多通道地基微波辐射计大气遥感

本文主要介绍了自主研发的多通道地基微波辐射计观测亮温和数据反演方法,并与探空观测值进行对比,分析了辐射计观测亮温、反演的温度和水汽廓线的精度。结果表明,该仪器亮温观测误差小且利用神经网络反演的大气温度及水汽等廓线参数准确可靠,具有实际应用价值。     

微波辐射计的逆向辐射对定标及辐射测量的影响

微波辐射计是一种无源的微波遥感器,系统中存在逆向辐射,它通过无线向外辐射能量。逆向辐射温度的大小与接收机的噪声温度和前端器件有关,系统中的逆向辐射温度对微波辐射计的定标及陆基微波辐射计天底角附近的微波辐射测量都产生一定的影响。     

神舟四号飞船微波辐射计定标和检验（Ⅰ）——微波辐射计外定标

文中针对神舟四号飞船辐射计 (RAD)的在轨定标特点 ,提出一种替代外定标方案 ,即利用地球表面典型地物的微波辐射对RAD的不同通道重新进行定标。选取了全球大洋开阔海域的浮标、星载微波辐射计产品和小岛上气象探空数据 ,通过理论计算得出的亮温作为辐射计测量的低端。利用南美洲热带雨林亮温作为高端 ,重新给出了RAD定标方程。同时 ,为了确定定标的效果 ,分别与国外星载微波辐射计相同或相近通道的亮温进行了比较。另外还结合南海地面配合试验的测量结果对辐射计定标数据进行了分析。     

极地区域气溶胶地基遥感观测及分析

依据全球气溶胶自动观测网在极地区域的观测,对以下问题进行了讨论:(1)温度订正在极地气溶胶光学厚度观测中的重要性及订正方法;(2)在极地进行仪器常数标定的可行性分析及温度效应的影响;(3)利用天空散射光观测反演气溶胶微物理和光学特性参数(粒子谱分布、散射相函数、复折射指数、单次散射反照率等)时,关于观测几何选择的问题,以及针对极地区域气溶胶特性的初步反演结果。这些研究可以为中国未来在两极地区开展基于自动太阳-天空辐射计的气溶胶地基遥感观测提供参考,为极地区域气溶胶卫星遥感及气候效应评估等研究提供重要支撑。     

SZ-4飞船多模态传感器辐射模态数据处理与质量评价研究

研究了飞船多模态传感器中辐射模态1B产品数据的处理以及生成全球亮温图的方法,对辐射模态数据与SSM/I和AMSR-E星载微波辐射计对应通道进行了星星比对分析,建立了对应通道之间的线性关系。结果表明,飞船辐射模态亮温与SSM/I及AMSR-E的测量值在绝对幅度上相差较大,但却高度的线性相关,这在一定程度上说明了SZ-4辐射模态各通道亮温对地表微波辐射响应的能力。     

Strategies for spatial and temporal extrapolation and interpolation of wet delay

. The excess radio-path delay due to the atmospheric water vapor, the wet delay, can be derived from water vapor radiometer (WVR) measurements. WVR data used for external calibration of space geodetic measurements are not always acquired in the directions of the space geodetic signal sources, thus extrapolation and interpolation methods for the wet delay are needed. We evaluate three different methods using approximately 10 days of WVR measurements. Two methods, the gradient method and turbulence method, use the directional information in the data, while the third method used is linear regression in time regardless of the direction of the observations. The turbulence method yielded at least 10% less RMS estimation error than the errors from the other two methods. Received: 20 May 1997 / Accepted: 15 December 1997     

全极化微波辐射计对环境参数敏感性分析

为衡量全极化微波辐射计各通道对不同环境参数的探测能力,在构建全极化微波辐射传输正演模型的基础上,采用敏感性分析的方法,在固定背景场条件下,对全极化微波辐射计不同频率、各极化通道亮温对海面风速、海面风向、海面温度、大气水汽含量和云中液态水含量等重要环境参数的敏感度进行了分析和量化计算,对正演模型仿真亮温、星载全极化微波辐射计Wind Sat实测亮温相对于真实背景场参数、NCEP分析场资料和TAO/TRITON浮标实测海面风场数据的敏感性进行了分析。分析结果验证了全极化微波辐射计对海面风场的观测能力,衡量了上述重要环境参数对星载全极化微波辐射计各通道的单独影响程度,为中国自主研制全极化微波辐射计时通道指标设计、环境参数反演通道选取及算法提供支持。     

扩展多波长偏振测量的太阳—天空辐射计观测网

太阳辐射和大气气溶胶的地基遥感观测在气候变化、大气环境和对地观测等领域有重要意义。结合多波长偏振测量技术在气溶胶观测中的应用,本文介绍了在中国典型区域建立的太阳—天空辐射计观测网SONET(Sunsky radiometer Oberservation NETwork)。主要内容包括:(1)多波长偏振太阳—天空辐射计的参数、基本原理和功能,以及据此建立的中国区域太阳—天空辐射计观测网及其站点的基本情况;(2)太阳直射、太阳主平面和平纬圈几何条件下,太阳—天空辐射和偏振的观测模式及其测量参数;(3)针对气溶胶、水汽等大气成分观测发展的太阳直射辐射、天空光辐亮度、线偏振度等观测量的定标和数据处理方法,并给出在晴朗和灰霾等天气下的SONET观测结果示例;(4)基于在SONET典型站点连续的较长期遥感观测,初步建立了城市、乡村和灰霾情况下的整层大气气溶胶参数模型。在扩展多波长偏振测量的基础上,SONET还发展了自动观测、快速数据处理、定期标定和维护等观测网运行关键技术,可为典型大气气溶胶模型构建、卫星气溶胶产品反演和验证、大气环境遥感监测等应用提供支撑。     

GPS气象的可靠性检核研究

本文通过对GPS湿延迟和水汽辐射计、GPS可降水量与无线电探空资料的比较,进行了GPS气象可靠性检核研究。得出如下结论:GPS可降水量序列与无线电探空的相关性可达0.94;差值均值为-0.24mm;均方根4.0mm。文中对用精密星历及快速预报星历计算所得的GPS湿延迟和水汽辐射计数据进行了比较,在发展趋势上水汽辐射计观测数据与快速预报/精密星历解算出的对流层湿延迟相近,且经过精密星历与快速预报星历反演所得出的的对流层延迟与水汽辐射计数据的差值的均方根分别为1.51cm、1.52cm。     

不同饱和水汽压模型对GNSS反演可降水量的影响分析

地基全球卫星导航系统（GNSS）水汽反演过程中需要大气加权平均温度T_m的参与，而饱和水汽压E_s作为T_m计算过程中的一个重要变量影响着T_m，因此E_s将会间接地影响大气可降水量（PWV）的反演精度.针对目前地基GNSS水汽反演研究中普遍采用的三种不同的饱和水汽压模型（Magnus-Tetens模型、BUCK模型、Goff-Gratch模型），本文就不同的饱和水汽压模型参与反演是否会引起水汽反演结果的差异进行了研究.以香港为研究区域，利用GAMIT解算了2016年旱雨两季（2、7月）的天顶湿延迟（ZWD），同时利用king's park探空站的探空数据通过数值积分计算得到旱雨两季（2、7月）的T_m，然后严格参照反演步骤编程模拟计算旱雨两季（2、7月）每天的PWV.最后对比并分析了不同饱和水汽压模型参与计算对T_m和PWV的影响及原因，结果表明:三种饱和水汽压模型参与计算得到的PWV与真值（探空站计算得到的PWV）之间不存在具有统计意义的显著性差异，因此均可被用来提供计算T_m时所用到的饱和水汽压E_s，但是通过对比分析发现部分研究人员将BUCK模型中的变量T当作露点温度而非大气温度进行计算会使T_m产生较大的误差，进而对该误差进行了不合理性分析.本文的分析将会对后续地基GNSS水汽反演研究中的处理提供一定的参考.      

Boreal forest transmissivity in the microwave domain using ground-based measurements

This letter proposes an estimation of microwave transmissivity within the Canadian boreal forest. The aim is to correct the forest effect in snow water equivalent estimation from Special Sensor Microwave Imager and Advanced Microwave Scanning Radiometer microwave measurements. The estimation was carried out using ground-based radiometric measurements, at 19 and 37 GHz, and for both polarizations. The results show that the transmissivity is correlated with the stem volume and is independent of the tree species. For high stem volumes (>100 m/sup 3//ha), the transmissivity is found to be 0.4 and 0.3 for 19 and 37 GHz, respectively.     

利用BG算法提高微波辐射计空间分辨率

将BG算法应用于增强微波辐射计空间分辨率 ,BG算法的基本原理是 ,如果测量密度大于仪器本身的分辨率 ,便可找到周围测量点的线性组合而得到一幅较高分辨率的图像 ,此原理同样适合其它遥感仪器。借鉴Stogryn的研究成果 ,在应用BG算法的同时 ,引入可调参数 ,它能够调整空间分辨率和系统的灵敏度之间的约束关系 ,使增强后的图像能够进行折衷处理 ,而不至于因为过分增强分辨率而使图像的斑点噪声增大 ,降低图像的质量。应用BG算法 ,对 2 0、5 0和 90GHz的微波仿真图像进行了图像增强处理 ,结果表明图像分辨率得到了增强 ,空间分辨率提高的倍数依赖于数据采样密度。     

神舟四号飞船微波辐射计定标和检验（Ⅱ）——微波辐射计地物参数反演及其检验

针对神舟四号飞船微波辐射计(RAD)特殊入射角、频率的特点,开发了海面和大气参数的反演算法。然后用这个算法模拟RAD不同通道的亮温。最后用发射后重新定标的亮温结合国外大洋浮标、小岛上的气象探空数据以及其他星载微波辐射计产品,对RAD反演算法进行改进,最后给出海面温度、风速和大气水汽含量的反演的结果,并且对这些结果进行了检验。     

地基GPS反演大气水汽含量实践

随着地基GPS技术日益完善以及GPS在气象学中应用的不断深化,地基GPS探测技术已经成为一种有效的大气水汽探测手段,总结了地基GPS反演大气水汽含量的原理和方法,并通过实例分析了其误差产生的原因,验证了GPS反演大气水汽含量的可行性。     

地基GNSS大气水汽探测遥感研究进展和展望

大气水汽是表征极端天气事件和气候变化的重要参数,准确监测与分析水汽含量对于精准预测各类灾害性天气事件与研究气候变化具有显著意义。作为新兴的大气水汽探测方法,GNSS大气水汽探测技术得到了广泛的关注与应用研究,随着多频多模GNSS系统的发展,全球服务能力的逐步完备和地面基础设施的不断加强,地基GNSS大气水汽探测遥感技术水平得到显著提升,为基于空间大数据揭示气候变化、极端天气过程提供了强有力的数据支撑和发展契机。本文首先系统阐述了GNSS大气水汽探测遥感技术及其应用的发展过程;然后介绍了近年来包括对流层延迟、大气可降水量等多类型GNSS大气参数高精度反演的研究进展,特别是对GNSS大气反演在极端天气短临预报及气候变化现象解释两个方向的研究工作进行了科学探析;最后,阐明了GNSS大气水汽探测遥感技术面临的主要挑战及未来研究展望。     

Remote sensing of cirrus optical and microphysical properties from ground-based infrared radiometric Measurements-part II: retrievals from CRYSTAL-FACE measurements

The ground-based infrared radiance measurements acquired on July 14, 20, and 28, 2002 during the Cirrus Regional Study of Tropical Anvils and Cirrus Layers Florida Area Cirrus Experiment (CRYSTAL-FACE) campaign have been used for simultaneously retrieving the optical thickness and effective particle size on the basis of the retrieval algorithm reported in the preceding counterpart of this paper. The corresponding ice water path is derived from the retrieved optical thickness and effective particle size. Specifically, the data used for the retrieval include: 1) the infrared radiance spectrum observed by an atmospheric emitted radiance interferometer at the surface; 2) the sky condition and cloud height determined from a sky imager and a micropulse lidar; and 3) the sounding data for the profiles of temperature, pressure, and relative humidity. For these three case studies, the retrieved cirrus optical thickness, effective particle size, and ice water path are in the range of 0.2-1.5, 18-42 /spl mu/m, and 2-15 g /spl middot/ m/sup -2/, respectively. Furthermore, error analyses show that the retrieval uncertainties of the optical thickness and effective particle size are less than 15% if the uncertainty of water vapor vertical profile is within 5%. The retrieval errors are within 10% if the uncertainty of cloud temperature is within 7 K.     

闪电河流域水循环和能量平衡遥感综合试验

遥感试验是进行遥感原理的验证、遥感模型与反演方法的发展、遥感产品的真实性检验,推动卫星计划的论证实施及其观测在地球系统科学中应用的重要途径。闪电河流域水循环和能量平衡遥感综合试验以滦河上游闪电河流域为核心试验区,以地球表层系统的水循环过程和能量平衡为研究对象,旨在通过天—空—地一体化的观测手段,针对不同典型地表类型开展全波段主被动协同遥感观测,研究异质地表和山地条件下像元尺度遥感关键参量的观测方案,研究重要水热参量的遥感方法及其同陆面/水文过程模型的结合,支撑国家民用空间基础设施和空间科学先导专项相关卫星计划的论证实施。其中,航空飞行遥感试验搭载L波段主被动一体化微波载荷、双角度热红外相机、四波段多光谱相机和高光谱成像仪进行协同观测,实现了土壤水分、组分温度、植被含水量、叶面积指数等地表参数以及湖泊、水库、湿地等的遥感监测;地面同步观测试验利用车载微波辐射计、地基雷达和光谱仪进行了典型地物如裸土、植被、水体、人工目标等的遥感观测,并按照样区—样方—样点的多尺度嵌套方案进行了地表参数的同步采样,获取了该地区关键地表参数的短时期时空变化特征;同时配合卫星和机载观测,在闪电河流域完成了土壤温湿度、地表水热通量、地表辐射四分量、降水等气象要素的地面观测网络的建设,为验证地表辐射/散射遥感模型,发展、优化和验证水热参量遥感反演算法,研究地表水热参量尺度效应与尺度转化问题提供了重要平台,将促进陆表能量与水分交换过程的理解及其对全球变化的作用和反馈机制的研究。     

基于GPS的MODIS近红外可降水量季节性模型建立

在考虑可降水量季节性变化的基础上,提出利用GPS数据建立MODIS近红外可降水量季节性模型。首先对比分析2014年北京房山(BJFS)站的GPS可降水量和相应时间的MODIS近红外可降水量数据,发现两者之间的变化趋势基本一致,存在显著线性相关性;然后以GPS可降水量为标准值,利用回归分析建立GPS和MODIS可降水量之间的季节和全年校正模型。经检验,GPS可降水量与四个季节模型校正的MODIS近红外可降水量的均方根误差均小于3mm,最大误差不超过6mm,季节校正模型的精度都要高于全年校正模型。     

Remote sensing of water vapor content using ground-based GPS data

Spatial and temporal resolution of water vapor content is useful in improving the accuracy of short-term weather prediction. Dense and continuously tracking regional GPS arrays will play an important role in remote sensing atmospheric water vapor content. In this study, a piecewise linear solution method was proposed to estimate the precipitable water vapor (PWV) content from ground-based GPS observations in Hong Kong. To evaluate the solution accuracy of the water vapor content sensed by GPS, the upper air sounding data (radiosonde) that are collected locally was used to calculate the precipitable water vapor during the same period. One-month results of PWV from both ground-based GPS sensing technique and radiosonde method are in agreement within 1–2 mm. This encouraging result will motivate the GPS meteorology application based on the establishment of a dense GPS array in Hong Kong.     

Validation of MODIS integrated water vapor product against reference GPS data at the Iberian Peninsula

In this work, the water vapor product from MODIS (MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer) instrument, on-board Aqua and Terra satellites, is compared against GPS water vapor data from 21 stations in the Iberian Peninsula as reference. GPS water vapor data is obtained from ground-based receiver stations which measure the delay caused by water vapor in the GPS microwave signals. The study period extends from 2007 until 2012. Regression analysis in every GPS station show that MODIS overestimates low integrated water vapor (IWV) data and tends to underestimate high IWV data. R² shows a fair agreement, between 0.38 and 0.71. Inter-quartile range (IQR) in every station is around 30–45%. The dependence on several parameters was also analyzed. IWV dependence showed that low IWV are highly overestimated by MODIS, with high IQR (low precision), sharply decreasing as IWV increases. Regarding dependence on solar zenith angle (SZA), performance of MODIS IWV data decreases between 50° and 90°, while night-time MODIS data (infrared) are quite stable. The seasonal cycles of IWV and SZA cause a seasonal dependence on MODIS performance. In summer and winter, MODIS IWV tends to overestimate the reference IWV value, while in spring and autumn the tendency is to underestimate. Low IWV from coastal stations is highly overestimated (∼60%) and quite imprecise (IQR around 60%). On the contrary, high IWV data show very little dependence along seasons. Cloud-fraction (CF) dependence was also studied, showing that clouds display a negligible impact on IWV over/underestimation. However, IQR increases with CF, except in night-time satellite values, which are quite stable.