热带海表风速与海表温度日变化关系分析

星载可见光/红外仪器因其波长缺乏穿透云的能力,只能观测到云顶及其下部有限深度的信息,而星载被动微波仪器则因其波长较长,具有穿透云的能力而能获得云体信息,因此星载被动微波仪器较可见光/红外仪器观测云和降水更具有优势。自20世纪70年代末至今,美国投入了大量星载被动微波仪器,服务于天气预报等领域,促进了云和降水等参数的被动微波遥感反演算法的快速发展。本文聚焦星载被动微波遥感反演洋面云液态水研究的进展,旨在提升我国的星载被动微波仪器遥感应用能力。文章首先简介了几种微波辐射传输模式形式,其次介绍了被动微波通道（频率）对洋面参数和云液态水的敏感性研究,然后介绍了被动微波反演洋面云液态水的统计反演算法、物理反演算法、物理与统计相结合的反演算法、被动微波多通道多参数的同步反演算法、被动微波与可见光/红外相结合的反演算法,最后探讨了未来该领域研究的发展方向。

     

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。     

卫星微波被动遥感云中液态水的研究进展

卫星微波被动遥感云中液态水的研究在近30年中取得了较大的进展.卫星遥感仪器的不断进步、探测精度的不断提高为卫星微波被动遥感云中液态水提供了技术和资料保障,在此基础上针对卫星微波被动遥感云中液态水技术而发展的一些统计反演方法和物理反演方法不断地得到改进、完善和提高.文中主要就各个时期发展的主要反演方法做了简要回顾,概括了这些反演方法的关键技术,评述了各自的优点和局限性.由于海表和陆表的辐射特性的巨大差异,分别就海洋上空和陆地上空云中液态水的统计和物理反演技术方法进行了综述,并进行了比较.针对地表比辐射率这一制约陆地上空云中液态水反演技术发展的瓶颈问题,也进行了相关评述和讨论.     

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。     

降水条件下的云雷达与微波辐射计反演液态水含量对比分析

为了发展云雷达与微波辐射计联合反演液态水含量的方法, 利用2019年4—9月中国气象科学研究院在广东龙门开展的综合观测试验中的双波段云雷达和微波辐射计数据, 首先检验了在降水条件下微波辐射计天顶观测和斜路径观测两种探测模式反演温度(T)、相对湿度(RH)、液态水含量(LWC)和液态水路径(LWP)的合理性, 然后分析了两种探测设备反演LWC和LWP的差别。得到以下结论: (1)微波辐射计在斜路径观测模式下反演的产品受降水影响较小, 其反演结果明显优于天顶观测模式; (2)两种探测设备反演的LWP相关性较好且随时间变化较为一致, 但云雷达反演LWP与平均回波强度有明显相关, 随着雷达回波强度的增大, 云雷达与微波辐射计反演的LWP之比越大; (3)两种探测设备反演的LWC相关性较差且存在明显偏差, 在不考虑融化层的情况下单波段云雷达反演LWC与微波辐射计随高度变化趋势相近, 双波段云雷达反演LWC与微波辐射计反演结果在1 km及其以上区间存在明显差异。      

基于地基微波辐射计反演四川盆地水汽及云液态水的初步分析

利用2016年12月1日～2017年11月30日,地基微波辐射计、L波段探空资料和地面常规气象资料,对四川盆地的水汽和云液态水进行了初步分析。结果表明：(1)探空与微波辐射计反演的水汽含量差值为0.558cm,相关系数为0.787,且通过了α=0.01显著性检验,微波辐射计反演的水汽含量是可信的。(2)基于地基微波辐射计分析四川盆地水汽和云液态水含量的变化特征,可以得出,夏季水汽含量最多,秋季云液态水含量最多;最大值出现在夜晚,最小值出现在白天,夜晚值大于白天。水汽含量和云液态水含量最大值和最小值时间间隔秋季最长(均为16小时),冬季最短(分别为9小时、10小时);水汽含量日较差在秋季最大(1.096cm),冬季最小(0.489cm),云液态水含量日较差在夏季最大(0.908mm),冬季最小(0.311mm)。水汽含量与降水、温度的月变化特征为显著性正相关,相关系数分别为0.842和0.915;与温度日变化特征在春、秋季的11:00～次日01:00为显著性正相关,白天相关性大于夜晚,在夏季01:00～13:00为显著性负相关,日出前相关性最高。(3)水汽和云液态水含量在降水过程开始前1～2h有明显的波动上升,降水结束后,水汽和云液态水含量迅速减少,水汽和云液态水的变化特征对降水天气的预报具有指示意义。     

机载微波辐射计反演云液水含量的云物理方法

用一维层状云模式产生云样本,通过统计回归求得机载对空微波辐射计测云中路径积分液态水含量的反演系数,与用历史探空统计资料作相对湿度诊断产生云样本的反演方法进行了比较,并通过因素分析、数值模拟检验等方法对机载微波辐射计的探测误差进行估计。对2001年7月8日的个例分析表明,用云模式得到的统计样本,由于加入了对层状云物理过程的考虑,较为符合当天的实际天气情况,在一定程度上减小了由于背景大气条件、云温、云内含水量的垂直分布等的不确定性所引起的反演误差。对反演精度的数值模拟检验表明,各高度层的均方根相对误差在9.5%～12.7%之间,反演精度在所有高度上都高于原方法。对探测误差的因素分析表明,与仪器漂移及背景场引起的误差相比,由云液水垂直分布的不确定所引起的误差是不可忽略的。因此为进一步提高反演精度,根据实际宏观观测资料,对云模式产生的大量样本进行筛选,从中选取与实际云况较为符合的云样本进行拟合,结果表明,采用这一措施可以使反演精度得到进一步改善。     

地基遥感大气水汽总量和云液态水总量的研究

介绍了地基微波辐射计遥感反演大气柱中的水汽总量和云液态水总量的辐射传输原理和反演方法。给出了实用的有气候代表性的北京地区4个季节的反演公式，并对反演公式进行了数值检验，分析了反演精度：春、夏、秋、冬4季水汽总量反演的相对标准偏差分别为3．1％、1．6％、2．2％和2．4％。用反演公式反演在香河探测的NASA微波辐射计资料发现：微波辐射计反演的水汽总量平均比探空测量值偏大O．21cm，二者的线性相关系数为0．988．均方根误差为0．16cm：云液态水总量除降水云天外．值均在0．1mm以下。     

机载微波辐射计测云中液态水含量(Ⅱ):反演方法

介绍了机载对空微波辐射计探测云中路径积分液态水含量(L)的辐射传输原理和反演方法;根据吉林省长春市的历史探空资料和典型的层状云液水垂直分布模式,得到该地区4～7月各月随高度而变化的反演公式系数的表达式,并给出了反演误差的数值模拟检验结果：在地面反演值对“真值”的统计相对偏差是15％～25％,在6km高度处为5％～10％,表明该方法已具有实用可接受的精度。此外,为减少由于回归样本中云液水廓线的“失真”给反演造成的误差,本文在对探空廓线作诊断建立云液水廓线时,引入了实际目测最低云底高的信息。数值模拟比较表明,该措施行之有效,使对流层中下层几乎所有高度上L反演值的精度提高了5％～20％,观测高度越低,精度提高的越多。     

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。     

热带测雨卫星TMI探测结果对非降水云液态水路径的反演方案研究

根据TRMM TMI的探测特点,结合微波辐射传输模式,研究了针对副热带地区非降水云液态水路径的TMI反演方案,并对反演方案进行了间接检验.首先,利用微波辐射传输模式进行模拟研究,分析了在副热带地区,相应TMI各通道的微波亮温对非降水云液态水路径的响应特点,结果表明37.0 GHz和85.5 GHz的水平极化通道探测结果对非降水云液态水路径的响应更为敏感;随后,利用模式分析了TMI各单一通道反演的非降水云液态水路径与理论值的差异,并在此基础上给出了利用37.0 GHz和85.5 GHz的水平极化通道亮温联合反演非降水云液态水路径的方案;最后,利用TMI的探测结果,采用该反演方案对无云区、非降水云区以及台风降水云区进行了反演计算.结果表明,无云区的液态水路径在-1-1 g/m2之间,且平均值为10-5量级;非降水云的液态水路径变化范围在0-500 g/m2之间,且其水平分布与TRMM的可见光通道0.64 μm探测的云分布一致;在台风降水云个例中,随着台风的成熟,高液态水路径的面积比初始阶段增多,且当地表降水率小于5 mm/h时,云中液态水路径随地表降水率的增大而逐渐增大.     

基于地基微波辐射计遥感的天津大气水汽和液态水特征

利用2013年3月至2017年2月天津西青地基35通道微波辐射计观测资料,分析天津地区大气水汽和液态水特征。结果表明：天津地区各季节积分水汽和积分液态水的日变化趋势基本一致,均呈单峰型日变化特征,其中夏季最大,秋季次之,冬季最小。各季节积分水汽最大值出现在23：00时（北京时,下同）的概率均明显大于其他时次,夏季和冬季的积分液态水的最大值出现在14时的概率最大,春季和秋季分别出现在10时和13时的概率最大。天津地区水汽密度由地面至3.5 km处逐渐减小,递减梯度由夏季、秋季、春季和冬季的顺序依次增大,各季节从1.5 km往上日变化均不明显。1 km以下,春季、夏季和秋季平均水汽密度的日变化曲线呈双峰型,主峰值分别出现在08时、11时和12时左右。冬季呈单峰型变化,峰值区出现在12-16时。液态水密度随高度分层变化,夏季的液态水密度大值区（0.08-0.14 g·m^-3）为5-6 km,在18-20时出现最大值。秋季、春季和冬季液态水密度的大值区出现的高度为1.5-3.5 km,但数值依次减小,春季和冬季的最大值出现在05时前后,秋季则出现在02时左右。另外天津地区水汽、液态水与温度和降水量的变化趋势基本一致,除夏季06-18时及冬季部分时次外,水汽与温度呈正相关。液态水与温度相关性较差,但与降水量呈正相关,全年液态水与降水量夜间的相关性大于白天。     

一次降水过程云液态水和降水演变特征的综合观测分析

利用IP/WVP-3000地基微波辐射计、多普勒雷达结合卫星及地面雨量计等多种遥感观测资料,对2007年6月30日北京地区的一次积层混合云降水过程的云液态水和降水的分布及演变特征进行了综合观测分析。分析表明:降水开始前,辐射计液态水含量有明显增加,地面降水的产生滞后于液态水含量增加一段时间,利用这种现象,可用于提前预测云系正处于降水产生的发展阶段,应用于人工增雨作业。在相同时间对同一位置进行探测的雷达和辐射计资料显示,雷达回波垂直分布趋势与辐射计液态水的垂直分布趋势有着较好的对应关系。此外空中液态水分布,特别是低层液态水的分布,与地面降雨的产生有着直接的关系。     

飑线型降水云微波辐射特性的数值研究

本文将三维云的微物理模式的输出作为三维辐射传输模式的输入，对降水云的微波上行辐射率同地球物理参数间的关系进行了初步研究。在侧边界条件不对称的情况下，如果不考虑实际存在的云间相互辐射作用而模拟降水云的上行辐射率时，模拟出的亮温在低频段将低估卫星上测到的亮温值；在高频段则依降水云上层含冰量的大小而异，即在降水云上层含冰量小的区域，将低估星上测到的亮温，且低估的幅度较低频通道的大，而在降水云上层含冰量大的区域，可能高估星上测到的亮温，但高估的幅度较小。     

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。     

西太平洋赤道海域上空可降水和云液态水的遥感分析

根据1985—1989年中国科学院组织的西太平洋热带海域(0—5°N,110—150°E)综合考察过程中船载双通道微波辐射计五年累计获得的22599组观测资料,以及NOAA极轨卫星资料,综合分析了该海域中水汽总量和云液态水的统计特征及其年际变化,水汽场的整层与下层关系,可降水的日变化及空间分布等特征.指出了某些与陆地上不同的特点,为气候及海上边界层研究提供了有意义的观测事实.同时,给出了五年中辐射计探测与探空测值的统计比较结果.     

先进技术微波探测仪(ATMS)云液态水路径算法评估

云液态水路径是气候和天气系统分析的重要参数,可以从卫星观测资料反演获得.目前,基于卫星微波探测仪器观测资料的云水算法可由23.8和31.4 GHz两个通道产生.本研究使用先进技术微波探测仪(ATMS)观测数据,对物理和经验两种算法反演出的云液态水路径进行验证评估.结果表明,经验算法和物理算法都可以描述云液态水在全球洋面...     

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。     

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。