TRMM/TMI资料在热带气旋强度估计中的应用研究

利用2007—2009年热带降雨测量卫星（TRMM）的微波成像仪（TMI）观测到的亮温资料,计算9个通道（10、19、37、85 GHz的水平和垂直极化通道及21 GHz的垂直极化通道）的亮温和极化修正温度（PCT）在不同范围内的最大值、最小值、平均值和区域阈值与热带气旋强度之间的关系。结果表明：亮温信息可较好地反映热带气旋的强度,单个参数与热带气旋最大风速的相关性最好可达到0.83,线性拟合的均方根误差接近业务误差;低频通道的亮温相对于高频通道可更好地估计海上热带气旋强度;位于台风中心0.5°～1.5°度范围之间的亮温与气旋强度的相关性较好,圆形区域的相关性好于圆环区域;对于位于海上的热带气旋,区域亮温的最小值与热带气旋强度的关系最好;低频通道（除10 GHz外）,阈值位于260～280 K区间的亮温与热带气旋强度的相关性较好。     

基于FY-3C/MWTS-II数据估计西北太平洋热带气旋强度

文章利用FY-3C新型微波温度计(MWTS-Ⅱ)数据估计发生在西北太平洋的热带气旋强度。首先对与热带气旋最强暖核位置相重合的通道5~8进行临边订正,取得了较好的效果,订正偏差均小于各通道的探测灵敏度;之后利用热带气旋微波亮温距平分布分析了热带气旋在对流层中、上层的增暖特征,发现热带气旋中心的增暖强度、形状特征与热带气旋的强度相关,强度较强的气旋中心增温较强,其暖核结构清楚而完整;最后利用通道6和通道7最强亮温距平中的最大值建立了热带气旋强度估计模型,独立样本检验的标准偏差为13.0 hPa,进行扫描角度修正后的标准偏差为12.0 hPa,引入纬度因子后的标准偏差为11.1 hPa,估计精度得到一定程度的改善。     

一套基于FY-3B/MWRI观测的热带气旋微波亮温数据集

利用风云三号B星(FY-3B)微波成像仪(Microwave Radiation Imager,MWRI)一级亮温数据和每6 h一次的热带气旋(tropical cyclone, TC)最佳路径数据进行时空匹配,建立了TC微波亮温数据集。该数据集包含了2011—2016年全球六大海盆生成的热带风暴级别以上的TC共计538个,以及对应每个TC的微波十通道亮温和36.50 GHz、89.00 GHz的极化校正亮温度,并简要阐明了该数据集在热带气旋研究方面的潜在应用,尤其对TC生命周期内的微波亮温特征及TC强度变化研究提供了有力的数据支撑。     

台风"杜鹃"的AMSU卫星微波探测资料分析

由于微波具有穿透云的能力,AMSU卫星探测资料得到了越来越广泛的应用。利用AMSU多个通道的资料,对2003年台风“杜鹃”过程进行了分析。通过比较AMSU-B（89GHz和150GHz）与GOES-9的台风结构图像可以发现微波具有较强的垂直探测能力;在AMSU-B的5个通道中,通道2（Ch2）亮温值的大小能够最好地反映热带气旋螺旋雨带冰晶层的深厚程度,从而判定螺旋雨带的强度;Ch2的亮温分布与雷达的强降水回波有较好的对应关系;利用AMSU-A温度反演资料能够清晰地揭示热带气旋的暖心结构、地面风速和中心气压与250hPa温度距平的关系,以及强降水的落区等。结果表明：AMSU资料作为一种新的卫星微波探测资料,在热带气旋的结构、螺旋雨带的强度及其降水强度的分析预报中具有一定的应用价值。     

AMSU温度反演及其在台风研究中的应用

利用物理统计综合方法，建立了统计回归模型，作AMSU（Advanced Microwave Sounding Unit）温度反演。采用Liebe模式计算了AMSU3～14通道微波波段的权重函数，利用计算得到的归一化权重函数作为统计回归模型的约束夸件，并适当调整约束因子求得方程的最佳解。结果表明，当采用近星下点的AMSU—A亮温资料样本时，该算法模型具有较高的反演精度，在100hPa以下，温度均方根偏差为0．4K，100hPa及以上的均方根偏差为1．0K。用同样的约束回归算法对AMSU偏离星下点的观测视场作了临边订正，对于通道4～14（频率52．8～57．29GHz）的大气探测通道，使其最大偏差由-15～5K减小为4-0．9K。利用反演的温度，对2002-2003年登陆和影响我国的15个热带气旋的暖心结构作了分析，发现AMSU温度不仅能够清晰地反映热带气旋的暖核结构，而且其温度距平值与热带气旋中心风速和最低海平面气压有较好的相关关系，对实际分析预报有一定的参考价值：     

基于风云三号微波成像仪的热带气旋强度的多元统计估计方法研究

利用中国风云三号微波成像仪数据开展西北太平洋热带气旋强度多元统计估计方法研究。⑴ 分析各通道以热带气旋中心为圆心,不同半径的同心圆和同心圆环内的亮温参数与热带气旋最大风速之间的定量关系,结果表明:低频通道1.0 °和1.5 °以内亮温的最小值、大于某亮温阈值的象元百分比和平均值与最大风速之间的相关性最高。⑵ 利用主分量分析和多元回归方法建立适合于西北太平洋上的热带气旋强度估计模型,其独立样本检验的均方根误差为13 kt。此模型在热带气旋发展的初始阶段会出现最大风速的高估,而在热带气旋发展的成熟阶段会出现最大风速的低估,正负偏差的分界点出现在70 kt左右,偏差较大的个例大多是未形成规则的热带气旋云系结构,且具有非常明显的不对称性。因此估计热带气旋强度时考虑热带气旋的云系结构特征将有助于进一步提高估计精度,且随着热带气旋样本数的增多,精度也有望进一步提高。      

一次锋面气旋云系中强对流云团的识别

利用NOAA-16/AMSU-B微波亮温资料和GOES-9光学遥感资料对2004年6月16日一次锋面气旋云系中的强对流云团进行识别, 尝试了NOAA-16/AM SU-B微波两窗区通道亮温、3个微波水汽通道间亮温差, GOES-9红外亮温阈值、水汽和红外通道亮温差、红外和水汽通道亮温多光谱逐个修改聚类等方法, 通过比较各种方法的识别结果, 分析各种识别技术的特点, 同时采用地面常规观测资料进行叠加, 对识别方法进行了验证。结果表明:微波对强对流云团均能较好识别, 但89 GHz通道亮温受地表影响较大, 不能很好剔除过冷水体, 150 GHz通道亮温与微波水汽通道间亮温差的识别结果较一致, 3个微波水汽通道间亮温差对阈值的依赖性相对较小; GOES-9红外亮温阈值因其随时空变化对识别结果会造成较大差别, 而水汽和红外通道亮温差对强对流云团能进行较好定位, 但识别范围较小, 多光谱逐个修改聚类方法对积雨云的识别效果较好, 且和NOAA-16/AMSU-B识别结果有较好的对应关系; 地面常规观测资料的叠加结果也说明, 多波段遥感资料对强对流云团的识别结果与当时的天气现象及积雨云状均有较好的对应关系。     

应用AMSU B微波资料分析0509号Matsa台风水汽场分布特征

热带气旋的形成、发展、移动以及消亡与大范围水汽输送和集中息息相关.此研究以2006年7-8月的AMSU-B的183.3±1、183.3±3、183.3±7GHz三个水汽通道亮温为主要资料源,利用三个通道所在的权重高度差异,分别建立了对流层高、中、低层水汽量与三个通道亮温的e指数统计回归关系.在此基础上,选取西北太平洋2005年09号麦莎台风,利用AMSU-B亮温通过回归关系式计算出的高、中、低层水汽量,就其水汽输送与强度变化关系进行了分析.结果表明,其一,微波水汽通道亮温能够很好地表征热带气旋环境场不同高度的水汽分布和水汽输送,尤其是对流层中层亮温的变化显示出的水汽量的变化与热带气旋强度密切相关;其二,热带气旋发展过程中,除了西南季风形成的西南水汽通道是水汽维持的重要输送带外,东南水汽通道也经常成为登陆热带气旋强度维持的主要水汽供给.     

利用AMSU-B和GOES-9卫星资料对热带气旋“蒲公英”的分析

利用NOAA-16/AMSU-B三水汽通道微波亮温差和GOES-9红外亮温阈值对热带气旋深厚对流云进行检测,同时利用GOES-9可见光、红外、水汽多光谱通道特征对热带气旋云系进行识别,通过一次台风“蒲公英”个例,对热带气旋在微波和光学遥感图像上的深厚对流云进行分析。结果表明,微波和光学遥感资料均能对热带气旋深厚对流云进行有效识别,检测结果基本一致,但识别出的对流云,微波范围较小,光学遥感范围较大,这可能是由于光学遥感仅能获得云顶信息,将对流云顶部覆盖的卷云错判造成的;即使采用较低亮温阈值,光学遥感也很难将这部分卷云完全分离,而微波对云更具穿透性,在深厚对流云的识别方面具有独特优势;三水汽通道间微波亮温差反映了深厚对流云的发展强度,可间接揭示热带气旋的发展情况。     

应用AMSU-B微波资料分析0509号Matsa台风水汽场分布特征

热带气旋的形成、发展、移动以及消亡与大范围水汽输送和集中息息相关。此研究以2006年7—8月的AMSU-B的183.3±1、183.3±3、183.3±7GHz三个水汽通道亮温为主要资料源,利用三个通道所在的权重高度差异,分别建立了对流层高、中、低层水汽量与三个通道亮温的e指数统计回归关系。在此基础上,选取西北太平洋2005年09号麦莎台风,利用AMSU-B亮温通过回归关系式计算出的高、中、低层水汽量,就其水汽输送与强度变化关系进行了分析。结果表明,其一,微波水汽通道亮温能够很好地表征热带气旋环境场不同高度的水汽分布和水汽输送,尤其是对流层中层亮温的变化显示出的水汽量的变化与热带气旋强度密切相关;其二,热带气旋发展过程中,除了西南季风形成的西南水汽通道是水汽维持的重要输送带外,东南水汽通道也经常成为登陆热带气旋强度维持的主要水汽供给。     

利用AMSU分析热带气旋结构特征

搭载在美国新一代极轨业务系列气象卫星上的先进的微波探测器 (Advanced Microwave Sounding Unit , AMSU) 提供了对于大气中温度、湿度以及云雨分布特征的探测能力。 研究选择 2003 年发生在西北太平洋上的多个热带气旋个例, 利用 NOAA16/17 卫星的 AMSU 数据分析热带气旋热力及云雨结构特征, 结果显示: 热带气旋中心的增暖在 AMSU-A 微波温度观测表现显著, 特别是在对流层上层通道尤其明显; AMSU 观测热带气旋中心增暖与强度相关性统计分析显示, 两者相关性达 0.778; AMSU-B 高频通道可以揭示热带气旋的云雨结构分布和对流发展旺盛情况, 分析显示热带气旋云雨结构变化与气旋强度密切相关, 气旋强度滞后于系统对流过程的发展 。     

基于仿真的6.9 GHz通道亮温改进FY-3D MWRI海面温度产品

海洋表面温度SST（Sea Surface Temperature）是全球海洋和气候研究的重要参数之一，卫星被动微波遥感由于能够实现全天候观测而被越来越多的应用到SST研究中。中国的风云三号（FY 3）卫星搭载的微波成像仪（MWRI）缺少对SST更加敏感的7 GHz附近垂直极化通道，本研究将FY 3 MWRI与具有6.9 GHz通道的Aqua AMSR 2进行时空匹配，采用神经网络方法，利用匹配的FY 3 MWRI的通道亮温模拟仿真AMSR 2的69 GHz垂直极化通道亮温（6.9V），通过引入仿真的6.9V来提高FY 3 MWRI SST的反演精度。结果表明：引入仿真的6.9V可以改进FY 3 MWRI SST反演精度，对35°～90°S之间海域的SST改进更加显著，主要由于6.9V对低SST的探测灵敏度更高且在低SST反演时受风速的影响较小导致的。如果FY3后续卫星可以搭载6.9 GHz通道，将可进一步提升低SST特别是两极SST的反演精度。     

重庆不同天气条件下地基微波辐射计探测特征

利用2012年1月至2014年8月重庆沙坪坝站的微波辐射计和探空数据,通过数值模拟检验微波辐射计的亮温精度,并统计分析晴空、有云和降水天气条件下微波辐射计反演产品的变化特征。结果表明:(1)有云时微波辐射计氧气通道53.85、54.00 GHz亮温与探空观测温度相关性较好;晴空和有云时MonoRTM模拟亮温与微波辐射计观测亮温相关性较好。(2)不同天气条件下,微波辐射计反演温度与探空观测值的相关性都较高,降水时4.0 km以下微波辐射计反演温度明显偏高,有云和晴空时3.8 km以下的温度平均绝对误差小于2℃。微波辐射计反演的相对湿度与探空观测值的相关性较同高度层温度的相关性差,有云时1.0~2.6 km高度反演的相对湿度平均误差很小,降水时4.5 km以下平均误差也较小且稳定。降水时4.0 km以下微波辐射计反演的水汽密度平均误差明显偏大,有云时多数高度层平均误差较小。(3)4.2 km以下降水时08:00微波辐射计反演温度的平均误差较大,有云时08:00微波辐射计反演温度和水汽密度的平均误差均较小。说明微波辐射计反演的大气廓线具有可用性,且在稳定大气环境中反演效果更好。     

一次极端短时强降水过程中FY-3微波湿度计观测特征分析

利用FY-3微波湿度计资料和常规观测资料,对2016年贵州至湖北一次强降水事件中极端短时强降水站点、一般性短时强降水站点上空对流云的微波观测特征进行了对比分析。结果表明:(1)极端短时强降水站点上空150 GHz附近窗区探测通道亮温低于一般性短时降水站点。(2)极端短时强降水站点上空水汽通道亮温垂直分布呈现漏斗状,对干侵入有一定指示作用,亮温最低值出现在183.31±7 GHz附近,主要为暖云降水;一般性短时强降水站点上空水汽通道亮温垂直分布则呈竖条形,亮温最低值出现在183.31±3 GHz和183.31±7 GHz探测通道附近,为冷云暖云混合降水。(3)极端短时强降水站点上空未出现冲顶对流,但低层对流发展旺盛;一般性短时强降水站点上空出现冲顶对流,但低层对流发展强度偏弱。     

冰雹云降水过程中微波亮温的变化特征

通过冰雹云模式模拟的一次冰雹云降水过程中降水粒子廓线和微波辐射传输模式结合,分析了冰雹云发展的不同阶段的微物理含量垂直结构变化及其对微波亮温的影响,得到以下几点结论:1)如果微波通道受到降水粒子散射和辐射的共同作用,如降水云早期的85 GHz亮温,成熟期的19 GHz亮温及消散期的37 GHz亮温,由于辐射和散射信息互相抵消,致使亮温随雨强的变化较复杂,这些通道亮温和雨强的相关性明显降低,不宜被用来反演地面雨强。2)根据19 GHz亮温随地面雨强或冰相粒子柱含量的改变,可以大致确定降雨云的不同阶段:在发展阶段,主要是降雨层以上的冰相粒子,尤其霰粒影响19 GHz亮温,致使其亮温与冰相粒子柱含量具有较好的负相关,而与地面雨强相关性较差;在成熟阶段,主要受雨水上层逐渐增加的辐射和冰相粒子散射共同作用,使得19GHz亮温与地面雨强和冰相粒子柱含量的相关性都不太好;在消散阶段,19 GHz亮温主要受较强的雨水辐射影响,与地面雨强和冰相粒子柱含量均有着较高的正相关。3)37 GHz是相对比较稳定的通道,其亮温与地面雨强有较好的线性关系,尤其与冰相粒子柱含量相关性更好,因此是反演地面雨强和冰相粒子柱含量的最佳通道。85 GHz亮温对降雨云体的中高层结构较为敏感,使得其亮温随地面雨强增加而降低的变化比较离散,不如37 GHz的集中。     

对流性降水云微波辐射特性

结合MM5模式和三维微波辐射传输模式, 对2003年7月9日宜昌地区一次典型的中尺度降水中心的对流性降水云微波辐射特性进行研究。结果表明:MM5模式模拟的降水量和落区与实况一致,模拟的水凝物廓线也与TMI反演值接近,85.5 GHz通道辐射亮温与TMI实测情况相近。85.5 GHz通道亮温与地面雨强相关性很弱, 受云中云冰和雪花的散射降温作用显著, 由于其他粒子的综合作用以及斜角观测造成的位置偏移, 霰粒子对该通道亮温散射作用不明显。19.35 GHz通道亮温随雨强增加先升温后降温; 与霰粒子含量表现出明显的负相关关系。37.0 GHz通道亮温随雨强的增加而降温, 雨强大于20 mm/h后达到饱和, 主要受雨水降温作用影响。倾斜观测比天顶垂直观测产生更低的亮温低值中心, 且频率越高, 低值中心的偏移越严重。     

支持向量机在AMSU-A临边调整中的应用

采用支持向量机(SVM,Support Vector Machine)方法,对AMSU-A进行了临边调整试验。利用全球廓线数据集和快速辐射传输模式计算的理想亮温资料,以及AMSU-A全球实际亮温资料的分析表明,临边效应增大了窗区通道边缘视场的亮温,减小了5～14通道边缘视场亮温。临边效应对于各通道影响明显,且随着视角的增大而增大。通过理想试验分析表明,与多元线性回归方法相比,支持向量机方法对于窗区通道调整效果改进较多,对于通道5～14,同样优于多元线性回归方法。除窗区通道1、2、15边缘少数视场外,各视场调整均方根(RMS,Root Mean Square)误差在AMSU-A仪器噪声范围之内。对实际资料的试验表明,支持向量机方法调整效果同样优于多元线性回归方法。     

辐射传输模式对地基微波辐射计观测亮温的模拟能力分析

提供高时间分辨率大气温度湿度廓线的地基微波辐射计近年来广泛使用,多通道观测亮温的数据质量是大气廓线产品合理性的基本保障。一般定期液氮绝对定标可以更好维护亮温数据质量,但实际操作颇为不易。辐射传输模式作为一种辅助工具,可以检验和认识地基微波辐射计观测亮温的数据质量。本文针对三个辐射传输模式:MonoRTM、ARTS和MWRT,结合北京探空观测资料、北京观象台和河北香河站同类型的德国RPG地基微波辐射计观测资料,分析比较了三个模式的模拟与观测亮温差异,评估不同辐射传输模式对地基微波辐射计观测的模拟能力。地基微波辐射计14个通道观测亮温与模式模拟的差异统计比较发现:三个模式的模拟结果与地基微波辐射计大部分通道的观测亮温都很接近,与观测结果具有很好一致性（如相关系数高达0.99）,而对温度通道ch8（51.26 GHz）和ch9（52.28 GHz）,三个模式模拟与观测相关系数明显较低（<0.80）,并且存在显著的绝对偏差（4～5 K）,表明模式在这两个通道的模拟能力有待提高。三个模式中,MonoRTM模式在温度通道ch8、ch9和ch10（53.86 GHz）存在明显的系统性偏差,尤其是ch8高达5 K;ARTS模式对水汽通道ch1（22.24 GHz）的模拟能力相对较弱;MWRT模拟与观测亮温在多个通道上相对更为接近和稳定,尤其系统性偏差最小。此外,探空廓线与地基观测站的空间位置不一致,对地基微波辐射计水汽通道的模拟结果影响较为显著,而对水汽不敏感的温度通道影响甚微。两地观测亮温与模式模拟的比对,初步表明北京观象台地基微波辐射水汽通道的观测质量有待改进。     

AMSR-E数据参数化法反演液态云水路径研究

液态云水路径是气象学和云雾物理的一个重要参数,其定量测量对气候变化及灾害性天气的监测和预报均具有十分重要的作用.本文利用AUQA卫星携带的微波成像仪AMSR-E和中分辨率成像光谱仪MODIS确定微波极化通道亮温与大气含水量ω的关系,并改进双极化参数法.结果表明:利用AMSR-E的89.0 GHz和36.5 GHz微波极化通道亮温数据可直接反演液态云水路径,并可依据MODIS反演的大气含水量ω将反演分辨率估算至1 km.反演结果与MODIS云图路径吻合,与NCEP 1°×1°的6 h液态云水路径垂直积分总含量资料进行对比,表明反演结果误差小于0.04 kg·m~(-2).     

中尺度区域模式层顶高度对高空风场数值模拟的影响分析

本文基于中尺度区域模式WRF,开展模式层顶高度变化对高空气象要素,特别是高空风场数值模拟影响的研究。通过设计模式顶高45、5 hPa两个试验,同化来源于NOAA-15、NOAA-18、NOAA-19和METOP-2的AMSU-A辐射计高通道数据,表明提高模式层顶能够使卫星更多的高通道样本数量进入同化系统,达到减小背景场误差,同时减小高于层顶通道辐射能量对低层通道影响的目的,一定程度上改进了同化效果,从而改善高空气象要素,特别是风场的模拟效果,与观测值的均方根误差减小了约0.4~0.5 m·s^-1。