无线电探空和微波辐射计在热带站观测到的稳定性指数 日变化的比较外文翻译资料

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无线电探空和微波辐射计在热带站观测到的稳定性指数

日变化的比较

M.Venkat Ratnam^a,Y.Durga Santhi^b,M.Rajeevan^c,S.Vijaya Bhaskara Rao^b

a National Atmospheric Research Laboratory,Gadanki,India

b Department of Physics,Sri Venkateswara University,Tirupati,India

c Ministry of Earth Sciences,New Delhi,India

摘要：

在维持特别是在热带地区的大气热力学结构中，对流起着重要的作用，它往往伴随着云和降水。本次研究报告了我们使用密集的无线电探空仪从2010年十月至2011年十月在印度的热带地区Gadanki（13.5°N，79.2°E）观测到的各种稳定性指数的日变化。同时，同一地点收集的2011年四月至十月的微波辐射观测资料将被用来比较。这两个独立的技术之间的详细比较在评估来自水利部的短时天气预报数据方面是非常有用的。总的来说，除了在0.5公里以下，微波辐射观查资料显示了与假设为标准技术的无线电探空仪的3至4千米下(上)观察资料相比的暖(冷)偏差。就水气而言，微波辐射观察资料显示：在2–3公里以下（以上）湿度（干燥）的偏差取决于时间。然而，我们注意到这两种不同的技术对于一些对流指数的比较，特别是一些角度上的差异。大约25%的时间,当平衡水平高于微波辐射可以检测的高度时，微波辐射是无法估计对流有效位能（CAPE）的。我们注意到了这个热带站在除了冬天的所有季节中观测的对流有效位能中的强烈昼夜变化和其他热力学参数在下午有最大值和清晨有最小值。

1. 引言

对流活动在热带地区起着非常重要的作用，它常常导致潜热的释放，云的形成和降水。在热带地区理解这一点相当复杂。可以用多种指数估计，如抬升指数（LI），自由对流高度（LFC），均衡水平（EL），对流有效位能（CAPE）、K指数（KI），交叉总（CT）指数、垂直总（VT）指数、总合计（TT）指数，肖沃尔特指数，S指数（SI）等等，这在测量大气稳定度有自己的意义。作为具体例子，K指数及其变种已应用于预测降水的发生、降水量以及小型雷雨的出现，而CT、VT、TT、LI、肖沃尔特指数（及其变体）对于预测天气是有价值的。

许多研究报道，向外长波辐射（OLR）变化、海表面温度（SST）、水汽和云等季节性和长期的各种大气参数可能对不同地区的对流活动有直接或间接的影响(Dai, 2000; Gettelman et al., 2002; Ueno and Aryal, 2007; Sapra et al., 2011)。在热带地区，向外长波辐射变化是一个与积云形成有关的对流活动的好指标。它表明，在喜玛拉雅的每月范围内的向外长波辐射变化严重受到热带地区十二月、三月和四月的对流的影响(Ueno and Aryal, 2007)。达卡等（2010）展示了季节性、年度和大规模变化CAPE的关系，和使用1980–2006这一时期一些印度站点在100hPa压力水平下每天太阳能温度在100hPa压力水平下的探空数据。

有一些热带地区对流指数日变化的研究。然而，热带地区对流活动的日变化已经有据可查并且世界许多地区的研究人员已提供了定性的信息（即使他们数量较少）(Mc Garry and Reed, 1977; Sato and Kimura, 2004; Ueno and Aryal, 2007; Johnson et al., 2010)。格雷和雅各布森（1977）广泛地研究了海洋、热带、深积云对流的每日大周期的存在并发现了许多台站在早上记录的降雨量是晚上的2到3倍。盖里和里德（1977）分析了西非和热带大西洋东对流和降水的日变化。他们发现，在大西洋东部的最大对流活动发生在下午，并建提出大陆的作用可能会影响日周期。当昼夜海表面温度周期强大的时候，大范围不受干扰的时期，午后对流雨更加的明显，但是，当更多水分可获得的时候，夜间对流系统和早晨积云都更容易处于扰动期间(Sui et al., 1997)。

索登（2000）研究了在对流层上层云的变化，发现水蒸气被发现与土地上方深对流变化同相，但在近12小时与在海洋上方异相。Monkam（2002）研究了在非洲北部和夏天在热带大西洋三个不同的区域的对流可用势能分布，表明降水和对流可用势能在间热带辐合带周围和面对一些山是非常相关的，这表明这两个参数受到赤道辐合带和地形作用的影响。张（2003）研究了大尺度强迫作用，地表通量和使用ARM SGP数据对流的日变化的CIN，发现了对流的强烈相位关系，也表明表面感热、潜热通量也产生对流可用势能，但不释放对流。萨托和Kimura（2004）考察了温暖的季节的日本中部山区的昼夜周期的不稳定对流，发现在下午，丰富的水分积聚在山区，特定的比湿大幅增加了大约 800 hPa。特定比湿的增加会导致相当位温增加到接近800 hPa。其结果是，在夜间平原对流不稳定指数的增加。兰德先生等人（2009）还研究了一年间，使用的COSMIC/ FORMOSAT-3观测全球模式对流可用势能的昼夜时间尺度。

所有这些大气的对流指数需要使用准确的数据集计算。评价的稳定性指数来自热力学参数需要温度和水汽的高精度数据集。无论是温度还是水汽对于遥感预测恶劣天气和表明大气的状态都是非常重要的。传统的、大气温度廓线、压力、湿度、风可以从无线电探空仪观测得出用以估计热力学参数。一些研究(Westwater, 1997; Miloshevich, et al., 2001, 2004, 2006, 2009; Turner et al., 2003; Mattioli et al., 2007; Kottayil et al., 2011) 报道了表征和校准无线电探空仪测量并且也与同时测量的参考仪器进行了比较。这些研究揭示了不同类型传感器之间的偏差所造成的影响。米洛塞维奇等人（2009）比较了RS92相对湿度和低温霜点湿度计、大气辐射测量和微波辐射计同一时间的WV量度。罗等人（2008）发现在南极洲，vauml;isauml;lauml; RS 90无线电探空仪的湿度配置偏干，应用修正在650 到200 MB之间。最近，戈塔伊尔等人（2011）将修正应用于的无线电探空仪观测，发现在对流层上部的卫星和无线电探空仪测量之间更具一致性。最近，根据桑切斯等人（2012）的报告，通过微波辐射和采用线性调整法的一些偏差校正在温度和湿度测量上存在差异，从而显著提高了垂直温度和水汽密度轮廓精度。然而，探空数据通常情况下最多一天两次，因此他们并不能够经常捕捉快速变化的大气热力学状态。在这方面，地基微波辐射计提供了对温度和湿度廓线的有用信息，是获取大气热力学状态的替代来源。这些廓线是连续的，几乎只间隔5分钟。已证实(Chan, 2009; Chan and Hon, 2011; Cimini et al., 2011, 2012; Ware et al., 2010; Herzegh et al., 2004)：这些微波辐射计能够提供近期强对流天气预报非常有用的数据，这也是我们的主要动机。娜普等人（2009）、范登伯格和汉森（2002年）也展示了微波辐射计在灵活预测动态天气条件上的能力。然而，在用于近期预报前，评估这些仪器在不同地区观测的质量是必要的。

在目前的研究中，已尝试先找出在不同时刻探空和微波辐射计温湿度测量的偏差。为此，我们每个月的3天中每3小时进行一次加密探空发射。其次，我们确定了微波辐射计提供均衡水平参数和对流有效位能参数的时间比例。第三，详细比较同时使用无线电探空仪和微波辐射计观测所得的稳定性指数。第四，确定这两个独立技术的稳定性指数之间的差异。最后，形成一些对流指数的日变化报告。我们相信，在无线电探空仪观测资料缺失的情况下，这项工作对于评估微波辐射计预测或诊断特定的大气现象是有用的。

2、数据

2.1.无线电探空仪测量结果

高分辨率无线电探空仪(Vauml;isauml;lauml; RS-80, RS-92, Meisei RS-01GII) 发射的气球在2007年10月至2011年12月期间每日都经过gadanki (13.5°N, 79.2°E) ，用以研究的大气参数的稳定性。Gadanki是一个在复杂的地形环境下的热带农村站，它位于金奈（马德拉斯）西北方向120公里南部半岛的东海岸。图1描绘了该站的位置以及地形。当地的地形是相当复杂的，一些小山丘的最大高度为200 - 400米，该站高于平均海平面375米，是一个不规则的混合农业和小的人口中心地区。这些无线电探空中的多数都发射大越1730 个小时(LT = UT 0530 h)。此外，自2010年10月开始，无线电探空仪每个月的3天中每3小时发射一次作为太阳-地球系统(CAWSES)印度二期项目气候和天气的一部分。无线电探空仪发射的日期和时间如图2所示。所有的大气参数如温度（T）、相对湿度（RH）、水平风的高度分辨率有：25 - 30米（每隔5秒采样）RS-80型（2006年4月至2007年3月）、10米（每隔2秒采样）RS-92型（2006年7月17日至2006年8月31日）、Meisei（2007年5月至2011年12月）。后来，为消除随机运动的气球所产生的异常，整个数据集已被插值到100米。

图1 亚州印度大陆地形，实心圆为Gadanki的位置。

图2 无线电探空仪发射时间是2010年十月至2011年十月每周3天；黑条表示地基微波辐射计采集的数据，时间是2011年四月至十月

2.2.微波辐射计测量结果

无源器械如微波辐射计更加便宜并且比其他相关技术（如无线电探空仪、飞机）具有很高的时间分辨率，可在任何天气条件下操作。2011年三月，Gadanki已安装了一个多波长微波辐射计 (MP-3086A, USA)。这个微波辐射计由35个校准通道的两个射频子系统组成。在选定频率为51（22）和59（30）GHz的基础上，温度（水汽）分析子系统利用天空亮度得到温度观测资料。微波辐射计产生廓线在50米的高度，分辨率高达0.5公里；100米的高度，分辨率从0.5公里到2公里；250米的高度，分辨率从2公里至10公里。然而，我们在100米分辨率下与探空的观测资料相比较。根据娜普等人（2009年）和陈（2009年）的说法，从微波辐射计检索的温度和湿度廓线通常由基于历史探空数据的神经网络方法形成，利用辐射传输模型来模拟微波辐射计的观测资料。在这项研究中，神经网络是由一个自2006年四月建在Gadanki的高分辨率探空资料收集基站训练来的。只有微波辐射计的天顶模式测量用于检索高达10公里以上，为期六个月（从2011年四月至十月）的温度和湿度廓线，数据如图2所示。这些观测结果用来与每个月的3天中每3小时发射一次的密集型探空仪相比较的。高度和压力与使用流体静力学相关。然后，这些观测结果将被用于确定恶劣天气条件下的热力学参数。众所周知，对流有效位能是大气中对流活动的潜在指示器。当微波辐射计的数据限于最高10公里在300 hPa的情况下，在计算对流有效位能时超过300 hPa时，总是达到均衡水平是不可能的。为此，最不稳定的对流有效位能（MUCAPE）通常是使用最不稳定的最低300 hPa的虚拟温度来计算的，为了确定较低处对流层的不稳定性。

1. 研究方法

在这一节中，估计各种稳定性指数之后，我们将简要地提到计算程序。对流有效位能是对能量的测量，可在传递中获得，常常用从自由对流高度（LFC）到均衡水平（EL）的垂直整合当地的浮力的方式来计算。

（1）

其中，LFC和EL分别是自由对流高度和均衡水平。Tv_parcel是包裹虚拟温度，Tv_envs是环境虚拟温度，g为重力加速度。LFC高于LCL，那里的包裹温度大于环境温度，是通过提高包裹绝热性和潮湿性发现的。EL或中性浮力水平（LNB）高度在LFC之上，包裹温度低于环境温度或变得相同。这意味着不稳定的空气现在在对流停止的均衡水平上是稳定的。如果环境是稳定的并且没有自由对流高度，显然是没有均衡水平的。

一个典型的例子如图3所示：从2011月8月19日1700时在Gadanki，从无线电探空仪观测得的热力学测深图。环境温度、包裹温度、控制下限、自由对流高度和均衡水平也显示在图中。2011年8日19日晚上，Gadanki地区在1400时到1600时中发生了雷暴。最终，这些雷暴在Gadanki和周边地区的低空急流形成了一个中尺度对流系统并将水分向北迁移。这些风暴在往南部迁移之前，于2011年8月20日清晨在整个地区造成了大

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