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。      

红外高光谱资料模拟大气廓线反演对云的敏感性

用不同云顶高度和不同有效云量时的星载红外高光谱观测值,模拟大气温湿垂直廓线反演对云参数的敏感性。用特征向量统计反演法按照云顶高度和有效云量分类反演了大气温湿廓线,统计了不同云高（200,300,500,700和850hPa）及云高有50hPa误差时温度、水汽混合比反演的均方根误差随有效云量的变化。结果表明,随着有效云量的增大,云顶以下各高度层上的温度、水汽混合比反演误差都明显增大。云高有50hPa误差较准确已知而言,温度和水汽混合比的反演误差增大,但温度反演对云高误差的敏感性比水汽反演要高。     

利用微波辐射计和雷达联合反演大气温度分布

本文介绍同时使用星载和地面微波辐射计,采用合适的联合反演方法,在整个大气层得到较高的温度反演精度。还介绍用甚高频(VHF)雷达测的对流层顶高度改善对流层顶处的温度廓线反演。比较反演结果与无线电探空廓线(RAOB),得到地面到300hPa之间的温度反演均方根(RMS)误差小于2K,30hPa高度以下不大于2.7K。     

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。     

基于MonoRTM模型的微波辐射计反演方法研究

基于辐射传输模型MonoRTM计算天空亮温度,使用多元线性统计回归方法和BP神经网络方法分别对大气温度和水汽密度廓线进行了反演,检验并分析了两种方法的反演精度.结果表明,多元线性回归方法反演的温度偏差总体不大于6K,反演的水汽密度偏差小于4 g/m3;神经网络方法反演的温度偏差小于2K,反演的水汽密度误差总体不大于2 g/m3.与探空数据的对比表明,对于大气温度和水汽密度反演,BP神经网络方法的反演结果都要比多元线性回归方法的反演结果更接近探空资料值.     

大气红外探测器(AIRS)温、湿廓线反演产品及边界层高度在黄土高原的验证

利用黄土高原地区加强观测期探空资料和大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder,AIRS)反演的温度、相对湿度廓线资料,评估了AIRS反演产品在黄土高原的适用性,以及利用AIRS温度廓线计算边界层高度的可行性。结果表明,各种边界层高度计算方法相关性显著,平均高度差异一般不超过200 m;Richardson数临界值的选取对确定边界层高度的影响不大。AIRS反演的大气温度和相对湿度均能很好地反映环境温湿的变化;温度平均偏差在±1 K以内,均方根误差一般不超过2 K;AIRS反演的地面气温误差相对较大,平均偏差和均方根误差分别为-1.68 K和3.32 K,并且会影响边界层高度的确定;AIRS相对湿度平均偏差在±10%以内,均方根误差不超过20%。利用Parcel法估计的边界层高度结果显示,根据AIRS反演的温度廓线确定的AIRS边界层高度低于利用探空观测资料确定的边界层高度,但能较好地再现边界层高度的变化,在没有探空数据时,可以用AIRS反演的温度廓线确定边界层高度。     

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。     

预估临边探测大气温度和水汽廓线的反演精度

针对在研仪器——大气辐射超高光谱探测仪的临边探测模式,模拟计算了大气温度和水汽的权重函数。以此为基础,利用信息量和权重函数线性化方法,结合仪器的可探测亮温阈值0.3 K,计算并分析6种大气状态下,大气温度和水汽混合比廓线在不同反演精度条件下可获得的光谱通道数,在满足最佳光谱通道数200的要求下,理论上预估其反演精度。温度廓线整体反演精度为0.6 K,水汽混合比廓线反演精度可达到5%,但热带大气在16~20 km高度的水汽廓线反演精度仅为10%。反演精度预估,仅提供了一种全面认识仪器性能的方法,精度的确定还有赖于真实探测数据的获取和反演方法。     

微波遥感大气温度层结的原理和试验

一、引言 利用5毫米微波段大气辐射的地面遥感,反演大气温度压力层结。本文将讨论它的原理、仪器和试验结果。这项工作最初在北京大学进行原理性的探索。随后分别与上海气象仪器厂和北京768厂合作研制成A型微波辐射计及B型微波辐射计两种试验样机,并对两种试验样机作了野外考察试验。从观测结果上看,可以用它遥感十公里以下大气温度层结,低空逆温能够明显地反应,高空逆温反演误差较大。5公里以下均方根误差在2—3°K以内,5公里以上误差还要大些。     

地基双波段测云系统及其对比试验

针对地基测云系统中云在可见光波段与红外波段中表现出的不同特性,用双站数字式云高仪所测云高进行标校,结合地面实时观测天顶红外辐射亮温及地面环境参数,分析地面到云层底大气对红外辐射亮温的影响,从中发现利用天空红外辐射亮温来遥感云底高度的可行性,研发地基双波段测云系统。该系统以对流层大气的垂直温度递减率为理论基础,建立云层底到地面的温度递减梯度参数K,根据递减梯度参数反演天顶方向的云高。该算法不依赖于探空数据,通过实时定标形式得出符合仪器所在地的云底高反演公式。通过与维萨拉激光云高仪CL31进行数据对比分析得出,地基双波段测云系统反演结果具有较高的准确性。     

基于FY-2E分裂窗差值法的台风外围晴空区风场反演研究

利用MODTRAN4大气辐射传输模式,结合FY-2E光谱响应函数,分析热带大气廓线下FY-2E分裂窗亮温差(BTD=IR1-IR2)对下垫面温度(Ts)、大气水汽含量(WV)及温度廓线(TP)的敏感性。分析表明,在水汽充沛的热带洋面,水汽是引起BTD变化的主要因素,Ts和TP对分裂窗亮温差的影响不大。其中,大气水汽含量WV在2.0~5.0 g/cm2内变化0.42 g/cm2时,能够引起FY-2E分裂窗亮温差0.2 K的变化,达到卫星NEdT值。以2012年11号台风“海葵”、2013年7号台风“苏力”和12号台风“潭美”为例,利用分裂窗差值法反演了台风外围晴空区风场,结果表明,分裂窗差值法能够反演晴空区风场,并弥补云导风产品的不足,其反演结果与NCEP再分析资料低层(800~900 hPa)风场具有很好的一致性,且精度与云导风的风矢测量精度相当。      

附加影响因子对红外遥感资料反演大气温湿廓线的辅助作用

利用AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)实际观测资料和采用特征向量反演方法,研究了非红外遥感因子对红外遥感大气温湿廓线反演的辅助作用。这些因子包括：微波探测通道、纬度、地形、表面高度、表面温度、表面气压等。试验结果表明,微波通道可以明显改善对流层中低层(800 hPa以下)温度和湿度的反演结果,对800 hPa以上没有明显的作用。划分纬度带有助于提高反演精度。在较平坦的地区温度反演的均方根误差远远小于地形起伏较大的地区。而水汽反演误差对地形变化不敏感。增加附加影响因子对改善对流层中低层温度反演精度有十分明显的作用,对中低层湿度反演精度有一定的改善。     

激光雷达和微波辐射计温湿度廓线与探空数据的对比分析

基于西安泾河国家气象站2021年微波辐射计、西安理工大学研制的大气温湿度廓线激光雷达等设备观测数据反演计算0～10 km 以下的温湿度，通过与探空资料的对比分别评估了微波辐射计和激光雷达的探测性能。结果表明，二者反演的温度均与探空数据具有较好的一致性，激光雷达反演的温度和探空温度的相关系数为0997，均方根误差在15～25 K之间，微波辐射计反演的温度和探空温度的相关系数为0973，均方根误差在15～50 K之间；在反演相对湿度方面激光雷达优于微波辐射计，激光雷达反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0964，均方根误差在5%～15%之间，微波辐射计反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0632，均方根误差在20%左右。     

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%。     

重庆不同天气条件下地基微波辐射计探测特征

利用2012年1月至2014年8月重庆沙坪坝站的微波辐射计和探空数据,通过数值模拟检验微波辐射计的亮温精度,并统计分析晴空、有云和降水天气条件下微波辐射计反演产品的变化特征。结果表明：(1)有云时微波辐射计氧气通道53.85、54.00 GHz亮温与探空观测温度相关性较好;晴空和有云时MonoRTM模拟亮温与微波辐射计观测亮温相关性较好。(2)不同天气条件下,微波辐射计反演温度与探空观测值的相关性都较高,降水时4.0 km以下微波辐射计反演温度明显偏高,有云和晴空时3.8 km以下的温度平均绝对误差小于2℃。微波辐射计反演的相对湿度与探空观测值的相关性较同高度层温度的相关性差,有云时1.0～2.6 km高度反演的相对湿度平均误差很小,降水时4.5 km以下平均误差也较小且稳定。降水时4.0 km以下微波辐射计反演的水汽密度平均误差明显偏大,有云时多数高度层平均误差较小。(3)4.2 km以下降水时08:00微波辐射计反演温度的平均误差较大,有云时08:00微波辐射计反演温度和水汽密度的平均误差均较小。说明微波辐射计反演的大气廓线具有可用性,且在稳定大气环境中反演效果更好。     

FY-3D MERSI-II云顶产品算法及精度检验

云顶温度和云顶高度作为基本的云参数,在云的热辐射强迫估计,航空气象保障,数值天气预报,天气气候研究等方面具有十分重要的意义。FY-3D/MERSI-II云顶温度产品基于云在红外波段的发射率假设,利用两个红外分裂窗通道(11.0 μm、12.0 μm)结合一维变分方法寻找最优云顶温度层,再利用数值天气预报廓线产品插值反演对应的云顶高度和压强。利用AQUA/MODIS所提供的云产品数据对FY-3D/MERSI-II云顶温度、云顶高度、云顶压强产品进行精度检验,结果表明:FY-3D/MERSI-II水云云顶温度精度为-1.2±4.6 K,云顶高度精度为1.4±1.8 km,云顶压强精度为-140.9±114.5 hPa;厚冰云云顶温度精度为7.0±6.0 K,云顶高度精度为-1.0±0.9 km,云顶压强精度为37.1±36.0 hPa;混合云云顶温度精度为1.5±8.5 K,云顶高度精度为0.8±2.2 km,云顶压强精度为-87.4±157.8 hPa,单层卷云和多层云的反演偏差较大。辐射传输模式在云顶性质反演中有十分关键的作用,但目前对冰云特别是卷云的性质认识不足,因此如何精确描述冰晶辐射特性,提高冰云特别是卷云辐射传输的模拟精度将是下一步的工作重点。      

利用神经网络从118.75 GHz附近通道亮温反演大气温度

为了准确快速地从118.75 GHz附近六通道亮温计算大气温度,作者开展了利用人工神经网络技术反演大气温度的数值模拟研究。与线性统计反演算法比较,海面上大气温度反演的总体均方根误差减小17%,陆面上大气温度反演的总体均方根误差减小15%。两种下垫面条件下的温度反演结果表明,近陆面的温度反演结果优于近海面的温度反演结果。另外,对温度廓线垂直结构反演性能的分析结果表明,对于具有较厚逆温层结构的温度廓线,神经网络反演对廓线的复现能力优于线性统计反演。     

基于往返式平漂探空的FY-3D卫星反演温度检验

往返式平漂探空观测（以下简称平漂探空）可实现对流层至平流层低层大气温度廓线垂直探测以及平流层低层内持续4 h的水平温度分布探测。该文介绍利用平漂探空试验数据对风云3号气象卫星D星（FY-3D）反演温度数据的检验评估算法,基于该算法和2021年3—9月长江中下游平漂探空试验数据完成对卫星反演大气温度数据的检验。结果显示:FY-3D卫星反演的温度数据准确度总体较高,与平漂探空上升段数据平均绝对偏差约为1.34℃,与下降段数据平均绝对偏差约为1.93℃;卫星反演的100 hPa以上和850 hPa以下温度误差分别偏大0.59℃和0.33℃;卫星反演平流层温度准确度低于温度廓线,平均绝对偏差约为3.92℃;与平漂探空数据相比,卫星大气温度廓线分辨率较低、趋势较平滑,无法显示大气温度垂直分布和平流层温度水平分布的细节特征。     

边界层温度廓线遥感反演的本地化改进研究

采用MODIS资料和美国发展的MODIS大气温、湿度廓线统计反演算法,估算大气温度、湿度廓线作为初始场,应用101层快速透过率模式(PFAAST)估算了大气透过率,并采用Newton非线性迭代算法反演中国西北荒漠戈壁地区大气温度廓线。结果表明:该方法对边界层高度及以上部分的大气温度反演得比较好,误差基本都在2 K范围内,边界层范围内的温度反演误差较大,反演误差与气溶胶光学厚度增量和地表温度估算误差呈显著正相关关系,与大气水汽混合比的关系较差。文中从敏感性试验和理论分析角度阐述了地表温度和气溶胶光学厚度估算误差对大气温度反演误差的影响,发现不同光谱波段的地表温度权重均随地表温度的增加有不同程度增加,地表温度反演误差增加将增加地表温度权重,提高地表温度估算误差有助于提高地表温度权重的精度;荒漠戈壁地区大气边界层中气溶胶浓度较高,光学厚度较大,使边界层大气透过率降低,进而降低卫星红外遥感波段的地表温度权重和空气温度权重。由于该模式没有很好地考虑边界层中沙尘气溶胶的影响,使卫星反演的大气透过率偏高,以至于高估地表温度权重和大气温度权重,使得反演的表面温度和空气温度偏低。该研究结合太阳光度计获得的光学厚度资料,采用统计方法对气溶胶效应引起的大气透过率误差和表面温度估算误差进行校正,并对物理算法进行本地化改进,实现了边界层温度廓线的反演。     

AMSU温度反演及其在台风研究中的应用

利用物理统计综合方法，建立了统计回归模型，作AMSU（Advanced Microwave Sounding Unit）温度反演。采用Liebe模式计算了AMSU3～14通道微波波段的权重函数，利用计算得到的归一化权重函数作为统计回归模型的约束夸件，并适当调整约束因子求得方程的最佳解。结果表明，当采用近星下点的AMSU—A亮温资料样本时，该算法模型具有较高的反演精度，在100hPa以下，温度均方根偏差为0．4K，100hPa及以上的均方根偏差为1．0K。用同样的约束回归算法对AMSU偏离星下点的观测视场作了临边订正，对于通道4～14（频率52．8～57．29GHz）的大气探测通道，使其最大偏差由-15～5K减小为4-0．9K。利用反演的温度，对2002-2003年登陆和影响我国的15个热带气旋的暖心结构作了分析，发现AMSU温度不仅能够清晰地反映热带气旋的暖核结构，而且其温度距平值与热带气旋中心风速和最低海平面气压有较好的相关关系，对实际分析预报有一定的参考价值：