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.     

CAMS云微物理方案的改进及与WRF模式耦合的个例研究

本文在中国气象科学研究院(CAMS)双参数云微物理方案的基础上,增加气溶胶粒子的活化过程,改进原方案中的水汽混合比、云水混合比及云滴数浓度的预报方程,实现对各种水成物(包括云水)的混合比和数浓度的预报.此外,改进后的CAMS云方案被成功耦合到了WRF v3.1中尺度模式.本文利用耦合模式对2009年4月23~24日发生在我国北方地区的一次降水天气过程进行了模拟,将新方案的模拟结果与WRF自带的3个微物理方案进行了比较.结果显示,新方案能够合理地描述地面降水特征,其模拟的雨带分布范围与实测接近,降水中心的强度和位置优于其他3个方案.新方案模拟的云滴数浓度与WDM6方案基本一致,表明加入的气溶胶活化过程是合理的.新方案模拟的其他水成物粒子数浓度与Morrison方案相比有时会有量级的差别,说明粒子数浓度的模拟目前还存在着很大的不确定性,这也是云微物理模式进一步发展的难点.     

复杂气象条件下火山灰云遥感监测新方法

火山灰云是严重影响航空飞行安全的因素之一.从长期来看,大规模的火山灰云还对全球气候和环境产生深远影响.在国际上普遍应用＂分裂窗亮温差算法＂监测火山灰云的基础上,针对＂分裂窗亮温差算法＂受气象云、冰雪等复杂气象条件影响而容易产生误差的问题,构建了基于我国自主新一代极轨气象卫星FY-3A/MERSI和VIRR数据融合技术的短波红外-热红外火山灰云算法（SWIR-TIR Volcanic Ash method,STVA）.比较了STVA算法、＂分裂窗亮温差算法＂在冰岛艾雅法拉冰河火山爆发中的应用效果.结果表明：与分裂窗亮温差算法相比,STVA算法能够较好地将火山灰云和其他地物区分出来,且不受气象云和海洋的影响.利用欧洲Metop-A卫星资料计算的火山灰云遥感监测产品以及美国Terra/MODIS短波红外和热红外光谱数据对STVA的应用能力进行了对比验证和误差分析,证明了基于FY-3A卫星数据的STVA算法具有良好的稳定性和准确性,表明该方法在全球火山灰云监测中具有应用潜力.     

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.     

地震红外背景场研究进展与示范区亮温背景场构建

本文综合阐述了国内外红外背景场的研究进展,进而基于2010—2013年FY-2E卫星热红外亮温数据构建了首都圈和甘青川交界地区的亮温背景场,并对其时空演化特征予以分析. 研究结果表明,红外亮温背景场时间上主要受季节变化影响,空间上主要受地形影响,为地震热异常的判定和识别提供了研究基础和依据.      

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.     

基于FY-3B/MWRI数据的青藏高原地区积雪深度反演

以青藏高原地区(25°N—40°N,70°E—105°E)为研究区域,基于积雪深度与微波辐射计18.7 GHz水平极化通道和36.5 GHz水平极化通道的亮温差(Tb_(18H)-Tb_(36H))具有良好的线性相关性,得出了适用于FY-3B/MWRI(Microwave Radiation Imager)亮温数据反演青藏高原地区雪深的新算法.利用FY-3B/MWRI一级亮温数据,通过新的半经验算法反演了青藏高原地区的积雪深度,进而运用AMSR2(the Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)的二级雪深产品验证了反演结果.结果表明:针对青藏高原地区,新算法相对于全球积雪深度算法具有更小的平均相对误差以及更小的均方根误差,在该研究区域具有更好的适用性.今后可以结合该地区的地表类型分类,对积雪深度反演算法进行更加细致化的拟合,以期提高反演精度,为青藏高原地球物理参数的遥感反演提供支持.     

基于Diviner红外亮温数据的月球赤道地区温度廓线模拟

以Diviner红外亮温数据为基础,结合半有限固体的热传导模型,模拟了月壤温度廓线并分析了影响月壤温度廓线的三种因素,为"嫦娥"卫星微波探测仪数据稳定性分析提供可靠依据.利用Diviner通道7红外亮温反演月表温度,代替月表辐射热平衡模型求解月表温度的过程,减少了由于辐射热平衡模型中月表太阳辐照度理想假设引起的误差.通过月壤逐层迭代10000次月球昼夜周期,月球赤道地区6.0 m深月壤底面温度趋于246 K,与以表面辐射热平衡为条件的底面温度模拟值250 K近似.基于Diviner实测数据的月表温度与辐射热平衡模型模拟月表温度对比结果为:赤道地区Diviner实测表面温度比模拟值差异主要分布在月球白天,在受月表地形起伏影响较大的月球昼夜交替的时间段更为显著,约50 K;在月球夜晚,两者差异约2 K.利用Diviner数据与热传导模型模拟得到的月壤温度廓线可当作月壤温度廓线的真实值,作为进一步分析"嫦娥一号/二号"微波探测仪数据的依据.     

一个求解云滴谱相对离散度的方法

在双参数云微物理方案中,云滴谱的相对离散度(ε)或者形状参数(μ,ε2=1/μ+1)通常假定为常数或利用统计关系求得.观测显示常数假定和统计关系并不适合所有的实际情况.为此,我们根据云微物理学和伽马函数的性质,得到求解云滴平均半径和云滴谱形状参数的方程.利用云滴平均半径、体积半径和它们的比求解云滴谱形状参数方程,可以得到云滴谱伽马分布的形状参数、相对离散度和云滴的谱分布.这个方法得到的是解析解.我们进一步利用观测的云滴谱资料检验了云滴谱形状参数的方程,结果表明该方法是可行的.同时,把这个方法应用到WRF模式的双参数云微物理方案中,进一步检验这个方法的可行性.模式结果显示新方法对降水的模拟有一定改善.说明该方法是可行的,可以应用到双参数云微物理方案中.     

2010年西藏聂荣MS5.7和MS5.5地震前后热红外异常分析

选取2010年3月24日西藏聂荣M_S5.7和M_S5.5地震前后的中国FY-2E静止气象卫星热红外遥感亮温和长波辐射数据, 对红外辐射数据采用阈值法进行去云预处理, 基于Morlet小波方法计算地震前后的红外辐射功率谱变化, 探讨地震前后红外辐射异常演变规律及特征。 研究结果显示, 西藏聂荣地震前出现了亮温和长波辐射异常增强现象, 并且其异常持续时间和主要异常区域基本一致, 但亮温的异常幅度大于长波辐射的异常幅度。 本研究对于该区域利用热红外遥感数据进行地震研究具有重要的参考价值和意义。     

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.     

云南彝良5.7级地震前卫星热红外异常

针对2012年9月7日云南彝良5.7级地震前在震中区附近出现的大面积热红外异常,利用中国静止气象卫星FY-2C/E红外遥感亮温资料,采用功率谱相对变化法进行研究.结果表明:该次地震发生前一个月震源区附近存在明显的热异常区域,并且随着时间推移不断扩大、迁移;在2012年9月1日左右异常面积达到最大,随后逐渐收缩,相对变化幅度达10倍以上.同时发现该次亮温异常沿断层呈带状分布,应与活动构造分布有关.     

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.     

基于微波亮温及集合Kalman滤波的土壤湿度同化方案

基于集合Kalman滤波及SCE-UA(shuffled complex evolution)算法发展了能够直接同化微波亮温的土壤湿度同化方案. 该方案以陆面过程模式CLM 3.0中的土壤水模型作为预报算子, 以辐射传输模型作为观测算子. 整个同化过程分为参数优化和土壤湿度同化两个阶段, 利用SCE-UA算法优化辐射传输模型中难以确定的植被光学厚度参数和地表粗糙度参数, 并利用优化参数作为观测算子的模型参数进行同化. 通过人工理想试验表明该同化方案可以明显改善表层土壤湿度的模拟精度, 并且对深层土壤湿度的模拟也有一定程度的改善; 利用AMSR-E亮温(10.65 GHz垂直极化)所进行的实际同化试验表明顶层(0~10 cm)土壤湿度同化结果与观测的均方根误差(RMSE)由模拟的0.05052减小到0.03355, 相对减小了33.6%, 而较深层(10~50 cm)平均减小了20.9%. 这些同化试验显示该同化方案的合理性.     

利用FY-2C资料研究于田7．4级地震前的红外增温异常

利用兰州卫星热红外接收站的风云二号静止卫星资料,经过去云等数据处理,选取热红外数据最佳的北京时间夜间11时至第2天凌晨4时之间的数据作为数据源,对2008年3月21日新疆于田7.4级地震进行了热红外资料的时空分析.研究结果表明,震前1个月内出现明显的亮温异常,最大幅度达18.51°,异常沿断层走向呈带状分布,沿康西瓦断层亮温异常长度可达200多公里,沿阿尔金断层亮温异常可达1 000多公里.     

活动断裂带的地形地貌差异与红外亮温年变特征的研究

利用NOAA卫星夜间第五通道红外影像和数字高程资料,以青藏高原北部的东昆仑断裂、阿尔金断裂和祁连山-海原断裂为例,定量分析了在地震活动相对平静的年份内活动断裂的地形地貌差异与红外辐射的动态变化.研究结果表明,断裂两盘的垂直升降差异是导致活动断裂红外亮温差异的主要原因,地形与红外亮温保持了良好的负相关性,并且这种负相关性与气温垂直递减率基本统一,这说明提取震前红外辐射异常时首先应考虑剔除区域气候的影响.此外断裂两侧的岩性差异、水系分布以及人文环境等地形地貌因素对断裂带的红外亮温也产生一定作用.对活动断裂进行红外辐射亮温年变形态的研究,能为有效提取震前红外辐射异常积累一些有意义的经验和认识.     

2011年盈江5.8级地震热辐射亮温异常分析

使用从2010年1月12日至2012年1月11日,在(20°～30°N,93°～ 103°E)范围内由中国静止气象卫星FY-2E观测的热红外遥感亮温资料,对2011年3月10日盈江5.8级地震周边地区的热红外亮温异常特征进行了研究.结果表明:从2011年3月初开始在盈江5.8级地震震中周围开始出现相对能谱异常,之后异常区域逐渐扩大并向震中区域集中,并于3月中下旬在震中偏西地区形成片状异常区域,相对能谱最大异常幅度达13倍,随后异常区域和幅度逐渐减小,地震发生后数天异常消失.     

甘肃岷县6.6地震前柴达木地块中东段卫星红外异常分析

以MODIS/Terra21通道卫星红外亮温为数据源,使用小波方法对2013年7月22日甘肃岷县—漳县M6.6地震前柴达木地块中东段的红外亮温低频趋势信息进行了分析。结果显示:在地震前4个月里柴达木地块中东段的红外亮温出现了2次明显的升温变化过程,每次升温持续时间1个月左右;柴达木地块中东段5.级以上地震与红外升温异常的对应关系表明5.6级以下的地震可能不足以在地表产生大幅度的红外升温异常;超过2倍标准差线的大幅度升温异常对6级左右的地震具有短期指示意义。     

数值差分格式及格点设置对土壤温度模拟结果的影响

土壤温度是反映气候系统和生态系统能量循环的重要地球物理学参量,土壤温度的模拟精度直接影响着气候系统模式以及陆面物理过程模式的模拟结果.为了提高模式对土壤温度的模拟能力,本文利用土壤热扩散方程的傅里叶解析解定量研究了差分方案、格点设置以及时间步长对土壤温度模拟结果的影响;提出了一种优化的格点设置方案,并利用巴丹吉林沙漠观测数据检验了该方案的性能.研究结果表明:三种差分方案中,显式方案的模拟误差最小,Crank-Nicolson方案其次,隐式方案的模拟误差最大;每一种格点设置方案均存在一个使模拟结果误差最小的最优化时间步长;常用格点设置方案的最优化时间步长为5358 s,最小标准差为0.156 K,优化方案的最优化时间步长为1694 s,最小标准差为0.0465 K;取时间步长为1800 s时,采用常用格点设置方案,巴丹吉林沙漠10 cm深度土壤温度模拟结果的标准差为1.61 K,而采用优化方案,模拟结果的标准差降至0.21 K,改进效果明显.     

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°.