基于月球实时加权平均辐射亮度温度的星载毫米波湿度仪的定标

太空环境的变化会给在轨运行的星载有效载荷定标造成一定的不确定性,因此需要一个长期稳定可靠的定标辐射源. 2005年,美国NOAA-18卫星搭载了多类微波辐射有效载荷,其中包括工作在毫米波频段的微波湿度仪(MHS).卫星在轨运行中,对冷空观测时MHS的深空视野(deep space view, DSV)有时会观测到月球.由于没有大气与多变的环境影响,稳定的月表面微波辐射是一个可利用的定标辐射源.文章用实时的太阳辐射强度和日下点位置,基于月球勘测轨道飞行器LRO Diviner红外辐射亮温数据反演的热物性参数,由一维热传导方程计算月球正面的月壤温度廓线;结合"嫦娥二号"微波辐射亮温数据反演得到的月壤层正切损耗,用辐射传输积分方程仿真计算了2011年内89、157、183GHz频段月球正面的加权平均辐射亮温.将月球视为一个圆盘目标,而非一个点目标,用仿真的月球正面辐射亮温来修正拟合深空视野中实际的辐射强度半峰全宽(full width at half maximum,FWHM).仿真分析了卫星与月球的距离、月相、辐射计的FWHM对数据拟合的影响,将修正后的辐射亮温数据与仿真结果进行比较.文章提出了月球正面实时的加权平均辐射亮温模型,为在轨气象卫星微波辐射计的在轨定标技术提供了一个新设计方案.     

风云三号卫星微波观测的临近空间大气扰动特征

风云三号C星(FY-3C)同时装载有设置了50～60GHz和118.75GHz附近氧气吸收带内通道的微波大气垂直探测器,可以用于监测临近空间下部的大气温度.本文的首要目的是展示FY-3C微波大气垂直探测器在监测临近空间(尤其是平流层)强重力波扰动中的优势特点.在给出平流层强扰动监测结果的基础上,分析了不同波段不同通道监测平流层大气温度扰动的能力.随后,对比分析了FY-3C大气温度探测通道与国外同类仪器在观测平流层扰动中的异同点,并进一步讨论了不同平台相同大气微波探测通道联合分析平流层扰动过程的能力.本文在统计2013年冬季(2012年12月和2013年1、2月)和2014年夏季(2014年6、7、8月)的微波大气垂直探测器观测的全球平流层扰动出现频率分布的基础上,利用FY-3C微波大气温度探测器分析了格陵兰岛附近2014年1月7—11日一次平流层扰动过程.结果表明,FY-3C微波探测器50～60GHz和118.75GHz波段可用于获取平流层不同高度上的大气温度扰动特征,且前一波段的探测能力显著地优于后一波段.随后,针对2014年1月11日拉布拉多半岛附近的平流层强扰动过程,基于FY-3C的MWTS-Ⅱ与METOP-B的AMSU-A的对比观测表明,MWTS-Ⅱ能够揭示平流层波动更细致的水平结构特征.最后,针对2014年8月10日安第斯山脉附近不同平台仪器的相同通道探测结果的分析表明,多平台联合观测可以进一步提高平流层强扰动监测的时间分辨率.     

“嫦娥一号”卫星微波探测仪数据处理模型和月表微波亮温反演方法

"嫦娥一号"卫星(CE-1)微波探测仪(CELMS)是人类第一次在月球轨道上对月球表面进行探测的被动微波遥感器.在发射前,CELMS在实验室进行了大量的关于系统响应参数和定标的试验,但是由于月球轨道条件复杂,特别是一轨之内温度变化很大,使得辐射计的各个部件的温度变化剧烈;冷空定标天线安装位置、月球轨道冷空背景的复杂性,使数据处理变得非常严峻.尤其是在轨两点定标数据的处理,涉及冷空的有效性判别以及通道传输参数随着温度的变化,都需要先验的知识和预先的测量数据作为支撑.而关于月表成分、温度和微波辐射规律存在大量的未知因素,所以给数据处理和分析带来很大的困难.通过对于CELMS地面和在轨数据的分析,结合月表已知的特征参数,详细讨论CELMS在轨定标及亮温处理的实现过程.重点论述了定标的微波辐射传输原理及其参数的试验测试方法,微波亮温的反演算法等内容,并通过与模拟的Apollo点数据的比较确定在轨天线的订正系数.最后对全月的亮温分布及其特点进行了分析,初步结果表明:月表微波亮温包含了丰富的有关月壤特性的信息,尤其是昼夜亮温差异能够较为直接地反映了月壤厚度和表面介电常数的信息.     

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.     

COSMIC数据验证AMSU平流层低层观测的初步分析结果

基于Global Positioning System (GPS)掩星数据在平流层具有较高准确性、稳定性的优势,本文尝试用新一代GPS掩星观测——the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate (COSMIC)资料验证不同卫星平台上先进的微波探测仪（AMSU）的平流层观测结果.通过COSMIC大气温度廓线与AMSU辐射传输模式结合,得到模拟亮温,然后与AMSU平流层观测进行匹配比较.分析表明GPS掩星数据能够作为一个相对独立的参量检验NOAA15、16、18卫星平台内部的偏差.通过一年数据的比较验证,初步显示不同卫星平台的AMSU观测亮温在平流层低层都偏低,并且NOAA18平台的亮温偏低程度明显大于NOAA15、16.AMSU亮温偏差在极地冬季较为显著,尤其南极地区NOAA18的偏差幅度达到1.8 K.结合24小时内AMSU观测亮温偏差变化及其样本分布特征,可以看到明显的太阳辐射差异可能是导致AMSU观测亮温在极地偏差显著的主要原因.     

利用全极化微波辐射计资料反演台风境内海面风场

作为一种新兴的被动遥感技术,全极化微波辐射计不仅可以提供海面风速产品,还可以提供海面风向产品.以往利用全极化微波辐射计观测亮温进行海面风场反演仅在晴空条件下进行,本文通过对观测亮温结合台风区域海面风场的分布特征进行分析,验证了全极化微波辐射计具有在台风等恶劣天气条件下进行海面风场观测的能力.基于敏感性分析实验,确定使用6.8 GHz和10.7 GHz等低频通道组合可进行台风区域内海面风场反演.其中,海面风速反演使用基于统计的多元线性回归算法,同时对海面温度、大气水汽含量、云中液态水含量及降水强度等物理量进行反演计算,为海面风向反演做准备.海面风向反演使用物理统计法进行,借鉴散射计风向反演使用的最大似然估计法.通过在全极化辐射传输前向模型中加入降水对大气透过率的影响、设计第三和第四Stokes通道亮温环境影响修正函数,在实现台风区域内海面风向反演的同时减小了反演误差.通过对“云娜”台风境内海面风场进行数值计算,验证了本文反演算法的可行性,并对反演误差的空间分布特征进行了分析.将2004年各台风过程的海面风场反演结果与散射计风场产品进行对比,海面风速和海面风向反演的均方根误差分别为1.64 m·s^-1和18.02°.     

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.     

月球南极的微波辐射分布与异常

对南极的探测是几乎所有月球卫星探测任务的重点目标之一.其目标意在利用该地的光照资源和可能存在的冰为今后建立月球基地提供条件.利用多层微波辐射传输方程模拟并分析了多种影响因子对月壤微波亮温的影响.使用“嫦娥一号”微波探测仪（CELMS）所获得的观测数据研究了月球南极的微波辐射分布规律.在分析其普遍规律的基础上,研究了具有异常微波辐射特征的地区.月球极地微波亮温呈现规则环状分布,从赤道向两极递减.分析认为,在赤道月壤内温度梯度较大,越向两极月壤内的平均温度梯度越小.随着频率降低,白天夜晚的亮温差也逐渐降低.据此制作了两极月球亮温分布图.研究发现,微波亮温的变化在南纬85°以后逐渐与高程变化同步.这一现象与太阳照射月球的角度有关,并指示了南极月壤温度的冷热分布.所提取出的异常冷点分布是永久阴影区的搜索方向,异常热点则标志着该地有丰富的热量资源.     

基于FY-3C微波成像仪的沙漠地表发射率反演

地表发射率是地表的固有属性,也是反演地表信息和大气温湿度廓线的重要参数.为了获取准确且具有具体物理含义的沙漠地区微波地表发射率,首先选取塔克拉玛干沙漠部分地区为反演区域,根据二元函数泰勒定理,推导了该地区的微波地表发射率与地表温度、地表湿度的线性、非线性函数关系.其次,利用最优控制原理,结合FY-3C微波成像仪的观测亮温资料与辐射传输模式(CRTM)模拟亮温数据,构建了沙漠地区微波地表发射率的线性与非线性反演模型.通过对比发现,利用线性和非线性反演模型得到的地表发射率不仅提高了反演区域亮温的模拟精度,而且模拟亮温的变化趋势也与观测更吻合.最后,对地表发射率的线性和非线性反演模型进行了不同时间与空间上的独立性检验,结果表明:除了反演区域外,在整个塔克拉玛干沙漠地区,两种模型反演的地表发射率仍比原地表发射率模拟亮温更接近观测.总的来说,线性和非线性反演模型对沙漠地区的微波地表发射率反演均具有一定的有效性和普适性,且非线性反演模型优于线性反演模型.     

月球吕姆克地区微波辐射特性及月壤参数反演研究

嫦娥五号月球探测器预计将在月球风暴洋北部的吕姆克地区着陆并实施钻探采样.为辅助确定采样点,本文基于嫦娥微波探测仪数据首先对该区域的昼夜微波辐射特性进行了分析,然后对月壤介电常数和厚度进行了反演.由微波亮温图可知:昼夜亮温随频率的变化规律不同,白天37GHz亮温最高,黑夜19.35GHz亮温最高;三个高频通道的昼夜亮温分布不同,尤其在南部;吕姆克E区域白天亮温较高,黑夜亮温较低,昼夜温差较大.月壤参数的反演结果表明介电常数西、北部低,中、东部高,吕姆克E附近区域值最大;西北部月壤厚度大于6m,其他绝大部分区域不超4m,吕姆克E区域月壤最薄,约2.5m.考虑卫星的平稳着陆及钻孔采样,建议着陆区选在月壤较厚的西北部,并避开吕姆克E区域.     

基于简化参数方法的蒙古干旱区土壤湿度被动微波遥感

卫星被动微波遥感土壤湿度,是准确分析大空间尺度上陆表水分变化信息的有效手段.美国航天局(NASA)发布的基于AMSR-E观测亮温资料的全球土壤湿度反演产品,在蒙古干旱区的实际精度并不令人满意.本文基于对地表微波辐射传输中地表粗糙度和植被层影响的简化处理方法,采用AMSR-E的6.9 GHz,10.7 GHz和18.7 GHz之V极化亮温资料,应用多频率反演算法,并以国际能量和水循环协同观测计划(The Coordinated Energy and Water Cycle Observations Project)即CEOP实验在蒙古国东部荒漠地区的地面实验资料作为先验知识,获取被动微波遥感模型的优化参数,以期获得蒙古干旱区精度更高的土壤湿度遥感估算结果.分析表明,本文方法反演的白天和夜间土壤湿度结果与地面验证值之间的均方根误差(RMSE)接近0.030 cm³/cm³, 证明所用方法在不需要其他辅助资料或参数帮助下,可较精确地反演干旱区表层土壤湿度信息,能够全天候、动态监测大空间尺度的土壤湿度变化,可为干旱区气候变化研究及陆面过程模拟和数据同化研究提供高精度的表层土壤湿度初始场资料.     

Simulation of FY-2D infrared brightness temperature and sensitivity analysis to the errors of WRF simulated cloud variables

This study simulated FY-2 D satellite infrared brightness images based on the WRF and RTTOV models. The effects of prediction errors in WRF micro-and macroscale cloud variables on FY-2 D infrared brightness temperature accuracy were analyzed. The principle findings were as follows. In the T+0–48 h simulation time, the root mean square errors of the simulated brightness temperatures were within the range 10–27 K, i.e., better than the range of 20–40 K achieved previously. In the T+0–24 h simulation time, the correlation coefficients between the simulated and measured brightness temperatures for all four channels were 0.5. The simulation performance of water channel IR3 was stable and the best. The four types of cloud microphysical scheme considered all showed that the simulated values of brightness temperature in clouds were too high and that the distributions of cloud systems were incomplete, especially in typhoon areas. The performance of the THOM scheme was considered best, followed in descending order by the WSM6, WDM6, and LIN schemes. Compared with observed values, the maximum deviation appeared in the range 253–273 K for all schemes. On the microscale, the snow water mixing ratio of the THOM scheme was much bigger than that of the other schemes. Improving the production efficiency or increasing the availability of solid water in the cloud microphysical scheme would provide slight benefit for brightness temperature simulations. On the macroscale, the cloud amount obtained by the scheme used in this study was small. Improving the diagnostic scheme for cloud amount, especially high-level cloud, could improve the accuracy of brightness temperature simulations. These results could provide an intuitive reference for forecasters and constitute technical support for the creation of simulated brightness temperature images for the FY-4 satellite.     

基于流体动力学的探空仪GTS1湿度测量误差修正研究

准确的湿度垂直廓线对短期数值天气预报和中长期气候研究分析均具有重要参考价值,但太阳辐射与高空云雨等因素导致探空湿度测量精度较低.针对探空仪GTS1白天进行湿度测量时存在明显偏干误差的现象,本文建立了GTS1湿度测量结构模型,采用计算流体动力学方法重点研究了太阳辐射对GTS1湿度测量的影响,同时探讨了其防雨/防辐射罩的防雨效果.结合改进的太阳辐射计算模型,利用Fluent模拟分析了防雨/防辐射罩云雨滴轨迹和内部温度场分布,数值仿真结果表明:在垂直气流下防雨/防辐射罩基本保护湿度传感器免受高空云雨的影响,对太阳辐射也起到一定防护作用.但太阳辐射对GTS1湿度测量的偏干影响仍较显著,海拔30km左右相对误差甚至高达70%.通过与RS92及GTS1探空湿度测量中的太阳辐射偏干误差相对比,发现基于流体动力学数值计算的湿度相对误差随海拔高度的变化趋势与之基本吻合.本文也给出了理论计算与实验测量存在一定差异的原因,进而以南京探空站2014年不同季节的温度、气压、气球的上升速度等探空数据为计算参数,获取了太阳辐射误差与海拔及环境温度的关系,并对四组探空湿度廓线进行太阳辐射误差修正,提升了GTS1探空仪高空湿度测量的精度.本文研究结果为探空湿度测量太阳辐射偏干误差的有效修正提供了一定的参考.     

地震计恒温低湿智能监控仪研制

摆房温度、湿度变化过大,地震计会出现靠摆、卡摆、标定不合格等故障现象,直接影响观测质量。为确保地震计工作环境恒温、低湿,观测数据连续、可靠,研制地震计低温低湿智能监控仪。     

地震计恒温低湿智能监控仪研制

摆房温度、湿度变化过大,地震计会出现靠摆、卡摆、标定不合格等故障现象,直接影响观测质量。为确保地震计工作环境恒温、低湿,观测数据连续、可靠,研制地震计低温低湿智能监控仪。     

Radiance data assimilation for operational snow and streamflow forecasting

Estimation of seasonal snowpack, in mountainous regions, is crucial for accurate streamflow prediction. This paper examines the ability of data assimilation (DA) of remotely sensed microwave radiance data to improve snow water equivalent prediction, and ultimately operational streamflow forecasts. Operational streamflow forecasts in the National Weather Service River Forecast Center (NWSRFC) are produced with a coupled SNOW17 (snow model) and SACramento Soil Moisture Accounting (SAC-SMA) model. A comparison of two assimilation techniques, the ensemble Kalman filter (EnKF) and the particle filter (PF), is made using a coupled SNOW17 and the microwave emission model for layered snow pack (MEMLS) model to assimilate microwave radiance data. Microwave radiance data, in the form of brightness temperature (TB), is gathered from the advanced microwave scanning radiometer-earth observing system (AMSR-E) at the 36.5 GHz channel. SWE prediction is validated in a synthetic experiment. The distribution of snowmelt from an experiment with real data is then used to run the SAC-SMA model. Several scenarios on state or joint state-parameter updating with TB data assimilation to SNOW-17 and SAC-SMA models were analyzed, and the results show potential benefit for operational streamflow forecasting.     

区域闪电活动对地面相对湿度的响应

全球闪电活动表现出明显的地域差异，温度和湿度是造成这种差异的基本气象因素.本文利用美国全球水资源和气候中心提供的1995～2002年全球闪电资料和NCEP气象再分析资料，研究了区域闪电密度对地面相对湿度(RH)的响应.发现在平均相对湿度RH<72%的经度带里闪电密度与RH呈正相关.而在RH>73%的经度带里，闪电密度与RH呈负相关；在RH>74%的赤道地区闪电活动与RH呈负相关, 而在RH<72%的中高纬地区闪电密度与RH呈正相关.得到结论：当地面相对湿度过大时，相对湿度的增加不利于闪电活动的发生；而当相对湿度较小时，相对湿度的增加有利于闪电活动的发生.地面相对湿度的临界值域约为72%～74%.此结论在不同经、纬度的几个典型区域均得到了验证，并探讨了过大的相对湿度抑制闪电活动发生的可能原因.     

A new approach of dynamic monitoring of 5‐day snow cover extent and snow depth based on MODIS and AMSR‐E data from Northern Xinjiang region

Taking the Northern Xinjiang region as an example, we develop a snow depth model by using the Advanced Microwave Scanning Radiometer‐Earth Observing System (AMSR‐E) horizontal and vertical polarization brightness temperature difference data of 18 and 36 GHz bands and in situ snow depth measurements from 20 climatic stations during the snow seasons November–March) of 2002–2005. This article proposes a method to produce new 5‐day snow cover and snow depth images, using Terra and Aqua Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) daily snow cover products and AMSR‐E snow water equivalent and daily brightness temperature products. The results indicate that (1) the brightness temperature difference (Tb_18h–Tb_36h) provides the most accurate and precise prediction of snow depth; (2) the snow, land and overall classification accuracies of the new images are separately 89.2%, 77.7% and 87.2% and are much better than those of AMSR‐E or MODIS products (in all weather conditions) alone; (3) the snow classification accuracy increases as snow depth increases; and (4) snow accuracies for different land cover types vary as 88%, 92.3%, 79.7% and 80.1% for cropland, grassland, shrub, and urban and built‐up, respectively. We conclude that the new 5‐day snow cover–snow depth images can provide both accurate cloud‐free snow cover extent and the snow depth dynamics, which would lay a scientific basis for water management and prevention of snow‐related disasters in this dry and cold pastoral area. After validations of the algorithms over other regions with different snow and climate conditions, this method would also be used for monitoring snow cover and snow depth elsewhere in the world. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

SEDIMENTATION PROBLEMS IN THE ACCESS CHANNELS OF THE GEZHOUBA NAVIGATION LOCKS

Sedimentation problems in the access channels of the Gezhouba Navigation Locks at the Third Channel, which is of great importance for the navigation are discussed in this paper:1) the cause of deposition in the access channel, 2) effects of the deposit--reducing embankment and sediment sluices and 3) the relation between the sediment deposition at the Third Channel and the sediment discharge of the Yangtze River. Analyzing a four years' field data of sounding records with respect to the lock operation, it can be seen that the flood release through the navigation channel resulted in severe deposition, especially the sediment deposits induced by eddy current are difficult to be cleared off by flushing and jeopardize the working conditions of the lock operation. It is obvious that the flood release through the navigation channel should be minimized. In order to reduce the sediment deposits caused by eddy current attempts should be made to adjust the alignment of the boundaries and layout of the entrance of access channels.