基于CloudSat卫星资料分析东太平洋台风的云、降水和热力结构特征

利用2006～2010年的CloudSat热带气旋过境数据集资料,依据风速大小划分为不同演变阶段,对各阶段内东太平洋台风的云、降水和热力结构进行综合分析。结果表明:雷达反射率在5 km高度上下的分布截然相反,沿径向回波强度和顶高不断减小。各类云沿径向和垂直方向的分布差异较大,而深对流云的垂直尺度和发生概率始终较大。有效粒子半径、分布宽度参数和冰水含量随高度减小而粒子数浓度却增大,沿径向各冰云参数以及降雨率都不断减小。各阶段降雨率总体上夏季大于秋季,沿纬向各季节在不同阶段的分布各异。内核区降雨率近似服从指数分布且对暖的海面温度SST较为敏感,其与雷达反射率的散点分布集中在三个区域内。内核区5～10 km高度存在暖核结构,其下方恰好对应湿心区,而10 km以上相对湿度距平较大值区对应台风顶部的卷云罩。各阶段4.5 km以上为对流性稳定层结而该高度以下的层结特性各异,此外假相当位温沿径向不断减小。     

基于COSMIC掩星资料的中国及周边地区云垂直结构特征研究

利用2007年1月至2009年1月的气象、电离层及气候卫星探测系统(COSMIC)湿空气数据,基于相对湿度廓线出入云层时发生突变反演云边界高度进而获取云垂直结构参数的思想,对中国及周边八个不同地区云的垂直结构特征进行统计分析.结果表明:(1)不同地区掩星样本数随季节的变化较小,不同季节各地区间差异却较大,且多层云样本数日变化呈现明显的"双峰"结构;掩星最低探测高度集中在3.0km以下,各地区多层云受限制概率大于单层云,主要影响部分中低云参数的反演.(2)南方各地区云厚及晴空厚度都大于北方,双层云上层云厚大于下层,三层云从大到小依次为顶层、底层和中间层,且顶层与中间层晴空厚度大于中间层与底层;各地区不同季节内各层云云顶高具有相同的排列规律,云底高也基本遵循类似的排列顺序;多层云晴空厚度季节变化不显著,各季节内南方大于北方.(3)中国地区各类云云底高和云顶高二维频率季节变化不大,出现两个较大值区但分布高度各异;另外,南北方有不同的频率分布特点,其中西南和华南在16.0km以上出现"尾翼"分布,表明有深厚对流云产生.     

机载SAR探测图像中归一化雷达截面随入射角变化规律应用

机载SAR对海探测时,探测范围小和时空匹配难等局限使其无法借助风条纹和辅助资料反演海面风矢量.本文在仿真研究CMOD5.N地球物理模型参数的函数关系,实例分析机载SAR探测图像中距离向均值曲线变化规律的基础上,发现相同风向、风速条件下,CMOD5.N模型构建的标准曲线和探测图像的距离向均值曲线遵循统一的归一化雷达截面随入射角变化规律,且两者具有良好的相关性.据此,本文提出将距离向均值曲线与标准曲线逐条匹配,采用相关系数判定两者的相关程度,选择使得相关系数绝对值最大的标准曲线作为最优匹配曲线,进而直接确定风向和风速的海面风矢量反演方法.机载SAR飞行探测实验结果表明,海面风矢量反演结果与浮标观测结果的均方根误差为风向11.3°,风速0.9m·s-1,高于反演精度指标要求,原因在于该方法既避免了机载SAR探测图像中斑点噪声的影响,又不会产生局部最优解,提高了海面风矢量反演精度.     

利用MODIS数据反演多层云光学厚度和有效粒子半径

利用卫星资料反演云微物理参数不仅有助于对天气变化的监测和预报,而且对人工影响天气的研究十分有益.目前卫星反演云微物理参数的算法一般是假设视场中只有一层云,但是实际环境中多层云出现很频繁.文中研究了多层云的光学厚度和有效粒子半径微物理参数的反演算法,主要针对薄的冰云覆盖在低层水云的多层云情形.算法利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)吸收通道和非吸收通道同时进行反演,在此基础上利用SBDART辐射传输模式模拟冰云覆盖在低层水云上的多层云对云微物理参数反演的影响,模拟表明反演时将多层云作为单层云处理会使反演结果产生较大误差.为此,文中提出了云光学厚度和有效粒子半径反演算法中要考虑多层云的因素,并设计了一套云光学厚度和有效粒子半径反演方案.该方案使用SBDART辐射传输模式建立不同观测几何条件、下垫面类型、大气环境等条件下以光学厚度和有效粒子半径为函数变量的多层云、水云和冰云辐射查找表.经过云检测、云相态识别和多层云检测后,在该查找表的基础上,对MODIS通道1和通道7的数据采用最小方差拟合法反演光学厚度、有效粒子半径.利用该方案对2006年7月12日TERRA卫星MODIS数据进行反演试验,反演结果与NASA发布的MOD06产品中云的光学厚度和有效粒子半径的结果较一致,表明方案具有合理性.     

中高层大气探测技术的研究进展

探测技术的发展和探测仪器的研制是中高层大气研究的重要方面,利用单一的探测技术无法完成这个相当宽的高度范围大气状态参量的测量,需要采用多种探测手段综合得出这一区域的大气结构。本文结合国际上中高层大气探测技术的发展,主要从雷达的地基遥感,高层大气探测卫星的探测及无线电掩星技术,大气参数的气球、火箭、飞船探测方面回顾了我国近几年间的研究进展。     

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。     

基于神经网络的卫星高度计海面风速反演算法

通过对TOPEX/Poseidon高度计资料与NDBC浮标实测数据进行时空匹配处理,得到同步数据集,利用人工神经网络方法试验得到海面风速反演算法,并与业务运行的M CW算法进行分析比较,指出考虑波浪状态影响因素的神经网络算法在均方根误差和对称性方面的优越性。研究表明利用神经网络方法反演海面风速是可行的。     

经验和抛物面模式模拟暴时磁场的误差特性研究

利用两种不同的磁场模式,协同GOES10/12、Polar及Geotail的实测资料,本文对3种不同强度磁暴的磁层磁场进行了详细分析,从而检验了两种不同磁场模式的可靠性,给出了模式间的性能对比.我们采用Tsyganenko经验模式及Alexeev抛物面模式,分别模拟了2004年4月、7月和11月的磁暴,3个磁暴过程中最强Dst指数分别达到-110 nT,-150 nT以及-289 nT.结果发现:T01模式对于中等磁暴时磁场模拟准确,而由于建立模式的数据库中强磁暴资料少,模式中不包含亚暴效应,T01对于强磁暴磁场模拟的误差增大,磁场分量远远偏离观测值;A2000模式缺少部分环电流及Ⅱ区场向电流,模式对于近地点Polar轨道上的磁场扰动模拟不足,对强磁暴时亚暴效应的过高模拟使其模拟的磁场分量偏高;T01模式对于中等磁暴时磁场的模拟效果明显好于A2000模式,随着磁层扰动的增强,T01与A2000模式的总体性能相当.     

附加相位延迟到弯曲角反演过程中的误差传递模型

为了研究全球卫星导航定位系统无线电掩星探测中的误差传递过程,文中讨论了掩星探测中附加相位延迟到弯曲角的反演过程中,附加相位延迟随机误差对反演弯曲角误差的影响。在对全球卫星导航定位系统和低轨道卫星进行精密定轨的情况下,忽略轨道误差对反演结果的影响,将轨道参数视为常数,考虑附加相位延迟△L存在随机误差δ△L时对反演弯曲角α带来的弯曲角误差δα。利用EGOPS仿真软件,采用数值模拟的方法模拟了无电离层影响的大气附加相位延迟数据,利用CHAMP真实轨道数据,MSIS-90大气模型和全三维射线追踪器进行前向建模,从中选取了一个掩星事件对误差传递模型进行了验证。结果表明:附加相位延迟的变化会给弯曲角的反演带来相应的误差:当随机误差为5 cm左右时,反演的弯曲角误差在±0.2 mrad范围内;当随机误差为1 cm左右时,反演的弯曲角误差在±4μrad范围内;当随机误差为1 mm左右时,反演的弯曲角误差在±40μrad范围内。最后从模拟的掩星事件中随机抽取了20个掩星事件进行统计分析,给出了20个掩星事件存在1 cm附加相位延迟测量误差引起弯曲角误差的均值误差,其误差特性虽略大于个例研究结果,但与模型完全吻合,反演的弯曲角误差也在±40μrad范围内,进一步验证了模型的准确性。     

云相态的卫星遥感研究进展

云相态不仅是气象学和气候学研究的重要参量,也是卫星云参数反演的关键要素,其识别的准确性直接关系到光学厚度、有效粒子半径等光学和微物理参数的反演精度.卫星遥感技术的发展为云相态的识别提供了前所未有的技术手段.对能够提取云相态信息的主要星载遥感源进行了介绍,重点总结了近30年来国内外利用星载被动光学遥感资料、偏振辐射资料以及主动雷达资料进行云相态反演的基本原理、方法以及技术特点,最后针对目前云相态反演工作中存在的一些问题和发展趋势进行了探讨.