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1. 北京低边界层雨滴谱的垂直分布特征

唐继顺, 刘晓阳, 刘均慧, 李爱国, 王鹏飞

北京大学学报自然科学版 2021, 57 (6): 1045-1057. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2021.085

摘要（727）

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PDF（pc）（1621KB）（207）

基于安装在气象铁塔不同高度的3台Parsivel激光雨滴谱仪, 研究2020年6—8月北京地区31次降雨过程低边界层的雨滴谱垂直分布特征及其对雷达测量降雨的影响。结果表明, 在雨滴从280 m下落到140 m的过程中, 雨滴破碎占据主导地位, 大尺度雨滴减少, 小尺度雨滴大量增加; 从140 m下落到地面的过程中, 雨滴合并占据主导地位, 大尺度和小尺度雨滴均减少, 中等尺度雨滴增加; 对流型降雨中, 随着高度降低, 大尺度雨滴迅速减少, 雨滴破碎对雨滴谱分布的影响较大。北京地区对流型降雨的雨滴谱特征介于海洋型与大陆型之间。由于雨滴谱的分布随高度变化, 不同降雨特征量也随高度发生非线性变化, 因此使用地面的降雨测量结果对气象雷达进行校准以及联合反演降雨会产生Z-R错配误差, 这种误差在稳定型降雨和弱降雨中更显著。

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2. 不稳定平台OTT-Parsivel雨滴谱仪测量速度订正

刘均慧, 刘晓阳, 唐继顺, 李爱国, 王鹏飞

北京大学学报自然科学版 2021, 57 (6): 1035-1044. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2021.075

摘要（514）

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PDF（pc）（2211KB）（99）

针对高架环境中OTT-Parsivel雨滴谱仪测量结果受环境气流影响易出现误差的问题, 开展不稳定平台的OTT-Parsivel激光雨滴谱仪探测试验, 提出在不同水平风速环境下的质量控制方法, 给出测量速度订正模型, 并对其进行仿真实验和误差分析。基于 2020年北京夏季降水过程, 利用280 m高处OTT-Parsivel激光雨滴谱仪、三维超声风温仪和动态倾角传感器的测量数据, 对多次降水个例进行分析。结果表明, 提出的模型对雨滴的垂直下落速度有良好的订正效果, 各尺度通道速度分布更趋于正态分布, 有效粒子数可提高6%。在缺少倾角测量的情形下, 利用超声风温仪风速数据估计缺失的倾角数据, 估算的倾角值与实测值的一致率可达96.43%。在水平风速超过8 m/s的大风情况下, OTT-Parsivel雨滴谱仪测量数据的可用性得到提高。

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3. 环境风对光学雨滴谱仪探测的影响

郑铮, 刘晓阳, 周守根, 王鹏飞

北京大学学报自然科学版 2020, 56 (5): 824-834. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2020.055

摘要（602）

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PDF（pc）（2598KB）（103）

为了研究环境风影响下激光雨滴谱仪探测数据的应用, 基于北京2018年6—8月的多次降水过程, 对比架设于不同高度的OTT-Parsivel激光雨滴谱仪和超声风温仪的探测结果, 分析环境中不同强度的水平和垂直风对雨滴谱仪观测的影响。结果表明, 水平风速小于10 m/s且垂直风速大于0.4 m/s时, 利用OTT-Parsivel观测的速度谱估计垂直风速, 80%以上的估计值与超声风温仪观测值一致; 对雨滴垂直速度的修正会使计算得出的直径1 mm左右的雨滴数浓度发生显著变化, 进而影响雨滴谱衍生物理量; 借助定义的样本速度谱平均标准差和异常雨滴比例两个特征参数, 可以识别80%水平风速大于10 m/s的样本。

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4. 相似廓线法在星载雷达陆面衰减订正中的应用

郭坦, 刘晓阳, 郑铮

北京大学学报自然科学版 2020, 56 (2): 206-214. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2019.118

摘要（897）

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PDF（pc）（863KB）（114）

针对星载雷达陆面衰减订正存在的困难, 提出相似廓线订正方法。利用洋面雷达测得的雷达等效反射率因子廓线(简称降水廓线) Z_m和经表面参考技术(SRT)订正后的降水廓线Z_e建立相似廓线库, 通过匹配雷达在洋面和陆面测得的降水廓线, 对陆面降水廓线的地表路径积分总衰减(PIAs)进行估值。借助2018年GPMCO 2A-Ku数据产品中洋面降水资料进行检验, 结果表明相似廓线法与SRT技术的订正结果具有较好的一致性, 对于容许相对偏差40%的相似廓线库, 匹配成功的降水廓线中, 两种方法的PIAs相对偏差小于40%的廓线比例依次为对流云降水 88.8%, 无亮带层状云降水98.9%, 含亮带层状云降水98.9%, 显示该方法有效。借助2014—2018年GPM-CO 2A-Ku数据产品中陆面降水资料进行对比, 结果表明相似廓线法的陆面应用效果与洋面差异较大, 与陆面SRT技术应用效果差的结论相一致。

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5. GPM DPR雷达联合地面S波段雷达反演雨滴谱

陈新涛, 刘晓阳

北京大学学报自然科学版 2019, 55 (2): 227-236. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2019.009

摘要（1119）

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PDF（pc）（5170KB）（363）

针对GPM-CO DPR观测数据反演雨滴谱算法中存在的双值问题, 提出通过匹配地面S波段天气雷达与GPM-CO DPR观测数据, 为双值问题提供判断依据的方法。在建立反演查算方法的基础上, 利用雷达仿真程序Quickbeam进行算法的理论验证, 并使用观测数据进行实例验证。理论验证的结果表明, 反演结果数据和输入数据的相关系数达到0.99以上; 实例验证的结果显示, 利用此反演算法得到的雨滴谱可以反映降水过程中雨滴粒径的分布情况, 在一定程度上解决双值问题。

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6. 博斯腾湖流域戈壁地区大气边界层高度特征研究

杨洋, 刘晓阳, 陆征辉, 李郝

北京大学学报（自然科学版） 2016, 52 (5): 829-836. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2015.145

摘要（1506）

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PDF（pc）（1148KB）（1139）

位于新疆博斯腾湖流域戈壁地区的大气边界层过程受湖泊和戈壁的共同作用, 大气边界层结构具有特殊性。利用2013 年5 月21 日至8 月28 日在博斯腾湖流域戈壁地区获得的大气边界层探测试验资料, 分析该地区大气边界层结构特征。结果显示, 博斯腾湖流域戈壁地区大气边界层最突出的特征是在夏季典型晴天时对流边界层异常深厚, 在所统计的100 天探空资料中, 有45 天大气边界层高度达3000 m 以上, 最高可达4400 m。同时, 探讨深厚对流边界层的形成机制, 认为博斯腾湖流域戈壁地区特殊的大气热力环境以及湖风切变等因素是形成深厚对流边界层的重要原因。

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7. 北京地区夏季云出现概率及云底高度分布的特征分析

郭婧晗;薛惠文;刘晓阳

北京大学学报（自然科学版） 2015, 51 (4): 718-724. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2015.002

摘要（1410）

PDF（pc）（781KB）（295）

研究北京地区2007—2009 年夏季8 km 高度以下云出现概率(探测到云的次数与总探测次数之比)及云出现概率在一天内的分布规律, 并研究三年中夏季单层云的云底高度分布规律, 典型对流云的云底高度特征, 以及对流云云底高度与地面相对湿度的关系。结果表明: 北京地区夏季云出现概率约为12%, 一天内云最容易出现在夜间, 下午较夜间云出现得少; 云底高度分布呈单峰, 最容易出现在700±50 m 高度, 低云(云底高度在3000 m 以下)出现次数占云总出现次数的82%; 典型对流云云底高度出现在400~2500 m 高度, 一天之内云底高度变化不大。利用绝热气团模型得到云底高度与地面相对湿度的线性关系, 并以此方便地给出对流云云底高度, 平均相对标准差为0.321。

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8. 速度谱低端法在MRR 反演雨滴谱中的应用研究

何思远;刘晓阳;孙大利;张轲;左全

北京大学学报（自然科学版） DOI: 10.13209/j.0479-8023.2014.174

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9. 独立同分布中心极限定理在雨量站网规划中的应用

孙大利,王久珂,刘晓阳,何思远

北京大学学报（自然科学版）

摘要（829）

PDF（pc）（1185KB）（442）

将独立同分布中心极限定理引入雨量站网的规划中, 得出面雨量测量精度(测量相对误差或允许误差)与雨量站网密度(平均站间距)呈线性关系, 误差增长的斜率与该区域雨量站观测的随机误差均方差呈正比, 与区域面雨量和区域面积的平方根呈反比。利用模拟降水场以及安徽省梅雨期间高密度的雨量站点资料, 以抽站法为基础进行统计计算, 验证上述结论, 并对这一线性关系的斜率进行讨论, 以期为雨量站网的规划和优化提供一定依据。应用导出的关系式对安徽省2005-2008年梅雨季节降水统计得出, 面雨量测量精度与雨量站密度的相关系数在淮北平原为0.49~0.80, 在皖南山区为0.70~1.41, 如果假定20%的允许误差, 安徽淮北平原和皖南山区的最小平均站间距(最高布站精度)分别为25和14 km。

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10. 一次暴雨过程中GPS三维层析水汽场的变化特征

王久珂,韩素芹,边海,刘晓阳,孙大力,赵春生

北京大学学报（自然科学版）

摘要（643）

PDF（pc）（5888KB）（735）

利用小尺度GPS网络, 使用蒙特卡罗GPS水汽层析算法获取高时空分辨率的水汽场, 并通过与探空资料对比验证层析水汽场具有理想的精度。结合GPS三维层析水汽场与天津气象雷达资料, 分析2011年7月29日大暴雨过程, 首次给出小尺度水汽场在强对流过程中连续的变化过程以及精细结构。对于局地的对流过程, 三维层析水汽场能够在降水发生前约20分钟捕捉水汽在空中的富集现象并给出相应位置, 对降水预报具有指示作用。对于大范围强降水过程, 水汽场能够明确地给出水汽输送来源的位置和强度, 与天气形势分析和雷达气象分析的结论一致。

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11. GPS蒙特卡罗三维水汽层析算法敏感性试验和研究

王久珂,刘晓阳,毛节泰,赵春生

北京大学学报（自然科学版）

摘要（660）

PDF（pc）（962KB）（374）

以布设在天津的由13部地基GPS组成的高密度小尺度探测网为基础, 对蒙特卡罗层析算法中GPS平均站距、层析时间间隔以及蒙特卡罗随机次数3个影响层析算法的关键参数进行敏感性实验和分析。实验表明, 层析解算精度随着平均站距的降低和蒙特卡罗次数的增加而提高, 增加层析时间间隔对提高层析算法结果的精度作用不明显。同时提出采用“最优+次优”的两组残差最小水汽场的平均作为最终层析场的方法, 使得水汽场绝对偏差较前人所采用的只取残差最小水汽场的方法减少约30%。

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12. 利用探空资料建立北京地区水汽廓线的参数化方案

梁志,徐婉筠,黄梦宇,刘晓阳,赵春生

北京大学学报（自然科学版）

摘要（745）

PDF（pc）（1189KB）（368）

利用 2008年探空资料分析了北京地区水汽廓线的分布特征, 提出不同边界层状况下水汽廓线的参数化方案。在稳定边界层或浅对流边界层条件下, 水汽廓线的参数化方案可以用q=q₀e^z/2624(q₀为地面水汽比湿)表示。在对流边界层条件下, 水汽垂直分布受大气边界层影响非常显著, 参数化方案可以采用: 1) 对流边界层内(0≤z0; 2) 对流边界层高度附近(|z-PBL|<200), q=q₀(A-B(z-PBL)); 3) 对流边界层高度之上(PBL+200≤z), q=Cq₀(z-5000-PBL) (z和PBL分别为距地面高度和对流边界层高度, 单位均为m)。参数分别为A=0.72, B=1.4×10^-3m^-1, C＝-9.17×10^?5m^-1。在对流边界层下, 水汽廓线的参数化方案如果仅采用e指数分布会低估10%的水汽总量, 而新提出的参数化方案能更好地给出水汽的垂直分布。

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13. COSMIC掩星反演数据质量分析

王伯睿,刘晓阳,王久珂

北京大学学报（自然科学版）

摘要（692）

PDF（pc）（1295KB）（446）

利用2007?2010年的中国探空资料评估GPS掩星探测系统COSMIC (constellation observing system for meteorology, ionosphere, and climate)反演产品, 对比数据在空间上限定掩星事件发生地和探空站的水平距离在100 km以内, 在时间上相差不超过1小时, 对比高度范围为925~10 hPa。对比结果表明, COSMIC反演大气温度略低于探空仪测量值, 平均绝对偏差为?0.08 K, 标准差为1.67 K。两者水汽资料在200 hPa以上高度有系统性偏差; 在200 hPa以下, 比湿的平均偏差约为+0.080 g/kg, 标准差为0.692 g/kg, 水汽压平均相对误差约为+69.6%, 标准差为160.0%, 水汽压存在极端低值的异常情况。通过对全球不同区域6种探空仪的对比, COSMIC反演产品在700 hPa以下高度显著受背景场影响, 由于背景场误差随区域改变, 因此, 只有在精度要求不高的情况下, COSMIC反演产品才适合用于评估其他资料。

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14. MODIS气溶胶光学厚度产品在地面PM₁₀ 监测方面的应用研究

何秀,邓兆泽,李成才,刘启汉,王美华,刘晓阳,毛节泰

北京大学学报（自然科学版）

摘要（859）

利用MODIS(中分辨率成像光谱仪) 两年的气溶胶光学厚度(AOD)产品与北京地区API转化得到的PM₁₀ 质量浓度、北京大学站点直接监测的PM₁₀ 质量浓度以及香港元朗站点监测的PM₁₀ 质量浓度做相关性分析, 发现二者的直接相关程度较低。将AOD除以气溶胶季节标高, 得到地面消光系数, 与地面 PM₁₀ 质量浓度相关性提高。对地面消光系数进行相对湿度订正, 得到计算的质量浓度, 与地面实际观测的PM₁₀ 质量浓度相关性进一步提高。经过两年时间资料的对比分析, 证实气溶胶遥感光学厚度经过垂直和湿度影响订正后, 可以应用于地面 PM₁₀ 监测。

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15. 雷达估测降水模拟史灌河流域径流

刘晓阳,毛节泰,李纪人,朱元竞

北京大学学报（自然科学版）

摘要（671）

运用雷达联合少量雨量计方法估测流域面雨量，结合GAME/HUBEX国际合作项目1998年加强观测期在史灌河流域获取的水文观测资料和TOPMODEL进行降水径流模拟，并与稠密雨量计站网测量的面雨量进行流域出口流量模拟的对比试验。在1500小时时间序列的比较试验表明，雷达估测面雨量和雨量计测量的面雨量都能较好地模拟每小时流域出口蒋集的出流量，数值试验还表明，雷达估测面雨量在某一时段上的均值误差作为一个指标可以较好地反映其应用于降水径流模拟时的精度；总雨量和强降水的估测精度是雷达估测面雨量能否用于径流模拟的关键。

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