高光谱红外探测仪温湿度廓线在华东地区的真实性检验

卫星高光谱红外资料可提供高时空分辨率的温湿度廓线信息,是数值天气预报模式重要的数据源.高光谱红外大气探测仪的温湿度产品资料的质量控制和观测误差描述是同化应用效果的关键.探空资料是对温湿度垂直信息的直接测量,具有较高精度,而汛期加密探空观测(北京时14:00)具有与AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)卫星过境时间相匹配的优势,可以较好地验证AIRS反演的廓线产品精度.研究选取中国华东地区,利用2015年夏季的加密探空资料与AIRS反演产品进行时空匹配处理.研究结果表明,AIRS反演的温度廓线精度较高,整体RMSE分布区间为[1.02℃,2.49℃];而湿度廓线整体上呈现低层偏干高层偏湿现象,RMSE分布区间为[12.91%,23.43%];AIRS和AMSU(Advanced Microwave Sounding Unit)联合反演产品中,随着云覆盖范围的增加,温湿度廓线反演精度逐渐降低,但整体上依然保证一定精度,其为将来开展有云覆盖条件下的卫星资料同化应用提供依据.     

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.     

利用第二类正则变换方法反演COSMIC掩星探测数据

为了验证第二类正则变换(CT2)方法反演折射率的精度,选取2007-2009年1月和7月的气象、电离层和气候观测系统星座(COSMIC)附加相位和振幅数据,利用CT2方法处理得到折射率,并与利用全谱反演(FSI)方法得到的COSMIC折射率数据、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)分析资料折射率进行对比。结果表明,CT2方法反演的折射率、COSMIC折射率以及ECMWF分析资料折射率的平均偏差在1~40km均不超过1%;在1~15km,CT2方法和FSI方法反演的折射率与ECMWF分析资料折射率的平均偏差均在1%以内;CT2方法与ECMWF分析资料折射率偏差的标准差小于FSI方法的。总的来说,CT2方法和FSI方法都具有很高的反演精度,但随着水汽含量的增加,CT2方法和FSI方法的反演精度会降低,并且CT2方法反演的不确定性小于FSI方法。     

支持向量机方法反演温湿廓线

为提高温湿廓线反演效率,提出了一种基于支持向量机(SVM)反演大气温湿廓线的方法。利用欧洲中期天气预报中心(ECMW F)的RTTOV-8-7前向辐射传输模式和60L-SD廓线集生成了AM SU模拟亮温资料,对模拟亮温资料进行温湿廓线反演试验。试验发现:相对于多元统计回归反演方法,地面至10 hPa层次温度反演平均均方根误差减少了11.5%,温度反演误差分布与权重函数峰值能量高度层分布的密集区域基本一致;水汽反演优于统计反演方法较多,在地面,SVM水汽反演误差减少了39.9%。反演实验说明,SVM可以较好地描写温湿廓线反演中非线性映射关系。分别比较模拟亮温中加入1、2、3倍噪声的情况,发现该方法反演温湿廓线均具有较好的抗噪声作用。     

用AMSU资料反演西北太平洋海域大气湿度廓线的研究

采用快速辐射传输模式RTTOV对AMSU所有通道进行水汽廓线的敏感性分析, 并根据模式计算结果逐步剔除相关性小的预报通道, 建立两种水汽廓线反演的统计回归模型;之后利用2006年7月NOAA-16卫星AMSU亮温资料, 计算不同算法下的反演系数矩阵, 回归得出大气水汽廓线。反演廓线经与NCEP 廓线比较, 得到0600UTC 和1800UTC 比湿反演的各层偏差(RMS)分别在1.4g/kg 及1.7g/kg 以内。个例分析发现, 反演廓线与NCEP廓线趋势一致; 反演比湿场可定位台风云区及水汽供应输送带, 具有一定的揭示台风结构的能力。     

Landsat-8影像地表温度反演算法对比分析

针对Landsat-8数据地表温度(land surface temperature,LST)反演中单通道(single-channel,SC)算法和劈窗算法(split-window algorithm,SW算法)在不同区域的反演精度的不一致性问题,以NOAA地表辐射通量网(surface radiation budget net-work,SURFRAD)中不同地表覆盖类型和不同海拔高度的3个站点为验证站点,选取2018年1月1日—2019年6月30日质量较好的37景不同季节的Landsat-8影像,基于站点实测温度,对比分析Jiménez-Mu?oz等提出的普适性SC(generalized SC,GSC)算法与SW算法的地表温度反演精度.结果表明:GSC算法与SW算法的反演精度呈现出一定的季节依赖性.在春季与冬季,GSC算法的平均绝对误差(mean absolute error,MAE)在1 K左右,SW算法的MAE高于1 K,GSC算法的均方根误差(root mean square error,RMSE)较SW算法分别低约0.37、0.13 K.GSC算法的精度较高,其中,在春季,GSC算法的精度比SW算法精度高约0.53 K;在冬季,GSC算法的精度比SW算法精度高约0.14 K.在夏季与秋季,GSC算法与SW算法的MAE都小于2 K,但SW算法的精度较高.其中,在夏季,GSC算法的精度比SW算法精度低约0.35 K;在秋季,GSC算法的精度比SW算法精度低约0.25 K,GSC算法的RMSE较SW算法高约0.24 K.2种算法与实测温度的相关系数分别为0.9907、0.9922,表现出较为强烈的相关性,SW算法相关性更高.     

风云三号卫星紫外臭氧垂直廓线反演算法及对比反演试验

从正演模型和反演计算两个方面,介绍风云三号卫星紫外臭氧垂直廓线反演算法FY-V1．0,并比较了与美国NOAA目前两种业务反演算法V6和V8的差异．利用美国NOAA／SBUV（／2）的L1b观测数据,开展FY-V1．0与V8的对比反演试验．对比反演试验结果表明：在全球低（纬度数〈30^o）、中（30^o≤纬度数〈60^o）、高（60^o≤纬度数〈90^o）3个纬度带,FYV1．0反演廓线都与V8产品很好地吻合,FY-V1算法相对反演精度在±2％以内．初步分析表明,卫星紫外臭氧垂直廓线反演算法的误差主要有3个来源：一是下垫面理想化假设,二是多次散射和反射辐射的辐射查算表插值计算,三是先验臭氧廓线X0缺乏对中国区域的代表性．分析认为,未来FY-V1．0算法反演精度改进主要在二个方面：一是利用TOMRAD模式开展多次散射和反射辐射的直接计算,代替目前的辐射查算表插值计算方法;二是通过增加臭氧廓线气候数据库中国区域廓线,或者改进中国区域先验臭氧廓线X0生成方法,改进其对中国区域的代表性．     

基于GPS掩星技术反演大气参数模型的优化

准确掌握地球大气中的水气分布，了解水气变化趋势对天气现象、全球气侯变化、数值预报有重的理论价值和实用价值.以无线电掩星技术为基础，利用掩星数据反演大气参数剖面，论证了原反演模型的不足，并给出了反演个例.引入ECMWF先验温度T，再通过线性迭代的方法反演对流层下部水汽廓线原理，给出了优化后模型反演个例，并对模型优化后反演廓线中存在的问题进行了分析，提出了下一步优化方向.     

特征向量数量对反演大气参数的影响

大气温湿信息是天气预报、研究和业务的主要参教。具有通道多、信息量大、光谱窄等优点的AIRS已逐渐成为大气垂直探测的主流和方向。如何从卫星观测到的辐射测值推算出大气参数显得尤为重要。本文运用特征向量法反演晴空大气温度、臭氧廓线,试验不同数量的特征向量对反演晴空大气温度等参数精度的影响。结果表明适当增加特征向量的数量,对改进反演大气温度、臭氧廓线的精度有明显改善。     

附加气溶胶信息以改进地表温度反演算法

FY-3A上搭载的中分辨率成像光谱仪(MERSI)和扫描辐射计(VIRR)都包含热红外通道,可用于地表温度的反演。结合热红外通道的光谱响应函数,用MODTRAN模拟清洁大气、城市气溶胶、乡村气溶胶和沙尘气溶胶条件下的亮温值,通过分裂窗算法求解不同气溶胶类型和光学厚度下的地表温度。结果表明:气溶胶类型和光学厚度之间的差异会造成热红外通道的亮温差发生变化,这一现象在VIRR的热红外通道表现得尤为显著。通过拟合系数和气溶胶光学厚度之间的关系建立新的反演算法,发现:在分裂窗算法基础上加入气溶胶光学厚度这一参量之后,地表温度反演的均方根误差有所降低,尤其是在气溶胶浓度高时改进效果更佳,其中对城市气溶胶这一类型改善效果明显(RMSE由0.814 K下降到0.442 K,BIAS从0.998K降到0.668 K)。