基于微波辐射计与大气红外探测器（AIRS）的大气温湿遥感研究

论文总字数：26187字

目 录

摘要 2

Abstract 3

1.引言 4

2.仪器和数据介绍 6

2.1地基微波辐射计 6

2.2 Aqua AIRS大气红外探测器 7

2.3地基微波辐射计 7

2.4 Aqua AIRS大气红外探测器 7

2.4.1物理量选择 8

2.4.2时空匹配 8

3.微波辐射计与AIRS探测的温湿廓线 8

4.液态云水路径和可降水量的变化特征 11

5.降水天气下各气象要素变化特征分析 13

6.结论和讨论 16

6.1结论 16

6.2 不足和展望 17

参考文献 18

致谢 22

基于微波辐射计与大气红外探测器（AIRS）

的大气温湿遥感研究

周颖真

, China

Abstract: In this passage, the temperature and relative humidity profiles of MP-3000A radiometer and AIRS during Jan. 2012 and Dec. 2012 were compared. The temperature profiles in spring and autumn show good consistency, while those of winter and summer are less desirable. The disparities of retrievals are the largest in summer. For humidity profiles, however, the major differences are those retrieved in winter. In Urumqi, the two peaks of total perceptible water vapor (PWV) during a day occur at dawn and before sunrise, respectively. The values of PWV during May and September are considerably larger, which coincides with the time of monsoon in Xinjiang. The parameters before and after two severe rainfall cases observed by MP-3000A were also retrieved. The tendencies of liquid water path (LWP) agree well with the variations of PWV. The values of temperature in all 58 altitudes rose and dropped drastically in the 1-hour period before and after precipitation started. The values of relative humidity in higher troposphere decreased to less than 20% after intense rainfall.

Key words: MP-3000A radiometer; Aqua AIRS; temperature and RH profiles; comparison of retrievals

1.引言

强降雨、暴风雨、冰冻等常见的中小尺度天气现象的预报因为缺少大气温度、气压、湿度、风等灾害性天气发生时边界层的实时观测数据而受限。在反演温湿廓线时，常使用探空仪、探空气球、飞机、架设较高的气象测风塔的直接测量结果，或者天气雷达、RASS等遥感设备的遥感观测^[1]。 这些现有的探测手段对于中小尺度天气现象的观测都有一定的局限性：无线电探空和飞机探测会受到时间和空间的限制，而天气雷达对早期的对流活动不敏感。

20世纪30年代，Vleck的微波系数公式奠定了大气微波辐射的理论基础 ^[2]。20世纪50到60年代，随着声雷达、地基微波辐射计的成功研制，人们开始用超高频无线电波，即微波遥感技术 ^[3–7] 探测大气。20世纪70年代开始，Westwater ^[4] 开始利用地基和星载微波辐射计反演温度廓线。20世纪80年代开始，微波遥感技术开始被广泛应用。微波辐射计通过接收大气的微波热辐射，建立大气中的物理参数与辐射衰减、辐射强度、极化性等辐射参量之间的联系，以获取大气中物理量的信息。某些微波波段的辐射值就可以反演大气中温度的垂直分布、总水汽量、云中液态水含量的线积分、云内温度以及一些微量气体（包括H₂S、SO₂、NO、CO等）的浓度^[3]。

因为无需对外发射电磁信号即能实时探测大气温湿廓线等多种参数，还拥有无线电探空仪及光学仪器难以实现的实时连续和无人值守操作，微波辐射计可以对气象要素垂直变化进行自动、连续、全天候的观测，记录大气廊线的连续演变，提供高时间分辨率的大气运动状态信息。因为微波辐射计能极大地发挥微波探测云雨的能力，在大气温湿廓线反演方面具有独特的优势，其在大气遥感探测中的重要性日渐突出^[8-10]。

然而，作为一种新型的观测仪器，没有相应的国家或行业标准^[11]，微波辐射计的气象业务观测应用也没有形成。虽然Ebell et al.^[12]和Crewell et al.^[13]从理论上驳击其准确性，指出垂直方向的权重函数和垂直分辨率会使反演受到局限，而缺乏可靠的参考数据又使微波辐射计的灵敏度受到影响，但是Cimini et al.， Knupp et al.， Madonna et al.， Ware et al.， Ware et al.，Solheim et al.， Madhulatha et al. 和Campos et al. 先后从实际应用中应证^[14-21]，有历史探空廓线时，运用神经网络算法的学习机制，运用斯图加特神经网络模拟器（Stuttgart Neural Network Simulator）^[22]，利用历史探空温度和温度露点差不断调整反演的水汽廓线 ^[23-25]会使微波辐射计的反演结果确实比之前要准确很多。

除此之外，国内外其他学者也就神经网络反演算法的有效性和精度问题做了大量的数据对比验证。如Ware等对比了微波辐射计和探空资料^[26]，认为在数值模式的应用上，两者具有相同的准确性。Güldner 和 Spänkuch ^[27]， Liljegren et al. ^[28]， Cimini et al. ^[29-30]也将微波辐射计与实时探空数据进行对比。证明了即使选取不同地区，在四季中，两者500m以下的温湿廓线误差都很小，500m以下四季温度的均方根误差小于1℃，而水汽密度的均方根误差也小于1 g/m³，甚至小于微波辐射计的系统误差。而在500m以上两者的相关性也很好^[15,17]。2010年冬运会期间，Ware et al. ^[18] 在雨、霰、雪天气状况下使用微波辐射计获取了连续两周的数据，也得到了类似的结果。Hewison ^[31] 对比分析了晴空和有云情况下辐射计与探空数据的温度和水汽，发现在4km以内温度的不确定度小于1℃，而湿度小于40%。Edwin et al. ^[32] 证明微波辐射计资料可以在暴风雪中应用，结合雷达和云幕仪的数据后，辐射计的准确性也大幅提高。Edwin和Ware等人的经验证实了微波辐射计在极端天气条件下反演的可靠性。此外，Luke et al. ^[33] 还使用微波辐射计的反演结果来验证雷达观测的液态水路径值是否准确。

由此可见，国际上较为认可微波辐射计神经网络算法的反演结果。部分地区还将辐射计作为传统氢气球探空的补充方式，将微波探测资料与传统探空资料结合，甚至将地基微波辐射计与风廓线雷达结合，代替探空气球的无线探空，与天气雷达互为补充。对微波辐射计进行组网观测可以为气候变化研究提供长期、连续观测资料^[34-36]。

国内，80年代开始地基微波遥感技术在气象领域有了长足进展^[37-38]。贺宏兵和黄彦彬分别用线性统计^[39]和线性回归^[40]的方法反演参数，姚志刚等人在2006年^[41]也曾分析神经网络算法反演大气温度对于数值模拟研究的贡献，证明其反演效果优于线性统计方法。刘红艳等^[42]用地基12通道微波辐射计检验仪器自带的神经网络法的准确性时发现，微波辐射计测得的水汽含量与探空资料的水汽资料相关系数在0.97以上。随后，刘旸等人^[43]用神经网络法反演晴空条件下的大气湿度，得出它较强的非线性处理能力。21世纪后，微波辐射计已经从过去的几个通道到现在的几十个通道，产品精度和波谱分辨率也随之提高。近年来，有学者结合空基遥感和地基遥感，星基遥感和地基遥感或者主动遥感和被动遥感，以优化反演结果、提高反演精度。Osburn et al. ^[44] 对比了MODIS和微波辐射计探测的雪山上空实时云中液态水含量，发现两者探测的液态水含量频次分布具有很好的一致性。黄建平等人^[45]利用2006年4月至2007年12月CERES、MODIS探测器获取的FLASH Flux SSF Aqua/Terra MODIS资料与地基微波辐射计资料对比，分析了西北地区液态云水路径的变化趋势，得出卫星反演资料的年变化趋势与地基反演结果比较吻合。

然而，MODIS传感器不具备穿透云层的特性，只能比较MODIS与微波辐射计反演的云中液态水路径、水汽积分等总含量，却无法获取垂直分层的更详细的观测信息。对于微波辐射计反演的温度、湿度、水汽密度等垂直廓线，这些传感器不能做相互补充。相比之下，搭载在Aqua卫星上的AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）探测器具有一定优势。它不但可以提供温度、湿度垂直探测数据，而且资料的空间分辨率较高，是当前国际上最先进的超高光谱分辨率红外大气探测仪器。光谱分辨率高，通道多的特征使其能够更精确的探测对流层和对流层顶的大气温、湿度状态。AIRS的反演资料得到了广泛的应用 ^[46-47]，尤其是水汽廓线资料为评估和提高天气气候模式及天气气候研究提供了良好的观测依据。

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