地基遥感大气水汽总量和云液态水总量的研究

介绍了地基微波辐射计遥感反演大气柱中的水汽总量和云液态水总量的辐射传输原理和反演方法。给出了实用的有气候代表性的北京地区4个季节的反演公式，并对反演公式进行了数值检验，分析了反演精度：春、夏、秋、冬4季水汽总量反演的相对标准偏差分别为3．1％、1．6％、2．2％和2．4％。用反演公式反演在香河探测的NASA微波辐射计资料发现：微波辐射计反演的水汽总量平均比探空测量值偏大O．21cm，二者的线性相关系数为0．988．均方根误差为0．16cm：云液态水总量除降水云天外．值均在0．1mm以下。     

地基GPS反演大气水汽总量的初步试验

1998年5~6月的“海峡两岸及邻近地区暴雨试验”(HUAMEX) 期间, 同时进行了小规模的地基GPS长时间连续估测大气水汽总量的外场试验。试验中应用探空和地面降水资料与GPS反演结果进行了比较分析。地基GPS反演的大气水汽总量与探空得到的大气水汽总量, 两者随时间演变的趋势一致, 两者估算的水汽总量平均偏低6.5 mm, 两者偏差的均方差为4.3 mm。GPS反演的大气水汽总量随时间明显的呈周期性变化, 平均周期为7.2天。从GPS反演的大气水汽总量随时间演变图上可以清楚地看出水汽的积累与释放过程, 并与地面降水存在一定的对应关系, 地面降水大多发生在GPS反演的水汽总量处于相对高值且变化率较大的时候。     

中国4个地点地基与卫星臭氧总量长期观测比较

对我国河北香河、云南昆明、青海瓦里关及黑龙江龙凤山地基观测臭氧总量与不同时期、不同卫星反演的产品差别特点进行比较,评估地基和卫星观测臭氧总量数据的质量信息以及近30年来我国不同区域臭氧总量的变化趋势特征。结果表明:4个站点的地基与卫星观测臭氧总量的绝对和相对差别分别为-5~10 DU和-5%~4%;日平均相对差别基本上呈现随机分布特征。TOMS算法反演的卫星臭氧总量与地基差别总体上要优于与DOAS算法反演的同期产品。地基与卫星臭氧总量差别呈明显的区域特点,可能反映了卫星反演计算中所需的臭氧、温度垂直分布等初始条件的纬度分布差异对卫星产品精度的影响。在过去30年,4个站点的臭氧总量在经历1993年前的显著降低后于1995—1996年逐渐回升,而瓦里关站在2001年前后的回升更为明显。     

云对中国区域卫星观测臭氧总量精度影响的检验分析

根据卫星和地基观测, 比较了我国香河、 昆明、 瓦里关和龙凤山四个站点臭氧总量自1979年以来的变化。卫星与地基观测的臭氧总量长期趋势比较一致, 表明臭氧总量均有下降趋势, 但是卫星与地基各自观测的结果仍存在着显著的差别。为研究卫星与地基臭氧总量的差别, 以地基观测臭氧总量为参考, 检验云对历史TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) 和GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) 臭氧总量精度的影响。结果显示: 云 (云量或云顶高度) 增加了卫星臭氧总量误差, 降低数据精度。随着地面云量的增加, TOMS、 GOME臭氧总量相对误差在上述四个地点呈现明显的上升趋势 (瓦里关最为明显), 但最大变化幅度没有超过2.0%。TOMS臭氧总量相对误差随地面云量变化呈现区域性特点, 香河与龙凤山 (代表着中纬度高臭氧总量区域)、 昆明与瓦里关 (代表中、 低纬度高原低臭氧总量区域) 分别为两个变化特点接近的区域。GOME臭氧总量相对误差与云之间关系的区域特征不明显。利用卫星遥测FRESCO (Fast Retrieval Scheme for Clouds from the Oxygen A\|band) 云信息检验GOME卫星臭氧总量精度的表明, 只有当云量大于5成后GOME臭氧总量才显示出相对误差增加的现象, 但无明显趋势; 随着FRESCO云顶高度的增加, GOME臭氧相对误差在香河、 瓦里关均呈现明显的上升趋势并有3%左右幅度的变化。TOMS臭氧总量相对误差随着地面有效反射率的增加而增大, 且误差幅度超过2%; TOMS\|N7臭氧总量比TOMS\|EP约高2.0%~3.0%。分析还表明, 云内和云以下臭氧柱浓度在反演的卫星臭氧总量中的贡献很可能被高估了。     

拉萨地区1998年夏季臭氧总量及垂直廓线的观测研究

该文根据1998年6~10月上旬在拉萨地区进行的臭氧总量及臭氧垂直廓线的观测结果, 并结合同期同纬度其他两个臭氧站数据资料, 证实了以拉萨地区为代表的青藏高原在夏季存在“臭氧低谷”的现象.分析表明, 地基和卫星观测的臭氧总量有一定误差. Umkehr观测反演结果表明夏季拉萨地区平流层臭氧分布和同纬度其他地区相比略有不同; 在对流层, 探空资料显示了该地区对流层臭氧有低值分布的特征.     

利用FY-3A近红外资料反演水汽总量

该文介绍了利用搭载在FY-3A卫星上的中分辨率光谱成像仪 (MERSI) 的近红外 (NIR) 通道反演大气水汽总量 (PWV) 的方法。根据预先建立的查找表,大气水汽总量可以通过水汽通道与窗区通道的卫星测值相比反演得到。对MERSI近红外水汽通道灵敏度进行估算,结果表明:处于吸收带两翼的905 nm和980 nm通道对不同水汽量的敏感性表现比较接近,对较大水汽含量最为敏感;当水汽较弱时,强吸收的940 nm通道非常敏感。基于这3个通道对水汽含量敏感性的不同表现,采用3个通道水汽总量的加权平均值作为PWV产品的最终反演值。文中设计了水汽总量业务算法反演流程,并基于FY-3A/MERSI最新观测资料进行晴空大气水汽总量的业务处理生成试验,顺利生成MERSI单轨道水汽总量产品及日拼图中国区域产品和全球产品,同时生成多天合成产品,产品反映出MERSI具有较好的近红外水汽探测能力。将卫星反演结果与探空数据进行初步比对检验,显示卫星反演值有20%~30%系统性偏低,需要进一步改进反演查找表。     

利用地基北斗站反演大气水汽总量的精度检验

采用上海市气象局建立的北斗气象站的2014年观测数据和我国自主研发的精密导航数据处理软件PANDA (position and navigation data analysist) 实现了基于北斗数据的大气水汽总量 (precipitable water vapor,PWV) 反演,并将利用北斗卫星信号解算的大气水汽总量 (W_BD) 结果与目前较为成熟的GPS卫星反演结果 (W_GPS) 和无线电探空反演结果 (W_Radio) 进行对比,研究表明:反演的W_BD与W_GPS的均方根误差均低于3.5 mm,反演的W_BD与W_Radio的均方根误差为3.6 mm,两种对比方式的相关系数均在0.95以上,反演方法以及地理位置的差异对于反演结果有一定影响;反演的W_BD能够很好地反映出大气中水汽的变化特征,对于气象短时临近预报、气候分析有指示作用。     

星载微波辐射计反演洋面非降水云区云水总量的研究

云水总量(也可称为液水路径)是一个重要的气象学和云雾物理参数。星载微波辐射计是目前监测全球范围内云水总量分布和变化的最强有力的技术手段。但由于云水总量的实测资料太少,给反演研究带来很大的困难。在本工作中,根据微波辐射传输模式,模拟计算“人工”资料样本,建立了AMSR-E 18.7 GHz~36.5 GHz六个极化通道云天-晴天亮温差与云水总量的线性回归关系,初步对云水总量的反演作了定性的研究。     

GPS遥感区域大气水汽总量研究回顾与展望

20世纪90年代以来，GPS气象学迅速发展成为一个前沿性、多学科交叉的研究领域，利用GPS技术探测大气水汽含量的研究取得了很大进展，有望在未来大气探测、天气预报和气候变化的研究和业务工作中发挥重要作用。文章论述了利用GPS遥感大气水汽总量的气象学意义，比较了该技术相对于其它探测方法的特点和优势，简介了GPS遥感大气水汽总量的类型以及地基GPS气象学的基本原理，对国内外近10年来在应用地基GPS技术遥感大气水汽总量方面取得的主要成果、应用现状及未来发展趋势做了综合性评述。最后，分析了该技术目前存在的主要问题。     

利用太阳光度计反演渤海湾西岸大气柱水汽总量

利用CE-318型太阳光度计936nm水汽吸收通道的太阳辐射观测值和太阳光度计在该通道的透过率与水汽量关系，采用瞬态法反演了渤海湾西岸大气柱水汽总量。结果表明：利用太阳光度计936nm通道可以反演晴空大气柱水汽总量，其局限性是要在晴空下使用；渤海湾西岸大气柱水汽含量时间分布极不均匀；不同季节晴空日的水汽含量日变化有所不同。     

大气背景场对云中液态水反演结果影响

基于机载对空微波辐射计GVR讨论应用BP神经网络算法反演液态水路径时大气背景资料对反演结果的影响,为合理选择训练样本获取更准确的液态水观测数据提供依据,同时有利于了解反演算法的探测适用范围。文章选择多个历史探空资料,按照历史资料时间序列长度、季节和区域进行分类,建立不同类样本集训练BP神经网络获取反演方程,选择样本检验集模拟计算每类反演方程的反演精度,通过反演精度对比分析大气背景资料差异在反演云中液态水时造成的影响。结果表明训练样本的大气背景时空差异影响反演结果,在一定时间范围内增加历史资料序列长度可以减小大气背景差异对反演误差的影响,但当时间序列长度到达一定程度时,增加历史样本量将不再是提高反演精度的一种有效措施。季节分类可以减小大气背景差异对反演误差的影响,但在实际应用中,资料分类带来样本容量减小,对一定时间序列长度的历史资料,按照季节进行分类并不能有效提高垂直累积液态水的反演精度。     

Cloud Base Height and Effective Cloud Emissivity Retrieval with Ground-Based Infrared Interferometer

Based on ground-based Atmospheric Emitted Radiance Interferometer (AERI) observations in Shouxian, Anhui province, China, the authors retrieve the cloud base height (CBH) and effective cloud emissivity by using the minimum root-mean-square difference method. This method was originally developed for satellite remote sensing. The high-temporal-resolution retrieval results can depict the trivial variations of the zenith clouds continu-ously. The retrieval results are evaluated by comparing them with observations by the cloud radar. The comparison shows that the retrieval bias is smaller for the middle and low cloud, especially for the opaque cloud. When two layers of clouds exist, the retrieval results reflect the weighting radiative contribution of the multi-layer cloud. The retrieval accuracy is affected by uncertainties of the AERI radiances and sounding profiles, in which the role of uncertainty in the temperature profile is dominant.     

Dynamical and Microphysical Retrieval from Simulated Doppler Radar Observations Using the 4DVAR Assimilation Technique

Based on a cloud model and the four-dimensional variational (4DVAR) data assimilation method developed by Sun and Crook (1997), simulated experiments of dynamical and microphysical retrieval from Doppler radar data were performed. The 4DVAR data assimilation technique was applied to a cloud scale model with a warm rain parameterization scheme. The 3D wind, thermodynamical, and microphysical fields were determined by minimizing a cost function, defined by the difference between both radar observed radial velocities and reflectivities and their model predictions. The adjoint of the numerical model was used to provide the gradient of the cost function with respect to the control variables. Experiments have demonstrated that the 4DVAR assimilation method is able to retrieve the detailed structure of wind, thermodynamics, and microphysics by using either dual-Doppler or single-Doppler information. The quality of retrieval depends strongly on the magnitude of constraint with respect to the variables. Retrieving the temperature field, cloud water and water vapor is more difficult than the recovery of the wind field and rainwater. Accurate thermodynamic retrieval requires a longer assimilation period. The inclusion of a background term, even mean fields from a single sounding, helped reduce the retrieval errors. Less accurate velocity fields were obtained when single-Doppler data were used. It was found that the retrieved velocity is sensitive to the location of the retrieval domain relative to the radars while the other fields have very little changes. Two radar volumetric scans are generally adequate for providing the evolution, although the use of additional volumes improves the retrieval. As the amount of the observations decreases, the performance of the retrieval is degraded. However, the missing observations can be compensated by adding a background term to the cost function. The technique is robust to random errors in radial velocity and calibration errors in reflectivity. The boundary conditions from the dual-Doppler synthesized winds are sufficient for the retrieval. When the retrieval is mainly controlled by the observations in the regions away from the boundaries, the simple boundary conditions from velocity azimuth display (VAD) analysis are also available. The microphysical retrieval is sensitive to model errors.     

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。     

由HIRS/3资料反演大气温度廓线的理论误差分析

将EOF与SVD方法相结合,利用HIRS/3卫星红外模拟资料和NCEP再分析资料,分析了反演大气温度廓线时的理论误差全球分布特征。结果表明,误差分布与纬度有一定的关系,中、高纬地区的绝对反演误差比低纬地区大,但其相对误差要小于低纬地区。相对误差结果反映出低纬地区的反演能力较差;同时像青藏高原这种大地形的存在对反演结果也有一定的影响。     

星载双频云雷达的云微物理参数反演算法研究

使用星载雷达模拟器输出的模拟数据,为星载双频云雷达选择了最佳的频点组合,并开展了双频联合反演云微物理参数的算法研究。结果表明:（1）在位于大气窗口的6组频点组合中,94/220 GHz的组合对滴谱参数的微小变化较为敏感,有利于进行双频的联合反演。综合考虑不同频点的探测能力、衰减以及工业部门的制造水平后,认为94/220 GHz可以作为未来星载双频测云雷达的探测频点。（2）双频反演中最核心的双波长比（DWR）和体积中值直径（D₀）的关系与冰晶粒子密度相关。当密度随着粒子直径变化时,DWR随着D₀单调递增,当粒子密度固定不变时,DWR-D₀曲线可能会出现非单调变化,从而使得固定密度时的反演比变密度时更加复杂。（3）后向迭代的双频反演算法同样适用于94/220 GHz进行云微物理参数的反演,并且对模拟数据的反演精度较高。此外,反演精度受到系统噪声以及定标精度的影响,为了满足反演精度的要求,系统噪声和定标误差应该控制在1 dBz以内。      

EFFECTS OF A CLOUD FILTERING METHOD FOR FENGYUN-3C MICROWAVE HUMIDITY AND TEMPERATURE SOUNDER MEASUREMENTS OVER OCEAN ON RETRIEVALS OF TEMPERATURE AND HUMIDITY

For Microwave Humidity and Temperature sounder (MWHTS) measurements over the ocean, a cloud filtering method is presented to filter out cloud- and precipitation-affected observations by analyzing the sensitivity of the simulated brightness temperatures of MWHTS to cloud liquid water, and using the root mean square error (RMSE) between observation and simulation in clear sky as a reference standard. The atmospheric temperature and humidity profiles are retrieved using MWHTS measurements with and without filtering by multiple linear regression (MLR), artificial neural networks (ANN) and one- dimensional variational (1DVAR) retrieval methods, respectively, and the effects of the filtering method on the retrieval accuracies are analyzed. The numerical results show that the filtering method can improve the retrieval accuracies of the MLR and the 1DVAR retrieval methods, but have little influence on that of the ANN. In addition, the dependencies of the retrieval methods upon the testing samples of brightness temperature are studied, and the results show that the 1DVAR retrieval method has great stability due to that the testing samples have great impact on the retrieval accuracies of the MLR and the ANN, but have little impact on that of the 1DVAR.     

NUMERICAL STUDY OF REMOTE SENSING OF CLOUD LIQUID WATER CONTENT BY SPACE-BORNE COMBINED RADAR-RADIOMETER

A retrieval method of microwave(MW)space-borne remote sensing of cloud liquid watercontent by the combined radar-radiometer is suggested.A three-layer cloud model is chosen torepresent the typical stratified precipitating cloud.The retrieval method mainly follows ourpreviously suggested scheme with some modifications.Numerical comparative study shows that inspace-borne remote sensing of cloud liquid water content by the combined method is much betterthan by radar only;Also the retrieval accuracy of cloud liquid water content may be improvedwhen using the three-layer cloud model in the combined method.     

NUMERICAL STUDY OF REMOTE SENSING OF CLOUD LIQUID WATER CONTENT BY SPACE-BORNE COMBINED RADAR-RADIOMETER*

A retrieval method of microwave(MW) space-borne remote sensing of cloud liquid water content by the combined radar-radiometer is suggested.A three-layer cloud model is chosen to represent the typical stratified precipitating cloud.The retrieval method mainly follows our previously suggested scheme with some modifications.Numerical comparative study shows that in space-borne remote sensing of cloud liquid water content by the combined method is much better than by radar only;Also the retrieval accuracy of cloud liquid water content may be improved when using the three-layer cloud model in the combined method.     

TMI微波亮温反演热带气旋KUJIRA(T0302)降水结构

利用热带降雨测量卫星的微波成像仪(TMI)和星载测雨雷达(PR)资料,选取2003年第2号热带气旋KUJIRA降水个例,采用高频通道直接组合方案和全通道间接对数组合方案建立了多频道线性回归算式,对4种不同分辨率(0.1、0.2、0.25、0.5)进行了TMI反演降水试验。结果表明,运用全通道间接对数组合法反演降水效果明显优于常用的高频通道反演效果,且更稳定,因此,低频通道微波信息在降水反演中的作用是不可忽视的。运用0.2和0.25分辨率反演降水效果优于0.1和0.5分辨率,其中0.2分辨率更具实际应用价值。