TMI 10.7 GHz低分辨率亮温资料的细化处理方法研究

由于良好的穿透性,被动微波低频通道探测经常用于卫星遥感中,但其较粗的空间分辨率容易导致像元充塞效应,且无法直接匹配高频通道的细致分辨率,严重影响到微波低频观测资料的使用.以TMI 10.7GHz通道探测数据为对象,探讨如何便捷有效地提高微波低频数据的分辨率.首先以TMI 85.5GHz垂直极化通道探测分辨率(约5km)为基准,利用就近取值法、距离反比权重法和动态最小二乘曲面拟合法这3种方法做算法进行自检验分析.对比结果表明,最优方法为动态最小二乘曲面拟合法,距离反比权重法次之,就近取值法效果最差.在此基础上,选取洋面(170°E～180°E,10°N～20°N)、陆面(110°W～100°W,29°N～38°N)、海陆交界区(140°E～150°E,13°S～3°S)3个不同的区域进行TMI 10.7GHz与85.5GHz两套观测数据的匹配,并将匹配结果应用到台风个例分析中.研究结果为实现在85.5GHz高频通道的细致水平分辨率上,统一高低频通道观测资料的计算分辨率,得到多通道被动微波融合亮温资料提供了依据。     

地基微波辐射计反演温/湿度廓线的BP神经网络训练方案对比

为提高地基微波辐射计反演大气温/湿度廓线的精度,提出了一种直接利用高垂直分辨率探空资料与地基微波辐射计观测亮温训练反演温/湿度廓线BP神经网络方案.基于地基微波辐射计的观测特点,提出了一种基于微波辐射计地面观测资料和探空资料的观测亮温综合质量控制方案,利用质量控制后的观测亮温训练BP神经网络(OBS-BP),并与基于MonoRTM辐射传输模式模拟亮温训练BP神经网络(SIM-BP)的方法进行了对比.结果表明, OBS-BP反演温度廓线的均方根误差随高度逐渐增大,范围为0.62～2.81 K,偏差范围为-0.67～0.43 K,相关系数随高度的升高逐渐减小,变化范围为0.92～0.99;相对湿度廓线的均方根误差在0～4.75 km随高度升高而增大,在4.75 km以上随高度升高而减小,范围为8.21%～24.37%,偏差范围为-3.87%～4.54%,相关系数随高度升高逐渐减小,变化范围为0.13～0.94.将OBS-BP和SIM-BP反演高时间频次的温/湿度廓线的效果进行了对比,得出OBS-BP的反演结果能更好地反映对流层内大气温/湿度演变过程,相对于利用SIM-BP的反演结果, OBS-BP反演温/湿廓线在各个高度层上均优于SIM-BP,与探空资料具有更好的一致性,更适用于实际观测中地基微波辐射计温/湿度廓线的反演.     

地基12通道微波辐射计反演大气温湿廓线及估算雷达路径积分衰减

利用TP/WVP-3000型地基微波辐射计12通道亮温观测资料,发展了一套大气温湿及液态水廓线反演算法.首先对近20年历史探空数据进行数据转换、插值等处理后,分无云和有云两种类型,运用MWMOD微波辐射传输模式,计算无云情况下的微波亮温集,根据相对湿度廓线,利用模式的绝热液水含量分析方法,模拟计算出液态水廓线及对应的微波亮温数据集,利用改进BP神经网络计算模型,通过神经网络学习训练,获取代表该地区的神经网络系数,用于反演计算大气温度、水汽密度、相对湿度和液态水廓线.与GPS探空数据对比,反演的大气温度廓线在7 km以下误差均在3 K以内,水汽密度廓线在6 km以下误差均在3 g/m2以内,部分底层廓线的反演值与GPS探空观测接近,获得了较好的反演结果.同时,通过模式分析出云水廓线,弥补GPS探空不足,利用微波辐射计观测进行验证,估算雷达路径积分衰减,用于试验降水雷达反演分析.     

星载微波辐射计遥感大气温度廓线的数值模拟

为了充分了解微波被动遥感大气温度廓线的能力,为星载微波辐射计研制及今后的资料解释提供必要的技术基础,开展了采用50～60 GHz氧气吸收带内的7个通道反演大气温度廓线的数值模拟研究.利用微波辐射传输模型模拟了微波辐射计各通道亮度温度,在此基础上建立了大气温度廓线的统计反演方案.统计反演的数值试验表明,50～60 GHz微波通道对大气温度廓线有一定的遥感反演能力.     

夏季青藏高原潜热分布及其廓线特征

利用热带测雨卫星(tropical rainfall measuring mission,TRMM)上微波成像仪(TRMM microwave image,TMI)的观测资料,首次借助卫星遥感对夏季青藏高原地区的潜热水平分布形式、潜热垂直结构及其变化特征进行了分析,并与周边地区进行了比较.潜热的水平分布形式与基于NCEP/NCAR降水资料的结果基本一致,显示了TMI反演资料在高原地区的可用性.研究结果初步揭示了夏季青藏高原上三个比较稳定的潜热加热中心,以及高原潜热廓线较为独特的单峰结构.特别在与周边区域的比较中发现,高原地区仅与印度次大陆潜热廓线的上层结构较为相似,而在6 km高度以上的对流层中高层,高原上整层的潜热加热均高于中国中东部大陆和西太平洋暖池地区,表现为显著的高空热源.     

IR4通道反照率计算及其在降水过程分析中的应用

在推导IR4通道反照率反演公式的基础上, 将IR4通道亮温及其反照率计算结果用于北京地区夏季降水过程的个例分析。结果表明: IR4通道反照率在降水形成前会出现明显的先升后降的现象, 对降水的反馈早于红外长波(IR1)和水汽(WV)通道; 在强降水后的弱回波阶段, IR1和WV通道亮温会继续下降, 极值位置延迟于雷达最强回波位置, 而IR4通道亮温和反照率这一阶段的变化趋势与以上2个通道相反。     

相似廓线法在星载雷达陆面衰减订正中的应用

针对星载雷达陆面衰减订正存在的困难, 提出相似廓线订正方法。利用洋面雷达测得的雷达等效反射率因子廓线(简称降水廓线) Z_m和经表面参考技术(SRT)订正后的降水廓线Z_e建立相似廓线库, 通过匹配雷达在洋面和陆面测得的降水廓线, 对陆面降水廓线的地表路径积分总衰减(PIAs)进行估值。借助2018年GPMCO 2A-Ku数据产品中洋面降水资料进行检验, 结果表明相似廓线法与SRT技术的订正结果具有较好的一致性, 对于容许相对偏差40%的相似廓线库, 匹配成功的降水廓线中, 两种方法的PIAs相对偏差小于40%的廓线比例依次为对流云降水 88.8%, 无亮带层状云降水98.9%, 含亮带层状云降水98.9%, 显示该方法有效。借助2014—2018年GPM-CO 2A-Ku数据产品中陆面降水资料进行对比, 结果表明相似廓线法的陆面应用效果与洋面差异较大, 与陆面SRT技术应用效果差的结论相一致。     

用星载雷达和微波辐射计对江淮云雨垂直结构进行分析及模拟研究

利用热带降雨测量计划卫星2000年在淮河流域能量和水循环试验区域的观测资料建立了适合该地区的云雨模型,并用此模型研究了云雨系统中各种成分对星载微波辐射计所接收的辐射亮温的贡献。模拟结果跟微波成像仪(TRMM)的九通道微波辐射亮温进行对比的结果表明：用TRMM卫星资料建立的云雨模型较好的反映了云降水系统的实际辐射情况;同时也看到,降水系统中上部冰层对上行辐射亮温影响巨大,值得进一步研究。     

AMSR-E微波数据反演裸地地表温度算法研究

利用AMSR-E被动微波数据,以撒哈拉沙漠地区为研究对象,基于搭载在同一颗卫星上的AMSR-E传感器和MODIS传感器同步观测成像的特点,将MODIS数据反演得到的裸地地表温度产品进行尺度上推.作为AMSR-E像元尺度的地表真实温度.在分析AMSR-E不同通道微波探测值所包含的不同信息特点的基础上,选出反演裸地地表温度较为有效的探测通道,利用多元线性回归的方法,建立经尺度上推后对应AMSR-E尺度的MODIS地表温度与AMSR-E各通道亮温之间的对应关系同,从而实现利用AMSR-E被动微波数据反演裸地地表温度的算法.经验证,反演计算的裸地地表温度误差在±3 K之间.该方法不仅对时间和空间的变化有一定的适应性.而且具有一定的物理意义,演结果可以较好地反映裸地地表温度的变化情况.     

登陆台风路径与降水分析

首先利用1979—2002年台风年鉴上的热带气旋纪要表进行分析，总结热带气旋的登陆数据，并根据热带气旋路径图归纳出线性、左折、右折三种路径的登陆热带气旋。利用欧洲中心每天4次（6小时预报）的总降水资料，将热带气旋作为一个整体来研究探讨它在海洋和陆地上的降水分布和演变特征，尤其是台风路径与降水分布之间的关系，弥补以往对热带气旋降水的研究只局限于陆地降水的不足。     

湘江流域多源降水与气温产品组合的径流极值模拟精度评价

为探究卫星遥感、再分析产品等多源数据组合径流极值模拟的精度,选取湘江流域TRMM、PERSIANN-CDR、CFSR以及实测数据的8种降水与气温组合,利用水文模型探究不同组合在各径流极值序列中的模拟精度。结果表明：在无实测数据的组合中,TRMM降水与CFSR气温、PERSIANN-CDR降水与CFSR气温2种组合的模拟结果分别最接近径流极高值与径流极低值实测值;除基准组合(实测降水、实测气温),实测降水与CFSR气温、TRMM降水与实测气温分别是径流极高值、径流极低值模拟精度最高的组合;在各径流极值序列中,CFSR降水与CFSR气温、CFSR降水与实测气温2种组合皆严重高估径流极值,最大高估可达651%,表现出模拟误差随径流值减小而增大的特征,其余组合皆低估径流,最大低估可达67.48%,且呈现出误差随径流值减小而减小的特点;降水产品在不同的径流极值序列中表现出的极端降水特征不同,径流极高值序列中TRMM较其他2种降水产品更能反映极端降水的发生频率以及无雨历时等特征,径流极低值序列中PERSIANN-CDR降水对极端降水强度、总量以及连续湿日特征的体现最好。     

Significant impacts of the TRMM satellite orbit boost on climatological records of tropical precipitation

With the unprecedented spaceborne precipitation radar(PR),the Tropical Rainfall Measuring Mission(TRMM) satellite has collected high-quality precipitation measurements for over ten years.The TRMM/PR data are nowadays extensively exploited in numerous meteorological and hydrological fields.Yet an artificial orbit boost of the TRMM satellite in August 2001 modulated the observation parameters,which inevitably affects climatological applications of the PR data and needs to be clarified.This study investigates the orbit boost effects of the TRMM satellite on the PR-derived precipitation characteristics.Both the potential impacts on precipitation frequency(PF) and precipitation intensity(PI) are carefully analyzed.The results show that the total PF decreases by 8.3% and PI increases by 4.0% over the tropics after the orbit boost.Such changes significantly exceed the natural variabilities and imply the strong effects of orbit boost on precipitation characteristics.The impacts on stratiform precipitation and convective precipitation are inconsistent,which is attributed to their distinct precipitation features.Further analysis reveal that the increased PI of stratiform precipitation is mainly due to the decreased frequencies of light precipitation,while the semi-constant PI of convective precipitation is caused by the concurrently decreased frequencies of light and heavy precipitation.A modification is applied to the post-boost PR precipitation data to retrieve the actual trends of tropical precipitation characteristics.It is found that the PI of total-precipitation approximately keeps invariable from 1998 to 2005.The total PF has no obvious trend over tropical oceans but decreases considerably over tropical lands.     

Change of precipitation intensity spectra at different spatial scales under warming conditions

The long-term change of the whole spectra of precipitation intensity in China is examined using observed daily data recorded at 477 surface stations for the period from 1961 to 2008. The results show a spatially coherent decrease of trace precipitation despite different reduction magnitudes among the regions. For measurable precipitation, significant regional and seasonal characteristics are observed. In autumn, the whole measurable precipitation decreased over Eastern China (east of 98°E). In summer and winter, a significant increase of heavy precipitation and decrease of light precipitation are detected south of Eastern China. In Western China, measurable precipitation is found to have increased in all four seasons. Composite analysis reveals a quasi-linear relationship between increasing surface temperature and precipitation on a global scale. The responses of precipitation at different intensities to the increased temperature are distinct, with a significant spectra-shifting from light to heavy precipitation. Compared with precipitation over the ocean, the amplification of heavy precipitation over land is relatively less, most likely constrained by the limited water supply. The response of regional precipitation to global warming shows greater uncertainties compared with those on the global scale, perhaps due to interference by more complex topography and land cover, as well as human activities, among other factors.     

多时间尺度下遥感降水产品与再分析降水产品在海河流域适用性对比分析

为了综合评估热带降雨测量卫星(tropical rainfall measuring mission,TRMM)、全球降水测量计划(global precipitation measurement,GPM)遥感降水产品和MERRA-2再分析降水产品在海河流域的适用性,基于流域内57个气象站点2014年3月—2018年2月期间的逐日实测降水数据,选用相关系数、均方根误差、平均绝对误差、相对误差等评价指标,对比分析三者在海河流域年、季、月多时间尺度观测精度.结果表明:在年、季、月时间尺度上,GPM数据与站点实测数据的相关性均为最优,TRMM相关性均最弱.在3种时间尺度下,MERRA-2再分析数据在海河流域的数据精度最高,GPM次之,TRMM数据误差最为明显.TRMM、GPM在年度、季度降水量上均存在一定的高估现象,TRMM表现出对降水的高估现象更加明显,但是夏季GPM相对误差略高于TRMM数据.总体上,3种降水产品在海河流域均具有较好的适用性,但MERRA-2与GPM在海河流域的适用性较好且优于TRMM,GPM在弱降水观测能力方面较TRMM明显增强,但强降水监测能力仍有待提升.     

雅鲁藏布江流域TRMM降水数据降尺度研究

为了获取我国西南典型缺资料地区雅鲁藏布江流域较高时空分辨率的降水空间分布数据,开展了复杂地形条件下的卫星降水资料降尺度方法研究.构建了基于TRMM降水数据的雅鲁藏布江流域降水时空降尺度模型,并利用搜集的降水实测数据对模型进行了率定和精度验证,结果表明:1)研究提出的水汽运移距离因子在雅江流域与降水具有很强的相关性,在构建的空间降尺度模型中其显著性优于传统地形指示因子DEM;2)TRMM降尺度结果较原始降水数据空间分布更为合理性且细节刻画能力更强,但统计精度月际差异明显,月R2值主要集中在0.5~0.9之间,RMSE值在3.7~40mm之间波动,且整体呈现随月降雨量增加而增大的趋势,个别月份由于降水观测极值出现而导致R2值不足0.1.日尺度上,降尺度结果受原始TRMM降水数据精度影响,平均精度R2不足0.3.     

孟加拉湾风暴过程TRMM日降水数据变分订正及精度检验

 利用逐日TRMM(3B42)和地面降水观测资料,对1998—2010年25个孟加拉湾风暴降水过程共184个降水日进行变分订正试验及精度检验分析,结果表明：① 通过变分订正方法迭代建立的TRMM广义的误差场具有一致收敛性,收敛时无论逼近值大小如何,当取精度≤0.001mm时,迭代次数均不超过800次;② 订正后的TRMM场能较好地反映了地面观测网天气尺度信息,对降水量的离散特征有较好的描述,在无观测的区域,TRMM信息得到了充分体现;③ TRMM值和TRMM订正值经过与未参与订正的100站观测值的平均均方根误差比较可知,所有订正后的样本的误差均小于订正前的误差,184个样本的平均误差由 3.73mm降低到了1.51mm,订正效果对减小TRMM场的误差是显著的

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利用Himawari-8卫星红外图像反演降雨

利用静止气象卫星Himawari-8的红外图像数据, 结合全球降雨测量计划的降水产品2AGPROFGMI, 通过将匹配的红外亮温和亮温差数据点与近地面雨强数据点一一对应, 使二者之间建立联系。利用静止气象卫星通道多的优点, 进一步建立多个以红外亮温(BT)、亮温差(BTD)以及近地面雨强为参数的二维和三维雨强查算表。通过反演试验, 找到能够较好地识别不同等级降雨强度的查算表, 其中三维查算表(BT10.4, BTD12.4-10.4, BTD6.2-7.3)对降雨事件表现出较高的检测概率(POD=0.8817)和较低的错判率(FAR=0.4042), 可以较好地判识降雨区域。