霧(霾)天氣條件下不同型號微波輻射計觀測反演數據分析

20181113-14日北京出現了一次較強霧(霾)過程。通過對比分析四種型號的微波輻射計(以下分別以MAMBMCMD表示)同時段觀測反演數據(溫度濕度、水汽密度、液態水含量等)時空剖面、以及霧(霾)期間的探空數據,認為總體上幾種輻射計均具有較好的表現,能夠十分明顯地反應出霧(霾)期間,溫濕度、水汽密度、液態水含量的垂直分布及時間變化,如近地層的逆溫、輻射降溫、水汽凝結等現象(見圖1)。四種輻射計的觀測反演數據也存在一些細小的差別,主要體現在相對濕度、水汽密度、液態水含量垂直分布上。正是這些細節上的差別,反應了各型輻射計及反演算法的特質。

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圖1: 111216-1410時(UTC時間)四種型號輻射計同步觀測反演溫濕度、水汽密度時間剖面

1、反演數據與探空(實況)對比

選取了北京霧霾期間1311時、1323時(UTC時間,北京時1319時、1407時)兩個時次的探空數據作為參照(見圖2A2B)。圖中紅色實線為探空數據廓線,藍色實線為各型輻射計反演得到溫度、濕度廓線。由圖2B可以看出,1323時(北京時1407時)霧(霾)嚴重時,地面到2000米高度存在2個明顯的逆溫層:逆溫層頂一個位于400-500米高度,一個在2000米附近;近地面600-700米以下相對濕度出現了飽和(RH>85%),700米向上,相對濕度迅速減小。說明霧層主要集中出現在700米以下近地層。與探空廓線相比,各型輻射計觀測反演數據溫度廓線擬合較好,但相對濕度廓線與探空廓線存在較大偏差,不能客觀體現相對濕度隨高度變化劇烈、不連續的特點。

1544591466364479.png      圖2A:11月13日11時(UTC時間)四種型號輻射計同步觀測反演溫濕度、液態水廓線

1544592722124925.png  圖2B:11月13日23時(UTC時間)四種型號輻射計同步觀測反演溫濕度、液態水廓線



2、輻射計探測反演數據的一致性分析

利用輻射計配備的紅外測溫儀,可以在天空有云時測得云底溫度,從而得到云底高度;由云底高度可以粗略判斷液態水、水汽飽和區出現的高度。圖3A-3D分別給出了各型輻射計自帶的紅外測溫儀(云底高度)、反演積分液態水、反演剖面數據的時間序列分析圖。由圖可見 ,霧出現主要時段處的云底高度、相對濕度飽和區、液態水及積分液態水出現的時段、高度等一致性較好,但也存在多處不一致的地方。

圖片7.png     圖3A:MA型輻射計一致性分析

1544592330127016.png    圖3B:MB型輻射計一致性分析


MA型輻射計存在兩處明顯不一致的時段:一是111310-1324時(UTC時間)前后,液態水含量與積分液態水不一致;液水含量最大區大于0.4;二是121624時,紅外測溫儀沒有測到云底,卻在液態水剖面圖中反演出液態水(見圖3A)。

MB型輻射計也存在類似的情況。但在700米以上,1216-24時、1310-1408時兩個時段在相對濕度遠未飽和的區域反演數據出現了液態水(見圖3B)。

MC型輻射計在1320-1401時時段,在相對濕度遠未飽和的區域反演數據出現了液態水(見圖3C)。

MD型輻射計在1320-1408時時段,在相對濕度遠未飽和的區域(700米以上)反演數據出現了液態水(見圖3D),但其量級較小,在0.01左右。

12日16-24時,與MAMB型輻射計反演數據出現了液態水不同,MCMD型輻射計在這一時段相應的高度上沒有反演出液態水。

1544591936178538.png    圖3C:MC型輻射計一致性分析

1544592012388275.png    圖3D:MD型輻射計一致性分析


3、幾種微波輻射計觀測反演數據時空差異分析

綜合對比幾種微波輻射計觀測反演數據的高度廓線分析圖、時間高度剖面圖,不難看出幾種微波輻射計所反演的物理量時空分布的相似點及其主要差別。導致這些差別的原因除輻射計調校、工作狀態等本身的差異外,主要可能還與不同輻射計所使用的反演算法不同有關。目前,比較流行的反演算法是采用神經網絡加氣候統計特征算法,這種算法基于溫濕度等要素由地面向上遞減這一統計規律,利用觀測反演數據對氣候統計廓線進行訂正,或用氣候統計特征加以對觀測數據進行訂正,-不妨稱之為“氣候態反演算法”。其優勢是在大樣本時可能會提高反演數據與探空數據的相關性。 

“氣候態反演算法”由于基于統計規律,反演出的溫濕度廓線(特別是濕度廓線)往往比較平滑不能客觀地體現相對濕度隨高度、時間變化劇烈、不連續的特點。如圖2B-B、圖2B-C的濕度廓線,不但平滑,且在垂直變化趨勢、變化規律上與圖2A相應的廓線差別不大,有似曾相識的感覺;同樣,這種算法也會產生自下而上的傳遞現象,使相對濕度、液態水含量等層次分布明顯的要素受下層或地面影響而變得模糊不清,如圖3B,在1000-2000米的高度范圍和相對濕度未飽和區出現液態水,應是這種不合理傳遞的結果。

“氣候態反演算法”雖然較好的反演出大多情況下的大氣結構,但當出現特定天氣時,比如有霧、雨、鋒面、切變、湍流、天空有多層云等,這種算法往往會與實際的大氣溫濕度垂直分布相距甚遠,而我們更關心是出現各類天氣時的大氣結構,這是一個嚴重的問題。


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