Retrieval of tropospheric co profiles using correlation radiometer: I. retrieval experiments for a clear atmosphere

This paper discusses the retrieval scheme associated with the gas correlated radiometer- MOPITT which will be on board of EOS-AM1 to measure the global vertical profiles of car-bon monoxide. The vertical resolution and retrieval errors caused by errors in the temperature profiles and in the surface temperature have been assessed. The main results are: a. Assuming the noise equivalent radiance (NER) of 1.8 × 105 W m-2 sr-1, the surface tem?perature can be deduced from the wide band signals with uncertainly less than 1 K, and the atmospheric term of the modulated signal can be deduced with errors almost equal to the NER which does not significantly increase errors in the retrieved CO profiles. b. With typical uncertainty in temperature profiles, errors in the retrieved profiles at lati-? tudes lower than 70o are generally less than 20% with the first guess of 100 ppbv. (If a better first guess was used, the errors may decrease). c. By incorporating the total column CO amount derived from the reflected solar radiation in 2.3 μm spectral region into the retrieval, the accuracy of the retrieved CO profile below 6 km may be greatly improved. d. In the retrieval experiment with 10 CO profiles representing the typical CO profiles, the r.m.s. relative / absolute errors of the retrieved CO profiles are about 10% / 15-20 ppbv.     

利用MOPITT资料分析亚洲地区对流层CO的时空分布特征

目前CO的模式模拟结果与实际观测存在着很大的差别,需要结合观测资料的分析研究来验证和改善模式能力。而南亚地区源汇的复杂性和站点观测资料的严重不足,使得对该地区CO分布与变化特征的认识更为有限。本文尝试使用2000~2011年MOPITT卫星资料,分析该地区CO的气候态空间分布特征,并结合再分析风场和卫星出射长波辐射资料,对大气运动影响CO分布进行探讨。主要结论是:1)南亚对流层中上层四季都存在CO高浓度带,其位置随着季节有南北变化,其中夏季高值带范围最小,但极值最大。2)在南亚季风区东侧,夏季对流层CO垂直廓线呈连续的高值分布,而在西侧对流层中上层出现孤立的高值分布,验证了东风急流的水平输送效果。3)CO浓度的季节变化在南北(27.5°N/12.5°S)纬度基本反相,并且在12年内500 h Pa高度上呈减少趋势,而在300 h Pa高度上有增加趋势。4)南亚中上对流层CO浓度值的分布和赤道附近垂直风场之间存在较好的相关性,对于该区域CO的来源问题提供了一个新的研究方向。     

云雷达和微波辐射计联合反演大气湿度廓线的初步研究

利用中国气象局大气探测试验基地的微波辐射计亮温值、对应的云雷达测得的反射率因子和L波段探空数据,采用BP(back propagation)神经网络作为反演工具,反演得到大气垂直湿度廓线。将天气情况分为晴天、低云、中云和高云四种情况,对比不加入反射率因子的反演湿度廓线,分析两种反演方法在各高度层的均方根误差。对比结果表明,加入反射率因子的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.862,均方根误差为14. 9%,而不添加反射率因子的相关系数平均值为0.763,均方根误差为19.2%。     

微波辐射计反演产品评价

利用北京南郊探空资料,对从美国进口的微波辐射计近3年反演资料,从总体平均、早晚平均、平均年变化以及不同天空状况4个方面进行分析、评价,以了解该设备的性能和产品特点。结果表明:①温度均方根误差从近地面到5000 m,误差逐渐增大,5000 m以上又逐渐减小。相对误差总体平均不到0.2,且均为正,表明仪器反演的温度比探空的偏高。②湿度从近地面到3000 m误差逐渐增大,3000 m以上逐渐减小。总体平均相对湿度的误差均为正,表明仪器反演出的相对湿度比探空的偏高。③从温、湿度误差的早晚对比看,20:00的误差相对比08:00小。④从不同天空状况看,温度碧空、多云间晴效果较好,多云转阴、阴天效果较差;湿度多云转阴、阴天效果较好。⑤从温、湿度误差的年变化来看,温度均方根误差1500 m以下年内变化幅度较小,1500 m以上变化幅度较大,呈现出8月误差最小,3、4月最大;相对湿度的均方根误差在1500 m以下年内变化比较相似,1500 m以上脉动变化比较大。     

Retrieval of tropospheric co profiles using correlation radiometer. ii: effects of other gases and the retrieval in cloudy atmosphere

The effects of methane, ozone, water vapor and nitrous oxide on the retrieval of tropospheric CO profiles using correlation radiometer have been assessed. The scheme of the retrieval in the presence of solid clouds have been proposed. The effect of methane and nitrous oxide can be well accounted by their mean profile, and that of ozone can be represented by a typical middle latitude ozone profile, while for water vapor, less than 50% uncertainty is required. With the assumption of blackbody for cloud surface, the CO profile may be retrieved for low and middle solid clouds. However, the retrieval of CO profile will lose quality for high clouds.     

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。     

微波辐射计温湿廓线反演方法改进试验

为提升地基微波辐射计在不同天气条件下, 特别是云天条件下温湿廓线的反演精度, 利用2011年1月—2016年12月中国气象局北京国家综合气象观测试验基地探空数据, 在微波辐射计反演温湿度廓线的过程中通过区分晴天和云天条件并引入全固态Ka波段测云仪云高及云厚信息, 对反演输入亮温进行质量控制和偏差订正, 建立BP神经网络模型, 采用2017年1月—2018年3月微波辐射计探测数据评估检验, 结果表明：在亮温订正前提下, 晴天温度模型、云天温度模型、晴天相对湿度模型和云天相对湿度模型反演结果与探空的相关系数分别为0.99, 0.99, 0.80和0.78, 均方根误差为2.3℃, 2.3℃, 9%和16%, 较微波辐射计自带产品（LV2产品）减小约0.4℃, 0.3℃, 11%和9%, 准确性提升约30%, 28%, 64%和45%;温度模型偏差在±2℃以内、湿度模型偏差在±20%以内的占比分别为68%, 70%和95%, 78%, 较LV2产品分别提高了7%, 5%和27%, 23%, 其中相对湿度改善明显。可见亮温订正、区分天气类型训练反演模型有利于改善地基微波辐射温湿廓线反演精度。     

层析法微波辐射计遥感反演云液水含量的二维垂直分布

通过机载双天线微波辐射计的观测数据层析反演出云液水的空间分布是一个有限角度的图像重建问题。为提高这一反问题的适定性, 本文对已有的正则化方法进行了改进: 根据云液水的分布特征选择W1,2空间范数的离散形式作为正则项; 通过数值模拟试验确定双天线仰角的最优设置方案为 (30°, 90°) 等。为避免已有方法中对目标函数进行线性化处理而产生的模型误差, 采用L-BFGS-B算法对非线性目标函数直接求解。按照侧边界内云液水分布是否已知将反演模型分为已界模型和未界模型。已界模型的反演结果表明, 反演误差在8.6%～12.3%之间, 反演图像可以反映出不同云型的结构特征。敏感性试验表明, 影响反演精度的主要因素为投影数据的角度分辨率、 辐射计观测噪声以及侧边界云液水分布的不确定性; 受云液水含量、 正则算子特性及边界因素的综合影响, 不同云型的反演精度存在差异。为使微波辐射计探测云液水分布能够独立于其它探测手段, 本文针对未界模型提出嵌套反演方法。数值模拟试验表明, 嵌套反演方法可以为目标区域的反演提供足够的侧边界信息。     

空基微波辐射计遥感晴天大气可降水量：不同通道组合和亮温函数形式的效果的比较分析

为了监测全球海洋上空的大气可降水量，已发射上天多种星载微波波谱仪和辐射计，相应地发展建立了多种反演算式。我们利用逐步回归分析，研究比较了反演晴天大气可降水量（PW）的多种通道组合以及算式中不同的亮温（Ta）函数形式的效果。主要结果有：（1）对应于高中低PW值有不同的最佳通道组合；（2）常选的水汽吸收中心线22.235 GHz不太适合于反演高中且变化范围大的PW值；（3）有必要建立分气候区域和分季节的反演算式；（4）在反演算式中采用ln(T0-TB)一般比线性形式有更好的回归和反演效果，但在有22.235 GHz通道时则不然；（5）反演中低或变化范围大的PW时，22.235 GHz亮温的平方项能显著改善回归和反演结果。     

晴空时大气红外遥感及其反演问题 I. 理论研究

本文首先研究了晴空情况下大气温、湿廓线及表层温度等参数的同步反演问题。利用一阶变分原理，从红外辐射传输方程中得到了大气温度、水汽权重函数的解析形式，然后利用牛顿非线性迭代法求解大气温度廓线、大气水汽廓线和表层温度。并从“最佳信息层”的概念出发，指出水汽遥感反演的两个特点。     

三波段地基微波辐射计联合遥感云雨大气参数的方法

本文提出了一种用三波段（0.86，1.35，3.2 cm）地基微波辐射计联合反演雨天大气的水汽总量Q，云路径积分液水含量L和雨的垂直路径参数的物理迭代方法。134份样本数值检验结果表明:当雨强小于20 mm／h时，反演的Q，L及雨参数值与模拟真值的相对误差分别在4％，18％，13％以内；当雨强超过20 mm／h时，相对误差分别是25％，57％和3％。文中还特别指出，单独用3.2 cm辐射计测小雨雨强时，相对误差很大，而联合反演能大大提高测雨精度。最后，讨论了该方法的实际应用可能性，表明三波段联合，为全天候监测大气中的水，提供了实际可行的途径。     

晴空时大气红外遥感及其反演问题研究 II. 反演试验研究

前文给出了卫星红外观测资料的反演处理方法，并对方法作了理论上的分析，在本文中，我们将此方法应用到TOVS、GOES-8实际资料及AIRS模拟观测资料处理中并重点对TOVS资料进行试验。在反演中，我们将大气温度廓线和水汽混合比（lnq）廓线用各自的经验正交函数（EOF）表示以提高反演的稳定性并缩短计算时间，同时采用一种过滤操作以加速迭代的收敛速度。除了用本文提出的方法对TOVS资料进行处理外，还用国际TOVS处理软件包（ITPP-4.0）对同样的资料进行反演。试验表明，本文方法的反演结果优于ITPP的结果。AIRS模拟反演结果表明，高分辨率红外垂直探测器的遥感精度能够达到温度1 K、水汽10%。     

反演同化和直接同化多普勒雷达径向风的对比试验

针对2003年7月5日江淮流域一次暴雨过程,以NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料为背景场,采用WRF(weather research and forecasting)模式及其三维变分同化系统,对雷达径向风和E-VAP(extended velocity azimuth processing)反演的水平风场进行了直接同化和反演同化试验,结果表明:直接同化雷达径向风资料后,增加了初始风场的中小尺度信息,改善了垂直速度条件,且在风场作用下水汽分布得到改善;反演同化资料虽然能增加初始场的中小尺度信息,但效果不如直接同化明显;无论直接同化还是反演同化都能改善降水预报,但直接同化好于反演同化,且间隔5～6 min比30 min的直接同化模拟效果好.     

有云时大气红外遥感及其反演问题 II. 反演试验研究

本文前一部分提出了用相邻视场同步反演法处理有云时的反演问题。在这部分中，我们将此方法应用到TOVS的模拟和实际观测资料反演中，并提出了一种“广义CO2分割法”来求取云高和云量的初始猜值。试验结果表明，相邻视场同步反演法反演精度明显优于单视场反演法的精度。另外，利用“广义CO2分割法”可以得到较好的云顶气压和云量的初始猜值。     

Monitoring Carbon Dioxide from Space:Retrieval Algorithm and Flux Inversion Based on GOSAT Data and Using CarbonTracker-China

Monitoring atmospheric carbon dioxide(CO_2) from space-borne state-of-the-art hyperspectral instruments can provide a high precision global dataset to improve carbon flux estimation and reduce the uncertainty of climate projection. Here, we introduce a carbon flux inversion system for estimating carbon flux with satellite measurements under the support of "The Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences—Climate Change: Carbon Budget and Relevant Issues". The carbon flux inversion system is composed of two separate parts: the Institute of Atmospheric Physics Carbon Dioxide Retrieval Algorithm for Satellite Remote Sensing(IAPCAS), and Carbon Tracker-China(CT-China), developed at the Chinese Academy of Sciences. The Greenhouse gases Observing SATellite(GOSAT) measurements are used in the carbon flux inversion experiment. To improve the quality of the IAPCAS-GOSAT retrieval, we have developed a post-screening and bias correction method, resulting in 25%–30% of the data remaining after quality control. Based on these data, the seasonal variation of XCO_2(column-averaged CO_2dry-air mole fraction) is studied, and a strong relation with vegetation cover and population is identified. Then, the IAPCAS-GOSAT XCO_2 product is used in carbon flux estimation by CT-China. The net ecosystem CO_2 exchange is-0.34 Pg C yr~(-1)(±0.08 Pg C yr~(-1)), with a large error reduction of 84%, which is a significant improvement on the error reduction when compared with in situ-only inversion.     

机载微波辐射计测云中液态水含量 (I):仪器和标定

简要介绍为研制机载对空测云微波辐射计所做的预研究,结果确认了研制这样的单频机载微波辐射计的可行性,并明确了仪器的技术难点,给出了针对技术难点提出的设计方案和技术指标。本文还介绍了对仪器进行灵敏度测试的实验方法和结果。实验室测试和晴空飞行测试表明,在一定的条件下,仪器灵敏度指标达到0.2K;还较详细地介绍了几种实用的标定方法,并讨论了它们的适用范围和不确定性。     

有云时大气红外遥感及其反演问题 I. 理论研究

我们已经研究了晴空情况下的大气红外遥感及其反演问题。本文对有云情况下的大气红外遥感及其反演问题进行了研究，首先指出国际上通用的处理有云反演的晴空订正法存在误差放大问题，然后提出了3×3相邻视场同步反演法，在该方法中，假定3×3相邻视场具有共同的大气温度廓线和大气水汽廓线，从而使求解方程数增加到9倍，而反演参数只增加有限的几个，大大提高了有云情况下反演的稳定性。     

提为反问题的数值预报方法与试验 I. 三类反问题及数值解法

提为初值问题的数值预报在通过改进数值模式、观测手段及分析方法而改进预报的同时,仍然面临着两大困难,即模式误差和初值不完整。然而我们有大量的气候演变的历史观测资料,其中蕴含着关于气候系统的信息。本文针对这两个困难,系统地提出充分利用历史资料反演订正模式和初值进而改进数值预报的三类反问题,并给出数值解法。最后将三类反问题应用于一个简单模式进行反演预报的数值试验,其数值试验结果将在本文的第二部分给出。     

变分方法反演双多普勒雷达低层二维风场

提出用变分方法和正则化方法相结合反演双多普勒雷达资料的低层二维风场的方法,即在目标泛函中加入正则化项（先验信息项）且合理选择正则化参数。数值试验结果表明：正则化项的引入能有效滤除反演风场中因奇点和观测资料引起的误差,提高反演精度,得到最优的全局反演风场。     

双雷达反演闽南地区一次暴雨过程三维风场结构特征研究

前汛期暴雨是华南地区最常见且预测难度较大的灾害性天气之一,而造成暴雨最直接的系统是中尺度对流系统。利用区域自动站资料,NCEP再分析资料,厦门、泉州新一代天气雷达(CINRAD/SA)基数据,采用地球坐标系下的双雷达三维风场反演技术,分析了2015年5月20日闽南地区一次暴雨过程中尺度对流系统的三维风场结构特征。结果表明:此次暴雨过程是由低层的冷暖空气在闽南沿海地区交汇形成的切变线引起的,风场反演方法能够清晰地再现低层切变线的移动过程、处于不同生命阶段对流单体的三维风场结构。强回波区跟随切变线向南移动并分布于其两侧。当切变线过境、风向较为一致时,不利于强回波的进一步发展,降水开始减弱。如果对流单体中存在一致的上升气流,低层有明显的辐合,表明此单体仍处于发展状态,回波将会继续增强;若已经出现了一致的下沉运动且没有明显的入流,则回波处于消散阶段。相比于传统方法,"基于动态地球坐标系的双雷达反演风场方法"实现了对雷达径向数据的定量化应用,能够更直观地揭示中尺度对流系统的三维风场结构,并通过对垂直速度的计算及显示,可以快速判断回波未来的演变趋势,对快速预测回波的强度变化有非常好的参考意义。