DOI: https://doi.org/10.5194/amt-19-4121-2026
تاريخ النشر: 2026-06-25
المؤلف: Zhiqian Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: الظواهر الجوية والمحاكاة
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة إطار استرجاع قائم على العوامات مصمم للحصول على ملفات درجة حرارة ورطوبة الغلاف الجوي البحري باستخدام مقياس إشعاع الميكروويف القائم على الأرض، وتصحيح الاتجاه، وقاعدة بيانات سابقة صغيرة، وتحسين NSGA-II. تشير النتائج من حملة ميدانية في خليج جياوزو إلى أن الطريقة المقترحة تحقق دقة استرجاع كبيرة تحت ظروف المراقبة القريبة من الشاطئ. ومن الجدير بالذكر أن التحليل يكشف عن انحياز مستقر يعتمد على الارتفاع، خاصة بالنسبة لدرجة الحرارة، والذي يمكن التخفيف منه من خلال تصحيح انحياز منهجي قائم على التحقق المتبادل (LOOCV).
بعد تطبيق هذا التصحيح، تحسن أداء الاسترجاع بشكل ملحوظ، حيث بلغ خطأ الجذر التربيعي المتوسط (RMSE) 2.13 كلفن لدرجة الحرارة و21.42% للرطوبة النسبية عبر 38 حالة متطابقة، مقارنة بـ 4.11 كلفن و24.09% قبل التصحيح. تؤكد هذه الدراسة على الإمكانية لاسترجاع مستمر قائم على العوامات لملفات الغلاف الجوي البحري، حتى في ظروف البيانات القليلة والمتغيرة ديناميكيًا. ومع ذلك، يحذر المؤلفون من أن هذه النتائج محددة لمجموعة البيانات القريبة من الشاطئ التي تم اختبارها ولا ينبغي تعميمها على سياقات أوسع في البحر أو المحيط المفتوح دون تحقق إضافي.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على الأهمية الحاسمة لقياس المعلمات الجوية بدقة في الطبقة السفلى من الغلاف الجوي، خاصة في البيئات البحرية حيث تكون الأنشطة البشرية وظواهر الطقس شائعة. يبرز المؤلفون التحديات التي تطرحها التوزيعات النادرة لمحطات القياس البحرية وقيود طرق الاسترجاع الجوية التقليدية، خاصة تحت ظروف الطقس القاسية مثل الأعاصير الاستوائية. تشير النتائج الأخيرة إلى أن القص العمودي للرياح يمكن أن يؤثر بشكل كبير على توزيعات القنوات الجوية، مما يعقد عملية جمع البيانات في هذه البيئات الديناميكية.
لمعالجة هذه التحديات، تقترح الدراسة نهجًا جديدًا يجمع بين تكنولوجيا مقياس إشعاع الميكروويف القائم على الأرض ومنصات العوامات المستقلة. يهدف هذا التكامل إلى تعزيز استرجاع المعلمات الجوية مثل ملفات درجة الحرارة والرطوبة مع تعويض النقص في المراقبة الناتج عن محدودية توفر البيانات. يدعو المؤلفون إلى استخدام تصحيح زاوية الزينيث في الوقت الحقيقي للتخفيف من الأخطاء الناتجة عن حركة المنصة، مما يحسن دقة وكفاءة ملفات الغلاف الجوي. من خلال تجارب المحاكاة والتجارب الميدانية، تقيم الدراسة أداء هذه الطريقة، مما يظهر إمكانية تطبيقها في ظروف بحرية حقيقية ويساهم في تحسين التنبؤات الجوية وبحوث المناخ.
النتائج
تظهر نتائج الدراسة فعالية نماذج استرجاع مقياس إشعاع الميكروويف المقترحة للبيئات البحرية، التي تم التحقق منها من خلال التجارب المراقبة التي أجريت في خليج جياوزو. تم جمع 38 مجموعة بيانات مراقبة صالحة ومقارنتها مع بيانات راديوصون من مرصد كينغداو للأرصاد الجوية. استخدمت التقييمات خطأ الجذر التربيعي المتوسط (RMSE) لقياس دقة الاسترجاع، مما يكشف أنه بينما كانت الاسترجاعات غير المصححة تلتقط عمومًا الهيكل العمودي لدرجة الحرارة والرطوبة، كانت هناك انحيازات منهجية واضحة. على وجه التحديد، أظهرت استرجاعات درجة الحرارة تقديرًا زائدًا طفيفًا بالقرب من السطح وتقديرًا ناقصًا في الطبقة السفلى إلى المتوسطة من الغلاف الجوي، بينما كانت الرطوبة النسبية تُقدّر باستمرار بشكل ناقص، خاصة في الطبقة المتوسطة من الغلاف الجوي.
قامت الدراسة أيضًا بتقييم تأثير تصحيح الاتجاه على دقة الاسترجاع، حيث وجدت أنه بينما كان التحسن العام متواضعًا بسبب حركة المنصة الصغيرة، إلا أنه ظل ضروريًا لتعزيز التناسق الفيزيائي في عملية الاسترجاع. بعد تطبيق تصحيح الانحياز المنهجي، انخفض متوسط RMSE لدرجة الحرارة بشكل كبير من 4.11 كلفن إلى 2.13 كلفن، ومن الرطوبة النسبية من 24.09% إلى 21.42%. وقد أظهر التصحيح فعاليته عبر معظم الحالات، حيث أظهرت 89.5% من استرجاعات درجة الحرارة و84.2% من استرجاعات الرطوبة دقة محسنة بعد التصحيح. تؤكد النتائج على قوة الطريقة المقترحة تحت الظروف القريبة من الشاطئ التي تم اختبارها، بينما تبرز أيضًا الحاجة إلى الحذر في تعميم النتائج خارج مجموعة البيانات المحددة هذه.
المناقشة
يعتبر مقياس الإشعاع الميكروويفي QFW-6000، الذي طورته شركة الصين لتكنولوجيا الإلكترونيات، المعهد البحثي رقم 22، أداة رئيسية في هذه الدراسة، مصمم لملفات الغلاف الجوي. يستخدم 16 قناة ميكروويف—ثمانية في نطاق K (22.24-31.4 غيغاهرتز) لاكتشاف بخار الماء وثمانية في نطاق V (51.26-58.0 غيغاهرتز) لملفات درجة حرارة الغلاف الجوي. يحقق الجهاز دقة عمودية متفاوتة، مع أقصى مسافة اكتشاف تبلغ 10 كم. تعزز المستشعرات المدمجة لدرجة الحرارة والرطوبة والضغط من قدراته في المعايرة، بينما تسهل المستشعرات الإضافية تحديد الطقس. تشير الدراسات السابقة إلى أن الأدوات المماثلة لديها عدم يقين في درجة حرارة السطوع يصل إلى بضع أعشار كلفن وعدم يقين في ملفات درجة الحرارة يتراوح بين 1-2 كلفن، مما يوفر معيارًا لأداء QFW-6000.
تم تصميم منصة العوامة التي تحتوي على QFW-6000 لتحقيق الاستقرار والمتانة في البيئات البحرية، حيث تتميز بهيكل فولاذي قوي وغرف طفو. تقيس مستشعرات الاتجاه دوران العوامة وزاوية الميل، مما يسمح بتصحيحات زاوية الزينيث الضرورية لقياسات درجة حرارة السطوع الدقيقة. أجريت الدراسة في منطقة خليج جياوزو، مع جمع البيانات من QFW-6000 والتحقق منها ضد بيانات راديوصون من مرصد قريب. تستخدم عملية الاسترجاع إطار تحسين متعدد الأهداف باستخدام خوارزمية NSGA-II، التي تقلل من الفجوات بين درجات حرارة السطوع الملاحظة والمحاكاة مع الالتزام بالقيود الفيزيائية. يتيح هذا النهج، جنبًا إلى جنب مع الحوسبة المتوازية، معالجة فعالة في الوقت الحقيقي مناسبة للأرصاد الجوية البحرية التشغيلية.
DOI: https://doi.org/10.5194/amt-19-4121-2026
Publication Date: 2026-06-25
Author(s): Zhiqian Li et al.
Primary Topic: Meteorological Phenomena and Simulations
Overview
This study introduces a buoy-based retrieval framework designed to obtain marine atmospheric temperature and humidity profiles utilizing a ground-based microwave radiometer, attitude correction, a small-sample prior database, and NSGA-II optimization. The findings from the Jiaozhou Bay field campaign indicate that the proposed method achieves significant retrieval accuracy under nearshore observational conditions. Notably, the analysis reveals a stable height-dependent bias, especially for temperature, which can be mitigated through a leave-one-out cross-validation (LOOCV) based systematic bias correction.
After applying this correction, the retrieval performance improves markedly, yielding a root mean square error (RMSE) of 2.13 K for temperature and 21.42% for relative humidity across 38 matched cases, compared to 4.11 K and 24.09% prior to correction. This research underscores the potential for buoy-based continuous remote retrieval of marine atmospheric profiles, even in sparse-data and dynamically changing observational settings. However, the authors caution that these results are specific to the nearshore dataset tested and should not be extrapolated to broader offshore or open-ocean contexts without additional validation.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the critical importance of accurately measuring meteorological parameters in the lower troposphere, particularly in marine environments where human activities and weather phenomena are prevalent. The authors highlight the challenges posed by the sparse distribution of oceanic sounding stations and the limitations of traditional atmospheric retrieval methods, especially under extreme weather conditions like tropical cyclones. Recent findings indicate that vertical wind shear can significantly affect atmospheric duct distributions, further complicating data acquisition in these dynamic environments.
To address these challenges, the study proposes a novel approach that combines ground-based microwave radiometer technology with autonomous buoy platforms. This integration aims to enhance the retrieval of atmospheric parameters such as temperature and humidity profiles while compensating for observational deficiencies caused by limited data availability. The authors advocate for the use of real-time zenith angle correction to mitigate errors from platform motion, thereby improving the accuracy and efficiency of atmospheric profiling. Through simulation experiments and field trials, the study evaluates the performance of this method, demonstrating its potential applicability in real marine conditions and contributing to more effective weather forecasting and climate research.
Results
The results of the study demonstrate the effectiveness of the proposed microwave radiometer retrieval models for marine environments, validated through observational experiments conducted in Jiaozhou Bay. A total of 38 valid observational datasets were collected and compared against radiosonde data from the Qingdao Meteorological Observatory. The evaluation utilized root mean square error (RMSE) to quantify retrieval accuracy, revealing that while the uncorrected retrievals generally captured the vertical structure of temperature and humidity, systematic biases were evident. Specifically, the temperature retrieval exhibited a slight overestimation near the surface and underestimation in the lower-to-middle troposphere, while relative humidity was consistently underestimated, particularly in the mid-troposphere.
The study further assessed the impact of attitude correction on retrieval accuracy, finding that while the overall improvement was modest due to small platform motion, it remained necessary for enhancing physical consistency in the retrieval process. After applying systematic bias correction, the mean RMSE for temperature significantly decreased from 4.11 K to 2.13 K, and for relative humidity from 24.09% to 21.42%. The correction was shown to be effective across the majority of cases, with 89.5% of temperature retrievals and 84.2% of humidity retrievals exhibiting improved accuracy post-correction. The findings underscore the robustness of the proposed method under the tested nearshore conditions, while also highlighting the need for caution in generalizing results beyond this specific dataset.
Discussion
The QFW-6000 microwave radiometric profiler, developed by the China Electronics Technology Corporation No.22 Research Institute, is a key instrument in this study, designed for atmospheric profiling. It utilizes 16 microwave channels—eight in the K-band (22.24-31.4 GHz) for water vapor detection and eight in the V-band (51.26-58.0 GHz) for atmospheric temperature profiling. The device achieves varying vertical resolutions, with a maximum detection distance of 10 km. Integrated sensors for temperature, humidity, and pressure enhance its calibration capabilities, while additional sensors facilitate weather identification. Previous studies indicate that similar instruments have brightness-temperature uncertainties of a few tenths of a Kelvin and temperature-profile uncertainties of 1-2 K, providing a benchmark for the QFW-6000’s performance.
The buoy platform housing the QFW-6000 is designed for stability and durability in marine environments, featuring a robust steel structure and buoyancy chambers. Attitude sensors measure the buoy’s roll and pitch, allowing for zenith angle corrections essential for accurate brightness temperature measurements. The study was conducted in the Jiaozhou Bay area, with data collected from the QFW-6000 and validated against radiosonde data from a nearby observatory. The retrieval process employs a multi-objective optimization framework using the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II), which minimizes discrepancies between observed and simulated brightness temperatures while adhering to physical constraints. This approach, combined with parallel computing, enables efficient real-time processing suitable for operational marine meteorology.