星载微波辐射计反演洋面非降水云区水汽总量的研究

针对AMSR-E的特点,采用物理统计方法,对洋面非降水云区水汽总量(V)的反演进行了模拟研究,并用实测亮温数据对反演算式进行了初步验证。主要结果有:①为了有效解决亮温随V值增加而趋于饱和的问题,采用多元线性回归方法,研究比较了算式中不同亮温函数形式的效果,结果表明,在反演算式中采用ln(T0-TB)形式有更好的回归和反演效果,但这种形式不太适合于V值偏大的情况;②采用逐步回归方法,对各通道不同亮温函数形式的回归因子进行了比较分析,引进了对因变量作用最显著的6个因子,生成了新的反演算式,并且对应于不同V值均有较好的回归和反演效果;③可以根据V值大小的变化分段采用以上两种方法生成的反演算式,实际反演的结果与业务产品基本符合。     

七通道微波辐射计遥感大气温度廓线的性能分析

文中首先分析了大气参数分布的垂直分辨率对模拟七通道微波温度探测器各通道亮温的影响，通过对比计算表明，大气参数的垂直分辨率对微波测温通道亮温计算的影响为0．2K～0．7K；随后分析了各通道亮温测量误差对温度廓线反演性能的影响，当测量误差在0．2K～2．0K范围内变化时，反演结果的总体均方根误差为2．1K～3．1K；同时还分析了单通道缺损、单通道发生漂移及所有通道发生漂移等情况对温度廓线反演性能的影响。当仪器缺损一个通道时，对所缺通道权重函数峰值附近高度上的大气温度反演有不同程度的影响，对其他高度上的大气温度反演的影响可忽略；单通道漂移0．5K时，对反演结果的影响较小；各通道整体漂移达到1．0K时，对温度廓线反演有明显影响；最后，考虑了云雾对微波测温通道亮温的影响，数值计算表明，雾层、浓霾和卷云对各通道亮温几乎没有影响，层云和积云对50．50GHz通道亮温有明显的影响。     

机载微波大气温度探测仪多高度飞行观测试验结果分析

机载微波大气温度探测仪可以机动灵活地获取大气温度廓线信息。针对一次机载微波大气温度探测仪的多高度飞行观测试验,基于逐线积分模式和大气参数廓线库,建立用于不同飞行高度的快速辐射传输模式,分析了仪器观测亮温的质量并对仪器观测进行了订正;建立了基于神经网络的微波大气温度廓线反演算式,分析了不同高度、不同通道选择对于大气温度廓线反演性能的影响。研究结果表明:（1）较低飞行高度计算得到的各地表敏感通道地表比辐射率之间具有较好的一致性;（2）采用订正算式订正后,不同飞行高度的模拟亮温与观测亮温具有较好的一致性;（3）机载微波大气温度反演最优通道组合依赖于平台飞行高度;（4）采用最优的通道组合,4 200 m、3 200 m和2 500 m高度层温度反演均方根误差范围分别为0.5~1.8 K、0.5~1.3 K和0.4~1.0 K。      

GMS-5 估计可降水量的研究

文章证明了由静止气象卫星GMS-5的分裂窗通道和水汽通道亮温反演可降水量的可行性,探讨了GMS-5红外通道亮温与可降水量的关系,建立了由3个通道亮温反演可降水量的经验公式。用60组大气平均廓线,对公式模拟检验误差为0.18 g/cm2,而用实际124组探空和对应的GMS-5亮温资料进行检验,误差0.40 g/cm2。用得到的经验公式可反演大范围的晴空可降水量分布。     

基于气象资料变化特征和辐射传输模式的微波辐射计工作状态分析

提出利用晴天每天早晨08时的观测资料,以大气温度季节变化统计特征为依据,来判断微波辐射计观测期间的工作状态。简要介绍了大气微波辐射传输方程,以南京冬春季节大气温度变化的统计特征为依据,以2010年11月27日—2011年5月29日期间南京某辐射计08时晴天的实验观测资料为例,通过对其12个通道的亮温观测值和计算值进行统计对比和物理分析,给出该辐射计实验观测期间的工作状态判断,认为用于湿度遥感的22.235、23.035、23.835、26.235和30.000GHz五个通道观测期间工作状态良好、稳定,而用于温度遥感的51.25、52.28、53.85、54.94、56.66、57.29和58.80 GHz七个通道性能一直衰退。本文提出的方法可供微波辐射计工作状态监测和观测资料质量控制参考。     

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。     

从FY-4静止气象卫星估算晴空地表下行长波辐射通量的反演模式

通过红外辐射传输模拟,计算了446183条全球晴空大气廓线的地表下行长波辐射通量以及FY-4成像仪通道亮温,应用统计回归分析模拟结果,建立了通道亮温与低层大气有效辐射温度的回归关系、大气柱总可降水量与低层大气比辐射率的回归关系,依据黑体辐射定律建立了由卫星观测估算地表下行长波辐射通量的反演模式。初步地,模式应用于FY-4成像仪代理资料Meteosat-8卫星的SEVIRI（Spring Enhanced Visible and Infared Imager）仪器观测数据,估算了2006年8月1日00:00（协调世界时,下同）、06:00、12:00、18:00地理范围在（45°S～45°N,45°W～45°E）的地表下行长波辐射通量,结果与用ECMWF 6 h预报场资料经验计算的通量相比,系统均方根误差（RMS）依次为12.1、13.0、20.7、12.5 W/m2,相关系数分别为0.9256、0.9291、0.9042、0.9325,相比于GOES-R同类产品（RMS=13.7 W/m2）,这一直接把卫星通道亮温与低层大气温度相联系的反演模式,其精度性能达到了应用研究对其反演产品的质量要求。     

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。     

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。     

利用地基微波辐射计资料反演0-10km大气温湿廓线试验研究

实测与模拟的微波辐射计亮温存在偏差,导致基于BP神经网络模型的大气温湿廓线反演精度的降低。研究了一种基于资料订正后的BP神经网络反演大气温湿廓线的方法。首先,基于2014年6月南京江宁探空资料,利用MonoRTM模式,模拟中心频率在22.2GHz~58.8GHz范围内22通道亮温;对比模拟和实测南京站微波辐射计资料,建立实测微波辐射计资料订正模型。然后,以南京地区2011-2013年探空资料为输入,模拟22通道亮温数据,并基于模拟的22通道亮温数据和当地探空资料,利用BP神经网络算法,建立大气温度、水汽密度、相对湿度廓线反演模型。最后,利用构建的订正模型,对2014年7月试验获取的微波辐射计资料进行订正,并将订正后的微波辐射计资料输入BP神经网络反演模型,反演0-10km高度58层的大气温度、水汽密度和相对湿度,对比实际探空资料以及微波辐射计二级产品,评估分析反演效果。实验结果表明：所建的反演模型提高了大气温湿廓线反演精度,大气温度、水汽密度和相对湿度均方根误差范围分别为1.0~2.0K、0.20 ~1.93g/m3和2.5%~18.6%。     

寿县地区云中液态水含量的微波遥感

该文利用地基双频（22.235GHz（1.35cm）和35.3GHz（8mm））微波辐射计和热带降雨测量卫星微波成像仪（TRMM/TMI）两种被动微波遥感资料分别反演安徽寿县地区云中液态水含量，运用统计回归方法得到该地区云水含量的反演公式，揭示了该地区云中液态水含量存在一个阈值0.4mm，当云中液态水含量超过这一阈值时，该地区一般就会出现降水。在降水发生之前，水汽和云中液态水含量均会出现一个显著增加的过程，而在降水结束之后则会出现一个显著减少的过程。     

RETRIEVING OVER-OCEAN PRECIPITABLE WATER FROM THE SSM/I MEASUREMENTS WITH SEVERAL REGRESSION ALGORITHMS

A collocated SSM/I and radiosonde measurement data set provided by the NASDA(Japan)was used to retrieve the total precipitable water(PW)over oceans.The retrieval results obtainedwith several regression algorithms were compared against the radiosonde measurements.It isshown that:(a)the routinely operational algorithm of Alishouse et al.(1990)yields significantunderestimation in high PW regime and overestimation in low PW regime;(b)a cubic correctionby Colton and Poe(1994)is not sufficient and globally improves slightly the retrieval results;and(c)the regression algorithm with the form of brightness temperature(T_b)function In (280-T_b)gives a little largely scattered retrievals in whole PW range but without considerable over-andunderestimates in low and high PW regimes.To improve the estimation of the oceanic precipitablewater from the SSM/I measurements,a composite algorithm with different forms of T_b function inlow.medium and high PW regimes is proposed and tested.     

基于机载微波辐射计探测大气水汽通道饱和问题研究

183.31 GHz微波辐射计在探测低含量水汽时具有优势,但也存在通道饱和问题,定量研究该问题对明确该类型仪器探测水汽能力和适用范围具有重要意义。基于天津市人工影响天气办公室增雨飞机运-12搭载的183.31 GHz微波辐射计GVR（G-band water Vapor Radiometer）,采用探空资料对该辐射计4个通道进行饱和问题研究,定量计算其饱和阈值及探测灵敏度,分析各通道水汽探测能力及适用范围。结果表明:机载微波辐射计4个通道水汽探测灵敏度及饱和阈值与观测高度有关,当水汽含量较低时,通道1（（183±1）GHz）观测高度越高灵敏度越高,通道3（（183±7）GHz）和通道4（（183±14）GHz）观测高度越高灵敏度越低,通道2（（183±3）GHz）灵敏度几乎不受观测高度影响,通道1和通道4观测高度越高积分水汽探测饱和阈值越小,观测高度越低饱和阈值越大,通道2和通道3饱和阈值几乎不受观测高度影响。晴空条件下选择水汽探测能力最强的单通道对积分水汽含量进行反演,当积分水汽含量处于0—1.3、1.3—4.0和4.0—9.8 mm时,分别选择通道1、通道2、通道3作为反演通道,不同观测高度的积分水汽含量反演均适用。云的发射作用使辐射计各通道亮温升高,亮温升高幅度与云液态水含量、云与观测高度的距离及云厚有关,云液态水含量越大,各通道水汽探测灵敏度及饱和阈值越小;云天条件下选择水汽探测能力最强的双通道对积分水汽含量进行反演,以液态水路径区间来选择合适的水汽探测通道,液态水含量越高,积分水汽可探测范围越小。要探测到0.1 mm的积分水汽含量变化,机载微波辐射计（GVR）在晴空条件下的水汽探测适用范围为0—9.8 mm,其探测能力在云天条件下减弱,水汽探测适用范围因云液态水含量不同而不同。      

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.     

RETRIEVING OVER-OCEAN PRECIPITABLE WATER FROM THE SSM/I MEASUREMENTS WITH SEVERAL REGRESSION ALGORITHMS*

A collocated SSM/I and radiosonde measurement data set provided by the NASDA(Japan) was used to retrieve the total precipitable water(PW) over oceans.The retrieval results obtained with several regression algorithms were compared against the radiosonde measurements.It is shown that:(a) the routinely operational algorithm of Alishouse et al.(1990) yields significant underestimation in high PW regime and overestimation in low PW regime;(b) a cubic correction by Colton and Poe(1994) is not sufficient and globally improves slightly the retrieval results;and(c) the regression algorithm with the form of brightness temperature(T_b) function In(280-T_b) gives a little largely scattered retrievals in whole PW range but without considerable over-and underestimates in low and high PW regimes.To improve the estimation of the oceanic precipitable water from the SSM/I measurements,a composite algorithm with different forms of T_b function in low.medium and high PW regimes is proposed and tested.     

MODELING AND QUANTITATIVE RETRIEVAL OF FINITE FIELD FOR THE TROPICAL SEA SURFACE WIND SPEED OF THE FY-3B MICROWAVE IMAGER

The purpose of this study is to select a suitable sea wind retrieval method for FY-3B(MWRI). Based on the traditional empirical model of retrieving sea surface wind speed, and in the case of small sample size of FY-3B satellite load regression analysis, this paper analyzes the channel differences between the FY-3B satellite microwave radiation imager(MWRI) and TMI onboard the TRMM. The paper also analyzes the influence of these differences on the channel in terms of receiving temperature, including channel frequency, sensitivity and scaling precision. Then, the limited range of new model coefficient regression analysis is determined(in which the channel range settings include the information and features of channel differences), the regression methods of the finite field are proposed, and the empirical model of wind speed retrieval applicable to MWRI is obtained, which achieves robust results. Compared to the TAO buoy data, the mean deviation of the new model is 0.4 m/s, and the standard deviation is 1.2 m/s. In addition,the schematic diagram of the tropical sea surface wind speed retrieval is provided.     

FY-3A气象卫星红外分光计温度廓线模拟反演试验

为了考察风云三号(FY-3)气象卫星红外分光计的性能, 以该仪器初样阶段的光谱通道特征和仪器响应函数为基础, 进行大气温度垂直廓线模拟反演。选用红外分光计15 μmCO₂吸收带的不同通道组合进行模拟反演, 结果表明:总体上红外分光计具有较好的大气温度反演能力, 窗区通道8的加入可有效提高近地面层温度反演精度;利用迭代算法反演大气温度时, 初估廓线对反演精度影响较大, 初估廓线与真值愈接近, 反演精度愈高;现有仪器通道灵敏度设计指标可满足大气温度反演基本要求, 如仪器灵敏度降低, 反演精度也随之降低, 提高仪器灵敏度, 有利于提高仪器的使用效果。     

星载微波辐射计反演洋面非降水云区云水总量的研究

云水总量(也可称为液水路径)是一个重要的气象学和云雾物理参数。星载微波辐射计是目前监测全球范围内云水总量分布和变化的最强有力的技术手段。但由于云水总量的实测资料太少,给反演研究带来很大的困难。在本工作中,根据微波辐射传输模式,模拟计算“人工”资料样本,建立了AMSR-E 18.7 GHz~36.5 GHz六个极化通道云天-晴天亮温差与云水总量的线性回归关系,初步对云水总量的反演作了定性的研究。     

FY-3C微波湿温探测仪辐射测量特性

2013年9月发射的FY-3C是我国第2代极轨气象卫星的第3颗星,其上装载的微波湿温探测仪在118 GHz氧气吸收线和183 GHz水汽吸收线设计了两组大气探测通道,在大气窗区设置了89 GHz和150 GHz探测通道。为保证微波湿温探测仪在轨定量应用,卫星发射前完成了地面热真空试验。该文介绍了热真空定标试验原理,并对FY-3C微波湿温探测仪正样产品真空试验数据进行了定量分析。数据分析结果表明:FY-3C微波湿温探测仪正样产品15个探测通道的灵敏度均满足设计指标要求,各通道观测亮温间相对独立,定标准确度优于1.6 K,真空试验过程中微波湿温探测仪定标结果稳定。FY-3C微波湿温探测仪发射前热真空定标特性分析结果为仪器在轨定量应用奠定了基础。     

毫米/亚毫米波探测大气温度和湿度的通道选择

利用热带大气温湿廓线计算了热带地区毫米/亚毫米波段微波大气透过率权重函数。对权重函数峰值高度的分析结果显示:对流层低层的大气温度可以选择118 GHz通道的远翼频率来探测,而对高层大气温度进行探测时,选择425 GHz通道的远翼频率较为合适;在大气湿度探测方面,183 GHz通道组合适合探测对流层中层大气的湿度,高层大气湿度探测应该首先考虑380 GHz通道组合来实现。根据大气温度探测通道和大气湿度探测通道的权重函数分布,鉴于国内现有遥感仪器的制造水平,建议选择118 GHz 3个通道与425 GHz 8个通道共11个大气温度探测通道和183 GHz 3个通道与380 GHz 5个通道共8个大气湿度探测通道作为未来静止轨道微波探测的候选通道。