候特征的分析。通过趋势分析以及EOF分解等方法,分析了2003年1月—2013年12月的中国区域上对流层水汽时空分布特征,结果表明,受夏季风影响,中国区域上对流层水汽具有明显的季节变化规律和年周期特征,中国大部分地区上对流层冬季偏干、夏季偏湿,夏季高湿区可以北移到35°N以北。而在新疆地区冬季偏湿、夏季偏干。总体来说,全年夏季水汽含量最高,秋季次之,冬季最小。2003年以来新疆地区及南部海域上对流层水汽呈显著增加趋势,华南、华北、内蒙古中西部水汽也有所增加,在高原地区及东北区域上对流层水汽稍有减少,但变化均不显著。上对流层水汽的增加,将有可能放大温室效应,在气候变化研究中应给予重视。

关键词： AIRS 湿度廓线对比检验时空特征分析上对流层

FY-3A星MWHS反演中纬度和热带大气水汽

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遥感学报 2012年第3期16卷 562-578页

作者：何杰颖张升伟中国科学院空间科学与应用研究中心中国科学院微波遥感技术重点实验室北京100190 中国科学院研究生院信息学院北京100190

风云三号A星(FY-3A)搭载的微波湿度(MWHS)计采用双边带接收机体制,选择主要受水汽影响的(183.31±1)GHz,(183.31±3)GHz,(183.31±7)GHz和窗区150GHz作为通道频率。本文首先分析了观测亮温值与利用辐射传输方程仿真的亮温值之间的关系,... 详细信息

风云三号A星(FY-3A)搭载的微波湿度(MWHS)计采用双边带接收机体制,选择主要受水汽影响的(183.31±1)GHz,(183.31±3)GHz,(183.31±7)GHz和窗区150GHz作为通道频率。本文首先分析了观测亮温值与利用辐射传输方程仿真的亮温值之间的关系,二者相比具有较好的一致性。其次利用神经网络方法反演大气相对湿度,并与线性回归方法进行对比,本文选用的区域内,神经网络方法优于线性回归法。最后,利用本文创建的神经网络模型与正在业务使用的AMSU–B反演模型进行反演均方差和稳定度对比,结果表明,本文创建的神经网络模型在所选区域,大气相对湿度反演精度与AMSU–B神经网络模型相当(反演均方差为15%—25%);水汽密度反演均方差除地面未知因素影响外,与探空观测相比,整体均方差小于1g/m3;不论在中纬度地区还是热带地区,都能较好地反演大气湿度的垂直分布廓线。同时,本文初次尝试在神经网络反演湿度廓线中引入墨西哥帽小波函数,结果表明,运用墨西哥帽小波函数在保证反演性能的同时,能有效减小迭代时间,避免陷入局部迭代。

关键词：风云三号微波湿度计湿度廓线神经网络反演均方根

宜昌市一次倒槽锋生气旋混合型对流天气特征分析

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人民长江 2024年第S1期55卷 29-34页

作者：孟芳张丽叶丹李芳宜昌市气象局湖北宜昌443000 三峡国家气候观象台湖北宜昌443000

2023年4月2~3日宜昌市出现一次由暖倒槽锋生气旋引起的混合型对流天气,过程以冰雹、短时强降水、大风等对流天气为主,且不同类型强对流天气出现的时段及对流特征差异较大,有必要对其开展精细分析。利用高空地面观测、天气雷达、GNSS/ME... 详细信息

2023年4月2~3日宜昌市出现一次由暖倒槽锋生气旋引起的混合型对流天气,过程以冰雹、短时强降水、大风等对流天气为主,且不同类型强对流天气出现的时段及对流特征差异较大,有必要对其开展精细分析。利用高空地面观测、天气雷达、GNSS/MET和微波辐射计等资料,分析了此次混合型对流天气特征,并初步分析了数值模式预报的偏差。结果表明:①此次对流天气分为以短时强降水为主的暖锋锋生阶段和以短时强降水、冰雹、大风为主的冷锋锋生阶段,局部累计雨量超过100 mm,极大风速达9级。②随着高空槽和冷空气逼近,700 hPa以下西南急流和前侧底层暖倒槽强烈发展,随着冷空气侵入暖倒槽,强斜压性气旋形成并发展。③天气雷达、GNSS/MET和微波辐射计等资料能够捕捉到不同类型强对流天气时空特征。④大尺度模式对环流背景场、中尺度模式对强降水落区预报均具有一定指示意义,但在地形对降水增幅作用上估算不足。

关键词：倒槽锋生气旋混合型对流天气反射率因子垂直剖面湿度廓线宜昌市