风云三号C星微波湿温探测仪的定标和验证

风云三号C星(FY-3C)已经于2013年9月23日发射升空,其上装载的微波湿温探测仪(MWHTS)已于9月30日开机正常工作.MWHTS具有对大气温度和湿度垂直分布进行同步探测的能力.MWHTS为跨轨扫描式微波辐射计,在89~191GHz毫米波段内设置了十五个探测通道,其中包括118.75GHz氧气吸收线附近的8个大气温度探测通道,183.31GHz水汽吸收线附近的5个大气湿度探测通道,以及89GHz和150GHz两个窗区通道.设置在118.75GHz的一组毫米波探测通道是国际上业务卫星首次使用的大气探测通道,这组通道和183.31GHz通道对大气进行联合探测,将获得更加精细的大气温湿度垂直分布数据,为数值预报和气候研究提供丰富信息.为保证MWHTS观测资料的定量应用,对仪器性能和定标精度进行了在轨测试.利用MWHTS在轨正常工作后的三个月数据,对仪器在轨定标的基础数据:冷空和黑体计数值,黑体和仪器温度进行监测分析和质量检验,经过质量检验的在轨定标基础数据,结合发射前真空试验得到的非线性订正项在轨定标生成MWHTS观测亮温数据.评估MWHTS在轨辐射定标结果的精度和偏差特性使用了三种方法:1通过场地定标试验获取大气温湿廓线和地面温度等大气参数信息,结合微波逐线正演辐射传输模式MonoRTM(Monochromatic Radiative Transfer Model)模拟MWHTS的上行微波辐射亮温,与MWHTS实际观测结果进行对比分析;2两个通道特性一致的同类星载被动微波载荷同时观测同一目标,观测亮温的差异主要取决于两个载荷的定标系统偏差.选取美国SNPP上搭载的微波探测仪器ATMS作为MWHTS的参考载荷,基于SNO(simultaneous nadir overpass)技术,对两个仪器的观测亮温进行交叉比对,观测亮温时空匹配及均匀性检验的条件为:观测时间差异小于20min,观测像元中心距离小于3km,观测角度在星下点附近差异小于5°,观测像元周围3×3像元内的亮温标准差小于1K;3基于美国国家环境预测中心的全球数据同化系统GDAS(Global Data Assimilation System)数据,利用快速辐射传输模式CRTM(Community Radiative Transfer Model)对MWHTS各通道亮温进行正演模拟,模拟结果(O)和仪器实际观测的亮温(B)之间的差异记为"O-B",对偏差值"O-B"进行统计特征分析.仪器中心频率的变化、正演模式模拟精度和模式输入廓线自身的误差都会对"O-B"产生影响.但是对于首次使用的探测频点而言(如118.75GHz通道),由于国际上没有同类载荷可以进行交叉比对,借助于正演辐射传输模式计算得到"O-B"偏差的分析结果可以在一定程度上反映仪器整体定标情况.外场地定标试验结果显示除通道14外,其他14个通道的亮温差都在1.3K以内;与同类载荷ATMS的在轨观测进行直接交叉比对表明通道14与ATMS的亮温偏差最大,但中心频点一致的5个水汽探测通道的标准差都小于1K;将MWHTS观测结果和正演辐射传输模式模拟结果即"O-B"进行偏差分析显示,靠近118.75GHz吸收线中心的通道2—6"O-B"标准差小于0.5K,其他通道"O-B"标准差和ATMS相应通道的结果相当;MWHTS观测和模拟偏差随角度变化的研究表明通道1,7~13和15观测结果对角度有一定依赖性.     

COSMIC数据验证FY-3 MWTS通道4的观测结果

利用无线电掩星探测在平流层具有较高精度和稳定性的优势,本文采用COSMIC资料验证我国风云3号(FY-3)系列卫星上微波温度探测仪(MWTS)通道4表征的平流层低层测量结果.两年的FY-3A/3B上MWTS通道4观测亮温与掩星数据模拟的亮温相比较分析表明:两颗卫星平台上MWTS通道4观测亮温都偏高,尤其在热带地区和极区夏季;FY3A/3B上MWTS通道4亮温偏差的月均值变化趋势较为一致,两个年份的变化趋势也较为一致.MWTS通道4表征的平流层低层观测亮温在不同纬度带呈现不同偏差分布特征:热带地区明显系统偏高2~4 K,中纬度地区偏高1 K;而高纬度地区则出现随季节显著变化的偏差,尤其在南极地区季节差异达到5 K,这种依赖于环境温度出现的较大亮温偏差不完全是频率偏移引起.热带地区观测与模拟亮温差异显著,并且热带地区样本对于全球总体亮温偏差影响程度达到20%,这表明COSMIC数据在热带地区的验证结果需谨慎使用.     

AIRS观测的东亚夏季平流层重力波特征

对流性重力波对中层大气环境有显著影响.重力波活动及重力波源的地理和季节性变化等信息是理解和模拟重力波效应的基础.卫星高光谱红外大气垂直探测器AIRS的4μm和15μm波段可用于识别30~40km高度范围和41km高度附近的重力波,其11μm通道可同步观测对流层深对流.观测个例表明,海面和陆面上空的平流层扰动影响范围均可达1000km,不同高度的扰动强度分布也存在差异.基于2007年6月至8月的AIRS观测资料,分析了东亚区域的对流层深对流活动和平流层的重力波,得到了深对流和重力波发生频率的水平分布.统计结果表明,东亚区域夏季夜间的深对流活动明显少于白天,但AIRS观测到的平流层重力波发生频率和扰动强度均显著大于白天,揭示了夜间对流层深对流诱发的平流层重力波在强度、范围等方面可能与白天存在显著差异.进一步对比分析表明,AIRS观测的平流层扰动高值区与深对流高值区明显不同.平流层重力波与对流层深对流之间的相关分析表明,在36°N以南的区域,41km高度上AIRS观测的重力波中,深对流云诱发的重力波的比例约为30%~100%.在10°N至36°N区间,90%的深对流均可诱发平流层重力波.分析得到的30~40km高度区间和41km高度附近的重力波水平分布对比表明,后一高度上的扰动强度明显大于前一高度,且前一高度在东南亚区域存在强扰动中心而在后一高度则没有.最后,给出了AIRS观测的几种典型形态的东亚区域平流层波动,表明了该区域平流层环境波动形态的复杂性和多样性.     

风云三号A星大气探测资料数据在欧洲中期天气预报中心的初步评价与同化研究

风云三号气象卫星（FY-3）是我国第二代极轨气象卫星的首发星,大部分仪器是第一次装载.11个仪器[1]中有4个大气探测仪器是数值天气预报同化直接关注的仪器,即,三个大气垂直探测仪器（微波温度计MWTS,类似于微波温度探测器MSU或AMSU-A;微波湿度计MWHS,类似于微波湿度探测器AMSU-B或MHS;红外分光计IRAS,类似于高分辨率红外探测器HIRS）和一个微波成像仪MWRI（类似于微波扫描辐射计AMSR-E）.     

风云二号C/D卫星与GOES卫星太阳X射线探测数据交叉比对

风云二号卫星是我国研制的第一代静止业务气象卫星.本文针对风云二号C星/D星(FY-2C/D)太阳X射线探测数据与美国GOES系列卫星太阳X射线探测数据开展交叉比对,以检验FY-2C/D卫星数据的有效性.研究结果表明在X射线通量变化的时间特性以及通量大小等方面,FY-2C/D卫星探测结果与GOES系列卫星探测结果具有较好的一致性.对2004年11月—2010年6月期间85次耀斑事件X射线峰值流量的比对结果表明,FY-2C卫星与GOES系列卫星的探测结果在1~8 Å波段的相关系数为0.795,FY-2D卫星与GOES系列卫星的探测结果在0.5~3 Å和1~8 Å波段的相关系数分别为0.921和0.989,说明FY-2C/D卫星太阳X射线探测结果可信度较高,能够用于太阳X射线耀斑的监测、预警以及研究工作.     

不同高度和不同地磁扰动期间热层大气密度模式值与探测值的显著差异

热层大气密度是空间大气环境的重要参数,经过多年的研究已开发了多种大气模式,但其误差普遍较大,尤其在磁暴期间偏差值甚至超过100%.本文利用中国星载大气密度探测器和CHAMP卫星加速度计在轨获得的连续探测数据,针对近10年(2003—2014)中多次强磁暴事件和多次中等强度扰动事件,即2003年11月、2004年7月和2005年8~9月多次强磁暴事件(Kp值均达到9),2006年4月、2012年4月的两次中等强度磁暴事件(Kp值分别达到7和6),分析和比对不同强度磁扰事件期间不同高度全球大气密度就位探测值与模式值(NRLMSISE00)之间的差别.在2005年8月24日强磁扰事件中,560 km高度中国卫星就位探测值上涨幅度约2~3倍,扰动区中的增变比高达5.7倍,375 km高度CHAMP卫星就位探测值上涨幅度约0.8倍,扰动区中增变比达4.0倍,期间大气密度模式值不仅没有出现明显的涨落,更没有出现强烈的区域扰动;在2003年11月和2004年7月的强磁扰事件中,CHAMP卫星就位探测值均有显著涨变和强烈扰动变化,而模式值无明显扰动变化;在中等强度磁扰事件中,高度560 km附近就位探测值在北、南半球高纬地区显著上涨,远高于模式值,高度350 km附近就位探测值在地球阴影区域显著上涨,上涨幅度也大于模式值.分析结果表明现有大气模式对地磁扰动(尤其是强磁暴事件)期间全球热层大气密度的响应并不明显,需要进一步改善.     

基于临边大气长波红外辐射信号的平流层增温效应研究

本文利用热层-电离层-中间层能量和动力学卫星TIMED中宽带发射辐射计SABER观测的临边大气长波红外背景辐射数据来研究平流层增温效应,基于2012/2013年1—3月在20~100 km高度内的临边大气长波红外背景辐射数据,采用微扰方法,得到辐射扰动的时空分布.结果显示：大气长波红外背景辐射扰动数据能够更精细的展示平流层增温事件的发生,2013年平流层爆发性增温效应下最大辐射扰动幅度出现在40 km处可达160%,而利用温度扰动数据表征此事件的发生时最大温度扰动幅度出现在40 km处只有21%.针对2012年弱平流层增温效应,温度扰动幅度最大值出现在40 km处为16.4%,而辐射扰动幅度的最大值在40 km处可达91%.大气长波红外背景辐射的纬度分布体现出此事件发生于高纬度地区;其经度分布在20~50 km范围内呈现"w"形状;而50 km和80 km处大气长波红外背景辐射的极值区域范围随着事件的发生在高纬度地区都是先扩大随后缩小的过程.这表明高层大气临边红外辐射信号可用于研究平流层增温效应,尤其是对于温度弱起伏的小扰动事件.这对于掌握临近空间环境辐射形成机理及其变化特性亦具有重要意义.     

台风“梅花”诱发平流层重力波的数值模拟与AIRS观测

为了分析台风这类强对流诱发平流层重力波的过程,本文利用中尺度数值模式WRF-ARW(V3.5)和卫星高光谱红外大气探测器AIRS数据对2011年第9号强热带气旋"梅花"的重力波特征进行了分析.首先,针对模式输出的垂直速度场资料的分析表明,台风在对流层各个方向上几乎都具有诱发重力波的能量,而在平流层内则呈现出只集中于台风中心以东的半圆弧状波动,且重力波到达平流层后其影响的水平范围可达1000km.此外,平流层波动与对流层雨带在形态、位置以及尺度上均具有一定的相似性.其次,对风场的分析结果表明,不同高度上波动形态的差异主要是由于重力波垂直上传的过程中受到了平流层向西传的背景风场以及风切变的调制作用,揭示了重力波逆着背景流垂直上传的特征.随后,基于FFT波谱分析的结果表明,"梅花"诱发的平流层重力波水平波长中心值达到了1000km,周期在15~25h,垂直波长主要在8~12km.最后,利用AIRS观测资料分析了平流层30~40km高度上的大气波动,得到了与数值模拟结果相一致的半圆弧状波动.对比结果也验证了WRF对台风诱发平流层重力波的波动形态、传播方向、不同时刻扰动强度的变化以及影响范围的模拟效果.此外,也揭示了多资料的结合对比有助于更加全面地了解台风诱发平流层重力波的波动特征.     

基于时间序列的星载微波成像仪无线电频率干扰识别方法

无线电频率干扰(Radio Frequency Interference,简称RFI)的识别对提高星载被动微波资料的利用率有重要作用.本文基于先进的微波扫描辐射计AMSR-2(Advanced Microwave Scanning Radiometer-2)2016年1月1日到2017年12月31日两年的观测亮温资料,采用两种基于长时间观测序列的方法(平均值与标准差法、标准估算误差法)来识别全球陆面在C波段(6.9 GHz和新增7.3 GHz通道)的无线电频率干扰,同时还统计分析了长时间RFI信号的分布及变化特征.通过与成熟的谱差法对比验证表明,平均值与标准差法、标准估算误差法对识别全球陆面在C波段的无线电频率干扰是行之有效的,而且标准估算误差法能够将谱差法、平均值与标准差法在冰雪覆盖区域(如格陵兰岛)识别的虚假RFI信号给剔除,有助于得到更加准确的全球无线电频率干扰信号分布图.研究还发现,RFI信号的空间位置分布随时间的推移是逐渐变化的,其出现概率与通道的极化特性有关,且在6.9 GHz水平极化通道识别出RFI信号的视场总数多于垂直极化通道,而在7.3 GHz水平极化通道识别出RFI信号的区域则少于垂直极化通道.同一频率的升轨和降轨资料中RFI信号的出现概率也不同,不论6.9 GHz和7.3 GHz的水平还是垂直极化通道,在升轨资料中识别出RFI信号的视场总数都多于降轨资料.     

海口中层大气温度变化特性的Rayleigh激光雷达观测研究

中层大气温度变化的探测与研究是当前气候变化研究课题的一个组成部分,本文基于海南激光雷达2010—2020年间的长期观测,通过对中层大气Rayleigh散射信号的反演,探讨了海口(19.9°N,110.3°E)上空中层大气(32～64 km)温度变化特性.研究结果显示,中层大气温度呈周期性变化趋势,年、半年、季节变化幅度最大值分别为6.0、3.8、1.7 K,平流层顶位于42～51 km高度,日平均温度最高为～262 K.平流层温度主要表现为年变化趋势,半年和季节变化不明显;平流层顶和低中间层温度变化趋势具有年和半年变化特征,季节变化不明显.在太阳活动性发生明显变化的周期里,平流层顶温度的年际变化趋势对辐射通量F_10.7指数变化有较明显的响应;而在太阳活动平静的年份里,温度变化趋势与太阳辐射通量变化的相关性不明显.     

与东北冷涡相伴的高空急流诱发平流层重力波的数值模拟研究

使用中尺度数值模式WRF-ARW,针对2010年6月发生在中国东北地区一例伴随对流层高空西风急流（位于~9 km高度）演变过程出现的平流层重力波活动特征开展了数值模拟. 事件发生期间,对流层区域环流处在一个东北冷涡系统的控制之下. 模拟结果再现了该东北冷涡的发展和维持过程,以及与之相伴的高空急流的特征. 模拟结果揭示出在急流区域上空的平流层中存在显著重力波活动现象. 分析结果显示,重力波活动与急流存在紧密联系,在水平方向上,重力波呈显著的二维结构,出现在急流出口区上部并逆背景流向西传播. 功率谱分析结果表明盛行波动具有~700 km水平尺度、9~12 h时间尺度以及4~5 km垂直波长. 由于急流的存在,造成其与平流层中下部之间存在显著的水平风速垂直切变,与切变相伴的耗散使得上传的重力波动量通量数值随着高度升高而递减. 同时,在18~20 km高度间出现的西风-东风转换带极大地抑制了波动在垂直方向的传播,形成显著动量通量沉积效应. 估算结果表明,在11~20 km高度之间,这种效应的整体作用相当于对该层背景流施加强度为0.86 m·s^-1·day^-1的动力阻曳.     

基于COSMIC卫星观测数据的平流层重力波的全球分布特征研究

本文利用2007年1月至2012年12月的COSMIC卫星温度剖线,从中提取了垂直波长在3~10 km的重力波扰动信息,进而分析了全球平流层大气重力波的分布特征.赤道地区低平流层重力波表现出明显的准两年变化,这种变化与风场的准两年变化具有明显的相关性,向下发展速度约为1 km/月;赤道地区高平流层(35 km以上区域)的重力波活动则存在明显的半年变化.中高纬度重力波活动主要表现为冬季强夏季弱.在南极地区存在着与急流的时间、空间以及强度变化密切相关的重力波分布特征,这说明在南极极夜急流是非常重要的一个重力波源;而在北极极夜急流的作用则没有那么强.此外,通过考察不同高度的重力波活动特征,我们发现:30 km以下重力波活动较强区域主要在赤道地区且与强对流区分布基本吻合,地形诱发的以及与天气系统相关的强重力波活动在该高度范围内同样出现;而在30 km以上的区域重力波活动强度分布则会出现与平流层爆发性增温以及极夜急流有关的变化.     

Variability of the mesospheric wind field at middle and Arctic latitudes in winter and its relation to stratospheric circulation disturbances

Continuous wind observations allow detailed investigations of the upper mesosphere circulation in winter and its coupling with the lower atmosphere. During winter the mesospheric/lower thermospheric wind field is characterized by a strong variability. Causes of this behaviour are planetary wave activity and related stratospheric warming events. Reversals of the dominating eastward directed mean zonal winds in winter to summerly westward directed winds are often observed in connection with stratospheric warmings. In particular, the amplitude and duration of these wind reversals are closely related to disturbances of the dynamical regime of the upper stratosphere.The occurrence of long-period wind oscillations and wind reversals in the mesosphere and lower thermosphere in relation to planetary wave activity and circulation disturbances in the stratosphere has been studied for 12 winters covering the years 1989–2000 on the basis of MF radar wind observations at Juliusruh (55°N, since 1989) and Andenes (69°N, since 1998). Mesospheric wind oscillations with long-periods between 10 and 18 days are observed during the presence of enhanced planetary wave activity in the stratosphere and are combined with a reversal of the meridional temperature gradient of the stratosphere or with upper stratospheric warmings.     

COSMIC GPS observations of topographic gravity waves in the stratosphere around the Tibetan Plateau

Temperature profiles provided by the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate (COSMIC) global positioning system (GPS) satellite constellation were used to study an eight-year series (2007 to 2015) of gravity wave (GW) potential energy in the stratosphere (18–30 km) around the Tibetan Plateau (TP). We found that with increasing altitude, the GW potential energy (E _p) values in the stratosphere caused by convection decreases. The importance of GWs that are stimulated by topography is enhanced in this area. In the TP, which was considered to lack strong topographical GW activity, clear activity existed in the spring and winter of all studied years. Based on the latitudinal zone of the TP, the distribution of GW potential energy is highly consistent with the elevation of the local topography. The activities of topographical GWs are strongly filtered as they propagate upward to the area of zero speed wind. The analysis indicates that in the TP, clear orographic GW excitation exists and propagates upward to the upper stratosphere, where it is greatly influenced by the wind.     

Simulation of the stratospheric gravity waves generated by the Typhoon Matsa in 2005

The generation of stratospheric gravity waves(GWs) due to typhoon is simulated by using a meso-scale model(WRF) with a typhoon case,the Matsa in 2005.An 8-day model run that covers the major stages of the Matsa’s development reproduces the key features of the typhoon.For example,good agreements in the typhoon’s track,the intensity,and the spiral clouds,as well as mean state of stratosphere,are seen between the simulation results and the observation.Simulation results clearly show that with typhoon propagates northwestward,pronounced stratospheric GWs are generated continuously in the vicinity of Matsa.The GWs exhibit the typical curve-like wave fronts away from the Typhoon Matsa,and propagate preferentially in the upstream of the background winds.These characteristics reflect that the stratospheric GWs are closely associated with the typhoon,and thus the GWs are referred to as Tropical Cyclone related Gravity Waves(TC-GWs).The results also show that these waves should have a rather large horizontal scale so that the outmost wave fronts can be seen at the distance of ～1000 km to the typhoon center in the horizontal plane of 20 km.This is consistent with the phenomenon of stratospheric TC-GWs with ～1000 km horizontal scale disclosed by the previous observational analysis results.     

The global distribution of gravity wave energy in the lower stratosphere derived from GPS data and gravity wave modelling: Attempt and challenges

Five years of global temperatures retrieved from radio occultations measured by Champ (Challenging Minisatellite Payload) and SAC-C (Satelite de Aplicaciones Cientificas-C) are analyzed for gravity waves (GWs). In order to separate GWs from other atmospheric variations, a high-pass filter was applied on the vertical profile. Resulting temperature fluctuations correspond to vertical wavelengths between 400 m (instrumental resolution) and 10 km (limit of the high-pass filter). The temperature fluctuations can be converted into GW potential energy, but for comparison with parameterization schemes GW momentum flux is required. We therefore used representative values for the vertical and horizontal wavelength to infer GW momentum flux from the GPS measurements. The vertical wavelength value is determined by high-pass filtering, the horizontal wavelength is adopted from a latitude-dependent climatology. The obtained momentum flux distributions agree well, both in global distribution and in absolute values, with simulations using the Warner and McIntyre parameterization (WM) scheme. However, discrepancies are found in the annual cycle. Online simulations, implementing the WM scheme in the mechanistic COMMA-LIM (Cologne Model of the Middle Atmosphere—Leipzig Institute for Meteorology) general circulation model (GCM), do not converge, demonstrating that a good representation of GWs in a GCM requires both a realistic launch distribution and an adequate representation of GW breaking and momentum transfer.     

Simulated impacts of atmospheric gravity waves on the initiation and optical emissions of sprite halos in the mesosphere

The correlation between atmospheric gravity waves(GWs) and Transient Luminous Events(TLEs) has been poorly studied using both synchronous observations and numerical simulations. To investigate the modulation effects of GWs on TLEs,a troposphere-mesosphere quasi-electrostatic field model is developed in three-dimensional Cartesian coordinates, and the effects of GW perturbations on the initiation and optical emissions of sprite halos are simulated using the model. Simulation results indicate that the atmospheric density at lower ionosphere altitudes becomes inhomogeneous due to GW perturbations, and sprite halos tend to initiate in the GW troughs due to the lower electric breakdown threshold. GW perturbations cause the deformation of sprite halos, strong luminous regions distribute mainly along the GW troughs while optical intensities along the GW peaks is relatively weak. Larger GW perturbations lead to more pronounced deformation of sprite halos, however, stronger lightning discharges in the troposphere result in less optical perturbations of sprite halos. The observed luminous intensities and optical morphology of sprite halos are also affected by the observing orientations and the lightning polarities.