应用先进微波探测器AMSU资料遥感反演春季陆地表层湿度

利用先进微波探测器(AMSU)正演快速微波辐射传输模型,完成了AMSU 窗区通道亮温与地表温湿特征的相关性分析,根据模拟计算结果改进了现有业务上反演地表微波辐射率的统计分析方法,得到适用于我国非冻土积雪覆盖地区地表微波辐射率反演的指数分析模型;进一步通过地表微波辐射传输模型迭代反演得到土壤体积含水量信息.2001年相互匹配的AMSU资料和地面农业气象观测站地表相对湿度观测结果的对比分析表明二者间具有一定的相关性.利用2002年3月和2003年3月的AMSU资料,反演了我国陆地区域地表湿度;连续两年春季地表湿度反演结果的对比分析表明,与2002年春季相比,2003年我国北方沙尘暴发生源区地表湿度反演值普遍偏高,潮湿的下垫面特征与沙尘暴发生频次的减少之间有一定的对应关系.试验结果表明,利用AMSU遥感资料可以获取大范围陆地表层湿度信息,进行区域尺度陆地表层湿度特征的动态分析,为我国沙尘暴监测分析提供陆地表层湿度基础信息.     

洋面水汽的微波SSM/I资料反演试验

结合1987年7月华北一次降水过程，利用SSM/I微波资料反演了渤海湾洋面大气柱水汽含量。反演结果与探空资料以及天气实况的对比分析表明，洋面大气柱水汽总含量的SSM/I微波反演结果与探空观测符合得较好，而且能够较好地反映非阵性降水的空间分布和时间变化。     

沙漠地区微波地表发射率和土壤质地关系分析

利用微波地表发射率模型,模拟计算了沙漠地区石英、砂岩、花岗岩和石灰石不同粒子尺度、砂土含量和土壤含水量时的地表发射率频谱,并用先进微波扫描辐射计-地球观测系统AMSR-E资料对塔克拉玛干沙漠地区进行了地表发射率卫星反演和模型模拟计算的对比研究,分析了该地区不同地表类型和矿物成分的微波地表发射率特征.结果表明,微波地表发射率和地表类型密切相关,并且随着土壤含水量、土壤质地、矿物成分和土壤粒子尺度的不同存在显著变化,成为现有微波地表发射率模型用于沙漠地区模拟计算结果的误差主要来源.根据沙漠地区准确的土壤类型、土壤组分比例、粒径尺度和矿物颗粒等信息对近地表土壤进行了辐射传输过程的分层分析,为改进现有微波地表发射率计算模型提供理论依据.     

反演寿县TMI微波频率的地表比辐射率(英)

利用一个微波辐射传输模式,晴天下的大气探测廓线,地面的部分观测资料以及卫星观测的亮温,计算了淮河流域能量和水循环实验(HUBEX)中,寿县地区的热带降雨观测卫星微波成像仪(TRMM/TMI)微波频率的地表比辐射率。通过比较所计算的微波地表比辐射率随地表状况的改变,发现地表微波比辐射率随地表状况的变化存在敏感性,并且其变化是合理的。本文中,地表肤温设定等于地表空气温度,并且仅计算了寿县的地表比辐射率,在HUBEX区域上的地表比辐射率的计算需要更多的观测资料。     

基于一维变分算法的地基微波辐射计遥感大气温湿廓线研究

为研究地基微波辐射计遥感温、湿度廓线的一维变分算法的反演能力,用北京地区2010—2011年00和12时(世界时)的多通道地基微波辐射计亮温资料进行试验。首先,利用同时次的地面观测资料、红外亮温(由地基微波辐射计自带红外传感器测得)及探空观测数据,给出提取无云样本的方案,得到432个无云样本;再以辐射传输模式计算得到的模拟亮温为参考,对无云条件下的观测亮温进行质量控制;然后利用探空数据进行模拟试验,结果发现,一维变分算法对3 km以下的温度廓线有较大调整。使反演结果更加接近探空,而对湿度廓线在0—10 km都有不同程度的优化;最后利用一维变分算法对地基微波辐射计观测亮温进行大气温湿廓线反演,将结果与探空对比可以看出,温度廓线的均方根误差小于2.9 K,绝对湿度的均方根误差小于0.47 g/m~3;进一步与地基微波辐射计自带神经网络的反演结果比较表明,一维变分的反演结果更接近实际大气。     

云对地基微波辐射计反演湿度廓线的影响

利用中国气象局大气探测试验基地的L波段探空数据和微波辐射计观测数据,采用MonoRTM辐射传输模型作为正演亮温模型,BP (back propagation) 神经网络作为反演工具,在由亮温反演大气湿度廓线的过程中,添加与样本匹配的云底高度和云厚度信息,建立新的反演模型,使新反演模型得到的反演湿度廓线和未添加云信息的反演湿度廓线分别与探空数据进行对比,获取两种反演方法各高度层的均方根误差,分析云信息对反演大气湿度廓线的影响。对比结果表明:未添加云信息时,测试样本的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.685,而添加云信息后,相关系数平均值为0.805。相比未添加云信息的反演廓线,添加云信息之后多数高度层的均方根误差均有不同程度减小,而在有云以上高度层表现尤为明显。     

我国Ka频段降水测量雷达机载校飞试验结果

2010年6—10月在天津与江苏地区开展了国内首次Ku/Ka频段星载降水测量雷达机载校飞试验。此次校飞试验获得了宝贵的机载雷达观测数据和地面、海面同步观测数据,目前已开展了外定标、数据对比与衰减订正等工作。该文给出了天津校飞试验中Ka频段降水测量雷达实测结果,对Ka频段降水测量雷达资料与天津地区S波段地基多普勒雷达资料进行了详细的对比分析,有利于更好地了解Ka频段降水测量雷达仪器本身的性能及其探测降水的能力;利用由GPS探空资料、地基多通道微波辐射计观测亮温结合微波辐射传输模式得到的雷达路径积分衰减量,对Ka频段降水测量雷达进行了衰减订正,为继续开展降水反演工作奠定了基础。     

RPG-HATPRO微波辐射计反演的温度和湿度数据适用性分析

以太原地区常规探空观测资料为参考,选取2015年2月13日至2016年6月21日地面、925 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa、400 hPa、300 hPa的00时次和12时次温度与露点温度的配对数据,采用统计学方法对比分析同址德国RPG-HATPRO型微波辐射计反演的温度和湿度数据。结果表明:不同等压层微波辐射计反演的温度与探空观测的温度数据存在一定的偏差,微波辐射计反演的温度数据相对探空观测的温度数据系统性偏小。微波辐射计反演的和探空观测的温度数据同步性较强,二者相关系数为0.89以上,二者露点温度数据的相关系数为0.60以上。综合分析可知,降水对微波辐射计反演的温度和湿度数据影响均较大。为了验证不同等压层微波辐射计反演温度数据的偏差准确性,在对比分析的基础上建立微波辐射反演温度的订正模型,采用滑动均值订正法和配对样本T检验验证法对微波辐射计反演的温度进行订正,订正偏差为0.5℃以内。     

长沙冬季降水过程的微波辐射计反演参量特征分析

利用微波辐射计、探空气球、天气雷达和地面雨量等资料,对2020年1-3月长沙国家站5次降水过程的微波辐射计和探空温度廓线、水汽密度进行检验的基础上,分析了 5次降水过程中微波辐射计反演的水汽含量、液态水含量与雷达资料、降水量的变化特征.结果表明,微波辐射计反演的大气温度、水汽密度廓线精度较高,其反演的大气水汽资料可以作...     

利用多角度POLDER偏振资料实现陆地上空大气气溶胶光学厚度和地表反照率的同时反演 II. 实例分析

由于陆地地表反照率的复杂性,陆地上空气溶胶的反演一直是卫星对地观测的一个难点,针对这个难点,作者提出联合利用偏振反射率和总反射率提取陆地上空大气气溶胶光学厚度和地表反照率及其区域分布的反演方案,提出了利用NCEP资料订正由海拔高度引起的Rayleigh散射变化的具体方法,并利用POLDER（POLarization and Directionality of Earth's Reflectance）的LEVEL-1B资料进行实际反演计算,给出中国华北地区气溶胶光学厚度和地表反照率的区域分布。反演结果与地基观测进行了对比验证分析,结果表明,综合利用标量辐射和偏振信息的可以实现区域乃至全球尺度的大气气溶胶和地表反照率的定量反演。     

卫星被动微波遥感土壤湿度研究进展

土壤湿度是控制陆地和大气间水分和能量交换过程的重要变量,而被动微波遥感是众多监测土壤湿度技术中最有效的手段之一。文中概述了被动微波反演土壤湿度的物理原理,重点介绍了被动微波反演土壤湿度的主要模型。在对不同模型进行比较分析后,基于不同传感器类型分别列举了当今发展较完善的3个典型算法：①Njoku和Li基于AMSR的多通道同时反演土壤湿度、土壤温度、植被含水量的方法;②Owe等基于SMMR利用极化差异指数同时反演土壤湿度和植被光学厚度2个参数的方法;③Wen等基于SSM／I同时反演土壤湿度和土壤温度的方法。对被动微波遥感土壤湿度研究中目前所存在的问题和发展前景进行了一些探讨。     

利用TRMM/TMI资料反演青藏高原中部土壤湿度

用辐射传输理论提出的地表微波辐射极化指数PI的定义,分别指出了PI对土壤湿度、地面粗糙度、植被层和大气层的影响。用热带降水测量(TRMM—Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星上携带的微波辐射仪(TMI—TRMM Microwave Imager)的1B11的6年亮温数据,统计得到青藏高原中部地区PI值月平均分布。并用归一化距平,反演得到了该区域年、季以及干湿季土壤湿度变化的空间图像。结果表明,PI距平分布图可以很好地表征土壤湿度的变化,从而为大尺度评估高原土壤湿度变化提供了理论依据。另外,在同一时间段内,在已知区域平均PI值与平均土壤湿度的条件下,用归一化距平的方法可以定量反演该区域的土壤湿度。     

沙漠地区土壤质地对不同频点微波地表发射率反演和模拟的影响

首先运用先进微波扫描辐射仪(AMSR-E)资料反演了北非沙漠地区晴空条件下的地表微波发射率。然后根据不同的土壤类型,进一步分析了沙漠地表微波发射率频谱特性,并将增加土壤质地信息前、后的翁(Weng)氏微波地表发射率模型(2001)的模拟结果和反演结果进行了比较。结果表明,沙漠地表发射率与土壤质地密切相关,随土壤颗粒大小的不同变化明显。在沙漠土壤类型中,以大颗粒为主的土壤类型,其水平(垂直)极化的发射率通常随频率提高而增大(减小);而对于以较小粒子为主的沙漠土壤类型,地表发射率几乎为常数,或水平(垂直)极化的发射率随频率提高略有减小(增大)。并且,发射率的季节性特征明显,特别是以小颗粒组成的土壤,其水平极化的发射率比垂直极化的发射率表现出更强的季节性变化。以上这些发射率特征与翁氏模型模拟结果一致。此外,在翁氏模型的输入参数中增加土壤质地信息(土壤组分含量、粒径尺度)改善了翁氏模型在沙漠地区的模拟结果,特别是对于包含大量小粒子的沙漠土壤类型,如黏土和黏质壤土,模拟误差从6%9%降低至4%以下。由于翁氏模型是美国国家环境预报中心(NCEP)全球同化和预报系统的重要组成部分,对翁氏模型的改进将提高沙漠地区卫星资料的利用率并有望改进数值天气预报的准确度。     

利用NOAA/AMSU资料和GRAPES同化系统对陆面比辐射率计算的改进研究

地表比辐射率计算的不确定性,直接影响到卫星资料在数值预报中同化应用的效果。本文采用美国NOAA/NESDIS的Weng等[1,2]提出的复杂陆面比辐射率模式,同时用NOAA卫星AMSU-ACh1或Ch2反演的地表比辐射率来调整该模式所需的地表参数,从而在缺少详细地表参数的情况下,改进AMSU-A Ch3和Ch15的地表比辐射率计算精度。在积雪地表情况下,用NOAA卫星AMSU-A资料直接反演各通道的比辐射率,在GRAPES同化系统中的应用表明,结果有明显的改进。     

Remote sensing land surface wetness by use of TRMM/TMI microwave data

Summary The water cycle analysis is the most important part of the GEWEX project. In the water cycle analysis, the land surface wetness information plays an important role. TRMM/TMI is a new kind of microwave image unit, and has great potential application in land characteristics analysis, especially in remote sensing of land surface wetness information and the monitoring of flood and drought situations. In this study, the wetness index analysis method was used to analysis surface wetness during the summer of 1998 over Boyang and Tongting lake area in China, and we retrieved the land surface emissivity over the same area to estimate the land surface wetness. To accomplish this, we have first studied the TRMM/TMI forward characteristics. By using the VIDSORT model, we developed wetness indexes BWI by combining three window channels of TRMM/TMI. According to our analysis results, the wetness BWI10 are better than the other indexes. So we use the best wetness indexes (BWI10) sensitive to the land surface wetness changes to do our flood classification and monitoring. In our calibration/validation test, the data from the China L-SAR (located on an airplane) and the Canadian Radar-SAR aboard on the Radarsat were used. At the same time we also have tried to retrieve the surface microwave emissivity from the TMI data. We use the emissivity product to estimate the land surface wetness, and we also got a good result. Future work will focus on investigating possible improvements to the algorithm and extending the testing of the algorithm to other regions. Received October 10, 2001 Revised December 18, 2001     

河南省非降水云中液态水的卫星微波反演试验研究

云中液态水分布对全球气候和局地天气变化有重要影响, 是判别人工影响天气作业潜力区的重要依据。利用TRMM卫星微波成像仪 (TMI) 85.5 GHz通道垂直极化亮温资料与NCEP再分析资料, 结合VDISORT模式采用逐步逼近方法反演了河南地区地表比辐射率; 再利用TRMM/TMI 85.5 GHz通道垂直极化亮温资料、TRMM/VIRS红外辐射资料及NCEP再分析资料, 结合VDISORT模式采用迭代的方法反演了河南地区云中液态水的垂直积分总含量。与红外卫星云图、TRMM卫星2A12产品及NCEP资料对比分析表明:该研究提出的反演陆地上空非降水云中液态水方法是可行的, 且对云中液态水垂直积分总含量水平分布的反演结果较对比产品结果更好。     

Mapping surface soil moisture with microwave radiometers

Summary Water stored in the soil serves as a reservoir for the evapotranspiration (ET) process on land surfaces, therefore knowledge of the soil moisture content is important for partitioning the incoming solar radiation into latent and sensible heat components. There is no remote sensing technique which directly observes the amount of water in this reservoir, however microwave remote sensing at long wavelengths (>10 cm) can give estimates of the moisture stored in the surface 5-cm layer of the soil. This approach is based on the large dielectric contrast between water and dry soil, resulting in emissivity changes from 0.96 for a dry smooth soil to less than 0.6.In this paper, basic relationships between soil moisture and emissivity are described using both theory and observations from various platforms. The ability of the approach to be extended to large regions has been demonstrated in several aircraft mapping experiments, e.g., FIFE, Monsoon 90, Washita 92 and HAPEX Sahel. Some results from Monsoon 90 are presented here. Applications of these soil moisture maps in runoff prediction, rainfall estimation, determining the direct evaporation from the soil surface and serving as a boundary condition for soil profile models are presented.With 10 Figures     

基于遥感数据的宁夏地区土壤水分反演方法比较

利用MODIS产品数据MOD11A2和MOD13A2获取地表温度(TS)、昼夜温差(DST)、归一化植被指数(NDVI)、增强植被指数(EVI),构建宁夏区域2005年4、7、10月逢8、18、28日TS-NDVI、TS-EVI、DST-NDVI、DST-EVI特征空间,根据TS-NDVI、TS-EVI、DST-NDVI、DST-EVI特征空间建立了温度植被干旱指数(TVDI)、温度增强植被指数型干旱指数(TEDI)、温差植被干旱指数(DTVDI)、温差增强植被指数型干旱指数(DTEDI),并以这些干旱指数作为土壤水分监测指标,反演了宁夏区域2005年4、7、10月的土壤水分.利用实测10 cm土壤水分进行相关分析,结果表明DTEDI在宁夏土壤水分反演中表现较好,DTVDI表现略好.