基于一维综合孔径微波辐射计的海面温度反演研究

Due to the low spatial resolution of sea surface temperature(T_S) retrieval by real aperture microwave radiometers,in this study, an iterative retrieval method that minimizes the differences between brightness temperature(T_B)measured and modeled was used to retrieve sea surface temperature with a one-dimensional synthetic aperture microwave radiometer, temporarily named 1 D-SAMR. Regarding the configuration of the radiometer, an angular resolution of 0.43° was reached by theoretical calculation. Experiments on sea surface temperature retrieval were carried out with ideal parameters; the results show that the main factors affecting the retrieval accuracy of sea surface temperature are the accuracy of radiometer calibration and the precision of auxiliary geophysical parameters. In the case of no auxiliary parameter errors, the greatest error in retrieved sea surface temperature is obtained at low T_S scene(i.e., 0.710 6 K for the incidence angle of 35° under the radiometer calibration accuracy of0.5 K). While errors on auxiliary parameters are assumed to follow a Gaussian distribution, the greatest error on retrieved sea surface temperature was 1.330 5 K at an incidence angle of 65° in poorly known sea surface wind speed(W)(the error on W of 1.0 m/s) over high W scene, for the radiometer calibration accuracy of 0.5 K.     

六盘山区夏秋季大气水汽和液态水特征初步分析

六盘山区是中国典型的农牧交错带和生态脆弱带,也是黄土高原重要的水源涵养地、生态保护区及国家级扶贫开发区。利用2017年6-11月隆德气象站地基多通道微波辐射计资料,结合同期平凉探空站及隆德地面降水等观测资料,分析了六盘山区夏秋季大气水汽、液态水变化特征。结果表明：六盘山区夏秋季在降水天气背景下,大气水汽含量和液态水含量均较高,分别为无降水天气背景下的1.4倍和7.0倍;降水天气背景下水汽在5000 m以下有明显的增加,且在此高度范围内的水汽密度随高度的递减率比无降水天气背景下明显偏小;各高度层的液态水相比无降水天气背景下均有明显增大,除6月外,主峰值均出现在0℃层高度层以下。六盘山区夏秋季各月中,6-9月。大气水汽含量高值区均出现在正午到傍晚时段,低值区均出现在日出前后;液态水含量在日出前、午后及傍晚分别出现峰值,最明显的峰值出现在午后。对一次对流性降水天气过程分析后发现,降水发生前40 min大气水汽含量和液态水含量出现两次明显的跃增,水汽向上输送不断加强,2500-7500 m高度的相对湿度明显增大。     

基于多源数据的湘北地区春季一次冰雹过程的观测分析

新型探测资料在强对流短临预报中发挥着重要作用.该文以2020年3月22日湘北地区春季一次冰雹过程为研究对象,运用多普勒天气雷达、风廓线雷达和地基微波辐射计等新型探测资料对该过程观测分析。结果表明：①此次过程发生在冷空气南下与南支槽前暖湿空气交汇背景下,受中低层切变线与急流影响,冰雹风暴生成前回暖明显,环境垂直风切变大;风暴由地面辐合线触发产生。②此次超级单体降雹过程在雷达回波中表现出“三体散射”、“V型缺口”、中气旋等特征;VIL、低仰角大风速核对冰雹、大风预警有很好的指示。③风廓线雷达探测到,风暴影响前超低空急流加强,中层有干侵入,低层垂直速度出现波动,风暴临近时超低空急流减弱。④地基微波辐射计监测发现,风暴影响前高空湿度增大,K指数、TT指数呈同趋势变化,而K指数预警灵敏度高于TT指数;风暴影响阶段,高空温度、相对湿度和大气不稳定指数出现不同程度跃升和突降。     

基于机载微波辐射计探测大气水汽通道饱和问题研究

183.31 GHz微波辐射计在探测低含量水汽时具有优势,但也存在通道饱和问题,定量研究该问题对明确该类型仪器探测水汽能力和适用范围具有重要意义。基于天津市人工影响天气办公室增雨飞机运-12搭载的183.31 GHz微波辐射计GVR（G-band water Vapor Radiometer）,采用探空资料对该辐射计4个通道进行饱和问题研究,定量计算其饱和阈值及探测灵敏度,分析各通道水汽探测能力及适用范围。结果表明:机载微波辐射计4个通道水汽探测灵敏度及饱和阈值与观测高度有关,当水汽含量较低时,通道1（（183±1）GHz）观测高度越高灵敏度越高,通道3（（183±7）GHz）和通道4（（183±14）GHz）观测高度越高灵敏度越低,通道2（（183±3）GHz）灵敏度几乎不受观测高度影响,通道1和通道4观测高度越高积分水汽探测饱和阈值越小,观测高度越低饱和阈值越大,通道2和通道3饱和阈值几乎不受观测高度影响。晴空条件下选择水汽探测能力最强的单通道对积分水汽含量进行反演,当积分水汽含量处于0—1.3、1.3—4.0和4.0—9.8 mm时,分别选择通道1、通道2、通道3作为反演通道,不同观测高度的积分水汽含量反演均适用。云的发射作用使辐射计各通道亮温升高,亮温升高幅度与云液态水含量、云与观测高度的距离及云厚有关,云液态水含量越大,各通道水汽探测灵敏度及饱和阈值越小;云天条件下选择水汽探测能力最强的双通道对积分水汽含量进行反演,以液态水路径区间来选择合适的水汽探测通道,液态水含量越高,积分水汽可探测范围越小。要探测到0.1 mm的积分水汽含量变化,机载微波辐射计（GVR）在晴空条件下的水汽探测适用范围为0—9.8 mm,其探测能力在云天条件下减弱,水汽探测适用范围因云液态水含量不同而不同。      

微波辐射计在对流天气预报中的应用

选取2016—2018年每年4—9月份RPG-HATPRO型42通道微波辐射计观测的不稳定指数参数(K、SI、CAPE、LI)及水汽参数(IWV、LWP),研究得出各参数触发雷雨大风、短时强降水的阈值条件为K>37℃、SI<-1℃、IWV>60 kg/m~2、LWP>400 g/m~2,而LI、CAPE无法对3种天气类型进行区分。利用费舍判别分析方法,将不稳定指数参数及水汽参数作为预报因子,建立预报方程并进行检验,结果表明:二级判别方程预测对流天气的准确率为76%,可以作为预报对流天气的辅助工具;多级判别方程不能很好地区分3种天气类型,但将其作为修正后的二级判别方程使用,能提高对流天气的测中概率。     

基于微波辐射计的短时强降水潜势预报

微波辐射计可获取高时间分辨率的大气层结信息,为探索其在短时强降水预报方面的应用潜力,利用微波辐射计仪器获得对流参数特征,提取对短时强降水敏感的对流参数作为预报因子,并利用叠套法建立短时强降水潜势预报。结果表明:液态水路径LWP、SI、LI、CAPE、KOI这5种参数可作为预报因子建立潜势预报,经验证后得出短时强降水的POD、CSI、FAR分别为53.85%、50.01%、12.49%;另外,研究利用LWP的标准偏差在短时强降水发生前明显增大的特征改进预报,POD和CSI分别提升至73.08%、63.33%,FAR虽然增加至17.39%,但增量仅有4.9%。改进后的短时强降水预报效果提升明显,这说明水汽参数LWP在短时强降水预报中有较强的指示意义。     

珞珈一号夜间灯光影像在建设用地提取中的应用:以武汉市为例

城市建设用地能够反映城市建设发展在地域空间上的分布形态,是规划主管部门监测城市建设和扩张的关键指标。2018-06-02发射的珞珈一号卫星可提供130 m分辨率的夜间灯光数据,在城市建设用地的提取方面具有较大潜力。首先整合珞珈一号夜间灯光影像与Landsat 8多光谱影像以及网络地图兴趣点数据;然后分别采用人类居住合成指数和阈值法对武汉市进行建设用地提取;最后与可见光红外成像辐射仪(visible infrared imager radiometer suite,VIIRS)夜间灯光影像采用相应方法得到的结果进行对比。结果发现,珞珈一号影像与Landsat影像整合后采用人类居住合成指数的方法提取的建设用地最准确,其Kappa系数为0.769;VIIRS与Landsat 8影像整合后采用相同方法得到的建设用地,其Kappa系数为0.702;夜间灯光影像与兴趣点数据结合进行建设用地提取的精度有所下降,兴趣点数据分别与珞珈一号、VIIRS夜间灯光影像结合得到的建设用地,其Kappa系数分别为0.618、0.574;珞珈一号、VIIRS夜间灯光影像采用简单阈值法进行建设用地提取,其Kappa系数分别为0.503、0.482。该实验结果表明,珞珈一号夜间灯光影像数据具有更高的空间分辨率和更加丰富的空间细节,是进行城市建设用地提取的理想数据源。     

一维综合孔径微波辐射计遥感海面温度的敏感性分析

一维综合孔径微波辐射计能够有效提高观测的空间分辨率，其观测入射角通常在0°~55°范围内变化。为了开发适用于一维综合孔径微波辐射计的海面温度反演算法，需要评估其观测亮温对海洋大气环境要素的敏感性。利用海面发射率模型和大气辐射传输模型，构建了适用于一维综合孔径微波辐射计的微波海洋大气辐射传输模式，研究了C波段垂直和水平极化微波辐射亮温在不同入射角下对海洋大气环境要素的敏感性变化情况，并定量计算了相应的敏感系数。结果表明:垂直和水平极化亮温对海洋大气环境要素的敏感性表现出不同的特性。随着入射角的增大，垂直极化亮温对海面温度的敏感性增强，对海面风场的敏感性相对减弱；水平极化亮温则相反。由大气水汽含量和云液态水含量误差引入的垂直和水平极化亮温误差随入射角增大而增大，但是，即使在55°的大入射角下垂直和水平极化亮温误差仍小于0.12 K。对于海面温度反演精度优于1 K的要求，一维综合孔径微波辐射计的测温精度需优于0.6 K。研究结果对于一维综合孔径微波辐射计海面温度反演算法的研究和载荷设计具有一定的理论指导意义。     

A new soil freeze/thaw discriminant algorithm using AMSR‐E passive microwave imagery

The soil freeze–thaw controls the hydrological and carbon cycling and thus affects water and energy exchanges at land surface. This article reported a newly developed algorithm for distinguishing the freeze/thaw status of surface soil. The algorithm was based on information from Advanced Microwave Scanning Radiometer Enhanced (AMSR‐E) which records brightness temperature (Tb) in the afternoon and after midnight. The criteria and discriminant functions were obtained from both radiometer observations and model simulations. First of all, the microwave radiation from freeze–thaw soil was examined by carrying out experimental measurements at 18·7 and 36·5 GHz using a Truck‐mounted Multi‐frequency Microwave Radiometer (TMMR) in the Heihe River of China. The experimental results showed that the soil moisture is a key component that differentiates the microwave radiation behaviours during the freeze–thaw process, and the differences in soil temperature and emissivity between frozen and thawed soils were found to be the most important criteria. Secondly, a combined model was developed to consider the impacts of complex ground surface conditions on the discrimination. The model simulations quite followed the trend of in situ observations with an overall relation coefficient (R) of approximately 0·88. Finally, the ratio of Tb18·7H (horizontally polarized Tb at 18·7 GHz) to Tb36·5V was considered primarily as the quasi‐emissivity, which is more reasonable and explicit in measuring the microwave radiation changes in soil freezing and thawing than the spectral gradient. By combining Tb36·5V to indicate the soil temperature variety, a Fisher linear discrimination analysis was used to establish the discriminant functions. After being corrected by TMMR measurements, the new discriminant algorithm had an overall accuracy of 86% when validated by 4‐cm soil temperature. The multi‐year discriminant results also provided a good agreement with the classification map of frozen ground in China. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于星载红外辐射计的北极海表温度数据对比分析

本文基于2016年MODIS(ModerateResolutionImagingSpectroradiometer)-Aqua、MODIS-Terra和VIIRS(Visible Infrared Imager Radiometer Suite)三种红外辐射计的海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)数据,统计了北极地区红外SST1月和7月的覆盖率及有效覆盖天数,并与Argo(Arrayfor Real-timeGeostrophicOceanography)浮标数据进行了匹配验证,直观获取北极SST误差分布情况并研究SST遥感观测能力,为更好地了解北极地区从而应对气候变化提供一定的资料基础。结果表明,北极地区红外辐射计SST数据7月的覆盖率和有效观测天数均高于1月,1月三种数据相差不大,7月VIIRS的覆盖率和有效观测天数均优于MODIS-Aqua和MODIS-Terra,联合三种红外辐射计的覆盖率和有效观测天数相较于单星有所增加, 1月覆盖率最高为8%, 7月最高接近70%,表明多星联合探测是提高北极地区SST数据覆盖率和观测天数的有效方法;北极地区SST数据的误差普遍高于全球总体水平, VIIRS白天、夜间的均方根误差(E_(rms))均低于MODIS-Aqua和MODIS-Terra, MODIS-Aqua白天SST的E_(rms)高于MODIS-Terra,夜间则低于MODIS-Terra。综合来看, VIIRS在北极的覆盖率、有效观测天数及与浮标的匹配结果在三种红外辐射计中为最优。