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。     

地基微波辐射计遥感大气廓线的BP神经网络反演方法研究

讨论了12通道地基微波辐射计遥感反演温度、相对湿度和云液态水廓线的BP神经网络反演方法,利用探空资料,对北京春、夏、秋、冬四个季节的大气廓线进行神经网络训练,并对训练好的网络的反演能力进行数值检验,分析了反演精度;对北京南郊观象台12通道微波辐射计的观测亮温资料进行实际反演,结果表明,神经网络(BPNN)反演的廓线与微波辐射计自带RadiomeNN的相比更加接近实际。     

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。     

FY-3A气象卫星红外分光计温度廓线模拟反演试验

为了考察风云三号(FY-3)气象卫星红外分光计的性能, 以该仪器初样阶段的光谱通道特征和仪器响应函数为基础, 进行大气温度垂直廓线模拟反演。选用红外分光计15 μmCO₂吸收带的不同通道组合进行模拟反演, 结果表明:总体上红外分光计具有较好的大气温度反演能力, 窗区通道8的加入可有效提高近地面层温度反演精度;利用迭代算法反演大气温度时, 初估廓线对反演精度影响较大, 初估廓线与真值愈接近, 反演精度愈高;现有仪器通道灵敏度设计指标可满足大气温度反演基本要求, 如仪器灵敏度降低, 反演精度也随之降低, 提高仪器灵敏度, 有利于提高仪器的使用效果。     

毫米/亚毫米波探测大气温度和湿度的通道选择

利用热带大气温湿廓线计算了热带地区毫米/亚毫米波段微波大气透过率权重函数。对权重函数峰值高度的分析结果显示:对流层低层的大气温度可以选择118 GHz通道的远翼频率来探测,而对高层大气温度进行探测时,选择425 GHz通道的远翼频率较为合适;在大气湿度探测方面,183 GHz通道组合适合探测对流层中层大气的湿度,高层大气湿度探测应该首先考虑380 GHz通道组合来实现。根据大气温度探测通道和大气湿度探测通道的权重函数分布,鉴于国内现有遥感仪器的制造水平,建议选择118 GHz 3个通道与425 GHz 8个通道共11个大气温度探测通道和183 GHz 3个通道与380 GHz 5个通道共8个大气湿度探测通道作为未来静止轨道微波探测的候选通道。     

风云三号 (02) 批卫星微波氧气吸收通道降水特性

我国新一代极轨业务气象卫星风云三号 (02) 批计划2012年发射。该文利用UWNMS模拟2005年Katrina飓风的结果作为基础数据集,借助VDISORT微波辐射传输模式对风云三号 (02) 批计划装载的微波探测仪器中50~60 GHz和新增的118.75 GHz频点的降水特性进行初步研究。首先通过晴空权重函数匹配,选择出50~60 GHz与118.75 GHz频点匹配关系较好的4对通道。敏感性分析表明:各通道对各种水凝物粒子均很敏感,可用于改进现有业务降水反演算法。分别选取50~60 GHz 4个通道、118.75 GHz 4个通道、50~60 GHz及118.75 GHz全部通道3种不同的通道组合进行反演试验。结果表明:将50~60 GHz及118.75 GHz通道联合起来进行降水反演可提高降水反演的精度,并可以更好地区分降水区与非降水区。     

利用气象卫星资料反演大气温度廓线的初步试验

气象卫星垂直探测资料在国外已广泛用于数值天气预报中,本文介绍了由气象卫星垂直探测资料反演大气温度廓线的方法及回归反演系数的计算。最后给出了利用NOAA-7 TOVS资料反演大气温度廓线的试验结果。试验结果与常规探测温度的比较表明:绝对平均偏差和均方根误差在各等压面上大致为2—3℃。     

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。      

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%。     

用卫星测值反演海面温度的方法

一、前言 气象卫星遥感地面特征的资料处理中,反滨海面温度的关键环节是筛选晴空区和大气削弱订正。为了保证海面温度反演中大气削弱订正的效率和精度,资料处理中必须提取和引用大气状态的实时信息。但是海洋上大气温度和湿度廓线的常规探测资料就更难     

大面积水体上空星载微波辐射计的干扰识别

卫星微波仪器接收的来自地气系统的被动热辐射与主动传感器发射的信号相混合,被称为无线电频率干扰 (RFI),在主动及被动微波遥感探测领域已成为越来越严重的问题。海洋表面反射的静止通讯、电视卫星下发信号是干扰海洋上星载被动微波辐射计观测的主要来源。该文以先进的微波扫描辐射计AMSR-E为例,采用双主成分分析方法对美国陆地上大面积水体、附近洋面和中国海岸线附近的RFI进行识别,研究表明:美国附近洋面区域星载微波辐射计18.7 GHz通道观测主要受静止电视卫星DirecTV的干扰,由于海表反射引起的RFI非常依赖于静止卫星和星载被动仪器的相对几何位置,只有当闪烁角θ(观测视场镜面反射的静止电视卫星信号方向与视场到星载仪器方向之间的夹角) 较小时卫星观测易受到污染。美国海洋区域较强RFI分布在五大湖区域,离内陆越近RFI越强,东西海岸RFI较强,而整个南海岸干扰相对较弱。中国海岸线附近AMSR-E 6.925 GHz通道观测受RFI影响,而18.7 GHz通道观测未受到干扰。     

FY-3C微波湿温探测仪辐射测量特性

2013年9月发射的FY-3C是我国第2代极轨气象卫星的第3颗星,其上装载的微波湿温探测仪在118 GHz氧气吸收线和183 GHz水汽吸收线设计了两组大气探测通道,在大气窗区设置了89 GHz和150 GHz探测通道。为保证微波湿温探测仪在轨定量应用,卫星发射前完成了地面热真空试验。该文介绍了热真空定标试验原理,并对FY-3C微波湿温探测仪正样产品真空试验数据进行了定量分析。数据分析结果表明:FY-3C微波湿温探测仪正样产品15个探测通道的灵敏度均满足设计指标要求,各通道观测亮温间相对独立,定标准确度优于1.6 K,真空试验过程中微波湿温探测仪定标结果稳定。FY-3C微波湿温探测仪发射前热真空定标特性分析结果为仪器在轨定量应用奠定了基础。     

基于GRAPES四维变分的静止轨道微波观测系统模拟试验研究

地球静止轨道微波观测同时具有高频次、大视场和穿透云雨的全天候观测能力，因此中国在规划第二代静止轨道气象卫星“风云四号”系列时已经明确提出对静止轨道微波观测的需求。基于中国候选的50、118、183、380和425 GHz五频段静止轨道微波辐射计载荷方案，开展了地球静止轨道微波观测系统模拟试验，理解其观测时间分辨率、频段选取和观测误差对台风预报的影响。试验基于GRAPES全球四维变分同化系统，同化静止轨道微波模拟观测资料，以2018年台风“玛利亚”和“山竹”为例分析了静止轨道微波资料同化对台风预报的影响。试验结果表明，对于静止轨道微波资料同化应用，提高观测资料的时间分辨率、增加通道数量和降低噪声水平能够有效提升台风数值预报性能。      

Summer to Winter Diurnal Variabilities of Temperature and Water Vapour in the Lowermost Troposphere as Observed by HAMSTRAD over Dome C, Antarctica

The HAMSTRAD (H₂O Antarctica Microwave Stratospheric and Tropospheric Radiometers) microwave radiometer operating at 60?GHz (oxygen line, thus temperature) and 183?GHz (water vapour line) has been permanently deployed at the Dome C station, Concordia, Antarctica [75°06??S, 123°21??E, 3,233?m above mean sea level] in January 2010 to study long-term trends in tropospheric absolute humidity and temperature. The great sensitivity of the instrument in the lowermost troposphere helped to characterize the diurnal cycle of temperature and H₂O from the austral summer (January 2010) to the winter (June 2010) seasons from heights of 10 to 200?m in the planetary boundary layer (PBL). The study has characterized the vertical resolution of the HAMSTRAD measurements: 10?C20?m for temperature and 25?C50?m for H₂O. A strong diurnal cycle in temperature and H₂O (although noisier) has been measured in summertime at 10 m, decreasing in amplitude with height, and phase-shifted by about 4?h above 50?m with a strong H₂O?Ctemperature correlation (>0.8) throughout the entire PBL. In autumn, whilst the diurnal cycle in temperature and H₂O is less intense, a 12-h phase shift is observed above 30?m. In wintertime, a weak diurnal signal measured between 10 to 200?m is attributed to the methodology employed, which consists of monthly averaged data, and that combines air masses from different origins (sampling effect) and not to the imprint of the null solar irradiation. In situ sensors scanning the entire 24-h period, radiosondes launched at 2000 local solar time (LST) and European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) analyses at 0200, 0800, 1400 and 2000 LST agree very well with the HAMSTRAD diurnal cycles for temperature and relatively well for absolute humidity. For temperature, HAMSTRAD tends to be consistent with all the other datasets but shows a smoother vertical profile from 10 to 100?m compared to radiosondes and in-situ data, with ECMWF profiles even smoother than HAMSTRAD profiles, and particularly obvious when moving from summer to winter. For H₂O, HAMSTRAD measures a much moister atmosphere compared to all the other datasets with a much weaker diurnal cycle at 10?m. Our study has helped characterize the time variation of the PBL at Dome C with a top around 200?m in summertime decreasing to 30?m in wintertime. In summer, from 2000 to 0600 LST a stable layer is observed, followed by a well-mixed layer the remaining time, while only a nocturnal stable layer remains in winter. In autumn, a daytime convective layer shallower than the nocturnal stable layer develops.     

东亚陆地星载微波成像仪新增通道观测质量评估

基于2014年8月1—16日AMSR-2的观测资料,采用谱差法重点对东亚陆地低频7.3 GHz的无线电频率干扰(RFI)进行识别与分析。研究发现,东亚地区7.3 GHz通道观测存在无线电频率干扰,其中韩国京畿道、大邱市,孟加拉国,越南及柬埔寨东南部地区的干扰源是稳定、持续的地面主动源。日本地区7.3 GHz通道RFI仅出现在AMSR-2升轨观测上,而降轨观测则几乎不受干扰,且RFI污染区出现的位置与强度随时间及辐射计扫描角度周期性变化,探究其污染源,发现主要来自地面反射的静止通信/电视卫星信号对星载微波被动传感器观测的干扰。     

TRMM测雨雷达和微波成像仪对两个中尺度特大暴雨降水结构的观测分析研究

文中利用TRMM卫星的测雨雷达和微波成像仪探测结果,研究了1998年7月20日21时(世界时)和1999年6月9日21时发生在武汉地区附近和皖南地区的两个中尺度强降水系统的水平结构和垂直结构,以及TMI微波亮温对降水强弱和分布的响应。研究结果表明:这两个中尺度强降水系统中对流降水所占面积比层云降水面积小,但对流降水具有很强的降水率,它对总降水量的贡献超过了层云降水。降水水平结构表明,两个中尺度强降水系统由多个强雨团或雨带组成,它们均属于对流性降水;降水垂直结构分析表明,强对流降水的雨顶高度可达15km,强对流降水主体中存在垂直方向和水平方向非均匀降水率分布区,层云降水有清晰的亮度带,层云降水的上方存在多层云系结构。降水廓线分布表明:对流降水廓线与层云降水廓线有明显的区别,并且降水廓线清晰地反映了降水微物理过程的垂直分布。整个中尺度强降水系统中对流降水与层云降水的区别还反映在标准化的总降水率随高度的分布。微波信号分析表明:TMI85 GHz极化修正亮温,19.4与37.0,19.4与85.5,37.0与85.5 GHz的垂直极化亮温差均能较好地指示陆面附近的降水分布。     

静止轨道微波探测器视场偏差特征分析

现有的极轨微波仪器有着较强的穿云能力,空间分辨率较低,故目前而言,国内外鲜有针对微波探测器的视差分析研究,但若未来在静止轨道上搭载空间分辨率较高的静止轨道微波探测器,则微波视场内的视差问题不容忽视。针对未来发展的静止轨道卫星微波探测器,利用辐射传输模式CRTM模拟该类仪器的亮温,并分析其受视场内云影响所产生的视场偏差,结果表明空间分辨率越高,视差问题越明显;天顶角越大,云顶高度越高,视差越大。除此之外,以台风和高云的个例对实际情况中微波探测仪内视差误差进行了展示,说明静止轨道微波仪器尽管有较高的时间分辨率,但是因为视差的存在,仍然会对台风预警的准确性产生影响。      

A simplified interpretation of the radiances from the SSM/T-2

Summary A microwave radiometer with channels near the 18 GHz water vapor line and in nearby windows, the Special Sensor Microwave/Temperature-2 (SSM/T-2) was launched on a Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) satellite in November of 1991. The instrument is intended to provide data for the retrieval of atmospheric water vapor profiles. Because the relationship between the radiances observed by the instrument and the water vapor profile are both non-linear and non-local and because of the influence of clouds, the interpretation of the radiances is inherently complex. Here we develop a simplified, albeit approximate, algorithm for the profile retrievals and test it with simulation studies. Specifically it is shown that for each channel of the instrument near the 183 GHz line there is a nearly constant overburden of water vapor above the height at which the atmospheric temperature equals the observed brightness temperature. This relationship, in turn, provides the basis for a simple analytic algorithm for the relative humidity immediately above that height.The simplified algorithm is useful as a first guess for iterative solutions to the non-linear equations and for a variety of analyses such as estimating the impact of uncertainty in the radiances or the temperature profile on the retrieved water vapor profile. It is also useful as a conceptual tool to aid in the understanding of the more complex algorithms.With 7 Figures