基于被动微波探测的海面气压反演理论和方法研究

发布时间：2020-05-01 23:01

【摘要】：海面气压是一个重要的气象参数,在数值天气预报、热带气旋监测分析以及气候学研究等大气科学领域均有非常重要的应用。针对目前的海面气压遥感探测方案时空分辨率低、无法全天候工作以及高风速情形下探测精度差等问题,本文首次提出一种基于氧气吸收带被动微波探测的海面气压反演方法,利用星载实测亮温数据建立了海面气压反演模型,并使用多源数据对反演模型进行了验证,利用本文研究成果可为气象应用及大气科学研究提供高精度、高时空分辨率、长期稳定的海面气压数据。本文基于大气辐射传输方程,建立了星载微波辐射计遥感海面气压的理论基础。对微波辐射计观测亮温和海面气压的直接关系进行了推导,并进行了仿真验证,证实微波辐射计可以通过对氧气的垂直柱总吸收的测量来实现海面气压的探测;开展了敏感度分析试验,证实位于氧气吸收带翼区通道的观测亮温对海面气压的变化敏感,适合用于海面气压估计,这为海面气压探测频率的选择提供了依据。提出了一种中低海况海面气压反演算法,利用美国联合极轨卫星系统SNPP卫星搭载的先进技术微波探测仪(ATMS)和我国风云3号C星搭载的新型微波温湿探测仪(MWHTS)的实测亮温数据实现了中低纬度(40°S-40°N)海面气压反演。将反演结果与分析数据、现场观测数据进行了对比,结果表明算法对晴空、云天、雨天海面气压的估计精度分别为2.0 hPa,3.0 hPa和3.5 hPa,能够实现全天候条件下的高精度反演。论文进一步开展了热带气旋条件下海面气压的反演试验,结果表明,算法虽然对中低风速情形下海面气压的估计精度较高,且具备较强的热带气旋识别能力,但是由于强热带气旋中心附近温度和湿度垂直分布的异常,导致该极高风速情形下(中心附近一分钟持续风速大于26 m/s)估计精度不够理想。针对热带气旋条件下大气温湿度异常对海面气压反演的影响,提出了一种同时使用微波辐射计观测亮温和热带气旋暖心亮温距平反演热带气旋海面气压场的算法。暖心亮温距平反映了热带气旋对流层顶的增暖程度,与热带气旋中心附近气压异常程度有关,它的引入使算法在极高风速时的估计精度有了明显提升。利用SNPP/ATMS和FY-3C/MWHTS实测数据实现了热带气旋海面气压场反演,经过与分析数据、现场观测数据的比较,表明算法对热带低压或热带风暴(中心附近一分钟持续风速小于32 m/s)、台风或飓风(中心附近一分钟持续风速大于32 m/s并小于50 m/s)以及强台风或强飓风(中心附近一分钟持续风速大于50 m/s)的中心气压的估计精度分别优于6.0 hPa、8.0 hPa和10.0 hPa,内核区域(以中心为圆心,2°圆半径内的区域)气压估计精度分别优于4.0 hPa、5.0 hPa和8.0 hPa。为了对50～60 GHz和118 GHz这两个不同的氧气吸收频段的海面气压探测能力进行比较,利用50～60 GHz辐射计SNPP/ATMS和118 GHz辐射计FY-3C/MWHTS的实测亮温数据实现了中低海况以及热带气旋天气的海面气压反演,并使用多源数据对它们的反演精度进行了验证和对比分析,结果表明50～60 GHz和118 GHz均具备较强的海面气压探测能力,中低海况时它们的探测能力基本相当,热带气旋情形下50～60 GHz辐射计的海面气压探测能力略优于118 GHz,这为低轨道卫星高空间分辨率气压探测和未来通过静止轨道实现高时间分辨率海面气压观测提供了参考。
【图文】：

SNPP 极轨气象卫星于 2011 年 10 月 27 日在美国加利福尼亚州范登堡发射，卫星轨道高度为 824km。其上共搭载有 5 种传感器，分别为：外可见光成像仪套件）、CrIS（交叉轨道红外探测仪）、CERES（云和地量系统）、ATMS（先进技术微波探测器）、OMPS（臭氧分布和测量套ATMS 为交轨扫描的微波辐射计，天线在一个垂直于卫星飞行轨迹的方描，通过天线反射面可以获得地球表面和大气系统的辐射信息。ATMS计的观测几何如图 1.1 所示[75]。它的每条扫描线有 96 个像元，扫描刈 km。通道 1 和通道 2 的星下点分辨率为 75 km、3～16 通道为 32 km、道为 16 km。ATMS 每天可以对同一区域进行两次观测。ATMS 的通道 1.3 所示。ATMS 共有 22 个通道，通道 3~15 设置在 50-60GHz 氧气吸收主要用于探测大气温度的垂直分布，本文后续章节将证实其同时具备海测能力；通道 18~22 设置在和 183.31GHz 水汽吸收带，主要用于探测的垂直分布；通道 1、2、16、17 设置在大气窗区，可以提供云水含量信

基于被动微波探测的海面气压反演理论和方法研究下部暖，出现强烈的对流运动，但由于大气稀薄，因此对流运动较对流层弱很多。自中间层顶到 800 km 高空属于电离层。电离层大气密度很小，几乎所有太阳短波辐射均被电离层气体吸收，因此气温随高度增加迅速升高，电离层顶气温可以高达 1000 K。由于该层大气密度小，因此氧分子和部分氮原子在紫外线和宇宙射线作用下被分解为原子，，并处于高度电离状态。图 2.1 所示为 1976 美国标准大气温度和密度廓线。可以看出，各个层的温度变化趋势具有明显差异，且对流层大气密度明显大于其它层。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P715.7

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 张欣;钱维宏;;南亚边缘海域热带气旋年频次与对流层风场变化的关系[J];北京大学学报(自然科学版)网络版(预印本);2007年01期

2 王桂付;秦德生;王云贵;;浅析台风的生成与发展规律[J];武汉航海(武汉航海职业技术学院学报);2006年04期

3 ;热带气旋、台风与飓风[J];水资源研究;2007年01期

4 李文军;;中山市三防办开发出热带气旋信息系统[J];珠江现代建设;1999年03期

5 单艳伟;;海警舰艇防范热带气旋措施研究[J];中国水运;2019年05期

6 王坚红;姜云雁;崔晓鹏;沈新勇;任福民;;1956～2012年浙闽登陆热带气旋降水精细化观测统计分析[J];大气科学;2018年01期

7 丑洁明;班靖晗;董文杰;胡川叶;代如锋;;影响广东省的热带气旋特征分析及灾害损失研究[J];大气科学;2018年02期

8 朱志存;尹宜舟;黄建斌;罗勇;;我国沿海主要省份热带气旋风雨因子危险性分析Ⅰ:基本值[J];热带气象学报;2018年02期

9 ;全球热带气旋移动速度减缓 极端降雨和风暴引发的损害或增加[J];浙江气象;2018年03期

10 麦子;李英;魏娜;;登陆热带气旋在鄱阳湖区的活动特征及原因分析[J];大气科学;2017年02期

相关会议论文 前10条

1 廖菲;李文婷;苏冉;齐彦斌;;近68年南海热带气旋突变统计特征[A];第35届中国气象学会年会 S4 2018年全国热带与海洋气象学术研讨——热带极端天气气候事件生成机理和预报技术学术研讨[C];2018年

2 秦颖;谭言科;黄泓;王学忠;;热带气旋海马的变性结构特征研究[A];第32届中国气象学会年会S1 灾害天气监测、分析与预报[C];2015年

3 唐晓东;张福青;;辐射日变化在热带气旋不同阶段的影响[A];第32届中国气象学会年会S1 灾害天气监测、分析与预报[C];2015年

4 沈晨薇;;西北太平洋强热带气旋高层流场的动量场分析[A];第33届中国气象学会年会 S1 灾害天气监测、分析与预报[C];2016年

5 余丹丹;王彦嘉;李就;关白告;;近65年南海热带气旋的气候变化特征[A];第二届中国沿海地区灾害风险分析与管理学术研讨会论文集[C];2014年

6 陈淑琴;黄辉;邵春海;林莲芬;;南海登陆热带气旋引起的长江三角洲地区的降水[A];首届长三角气象科技论坛论文集[C];2004年

7 江静;;西北太平洋热带气旋路径特征及其海温背景[A];第三届长三角气象科技论坛论文集[C];2006年

8 喜度;;近年来受地形影响的热带气旋分析[A];第五届长三角气象科技论坛论文集[C];2008年

9 陈惠芬;胡淳焓;陈学武;;影响青田热带气旋的时空分布及降水特征分析[A];第六届长三角气象科技论坛论文集[C];2009年

10 刘峰;钟加杰;;南海热带气旋0809号“北冕”对华南天气的影响[A];2009年海峡两岸气象科学技术研讨会论文集[C];2009年

相关重要报纸文章 前10条

1 记者 徐思萌 整理;热带气旋“法尼”肆虐印度和孟加拉国[N];中国应急管理报;2019年

2 冯玉婧;南亚为何多发热带气旋[N];中国应急管理报;2019年

3 本报记者 申敏夏;热带气旋越“丰满”越强大[N];中国气象报;2018年

4 记者 张梦然;全球热带气旋移动速度减缓[N];科技日报;2018年

5 专家顾问 中国气象局台风与海洋气象预报中心首席预报员 高拴柱 采访人 本报记者 卢健;“家门口”也能生出热带气旋[N];中国气象报;2018年

6 记者 吴鹏;欧盟发布二0一七人类星球地图集[N];中国气象报;2017年

7 记者 段昊书;港澳双发“十号风球”[N];中国气象报;2017年

8 记者 苏振华;加强防风宣传和隐患排除工作[N];珠海特区报;2017年

9 本报记者 吴越;挑战热带气旋预报难题[N];中国气象报;2015年

10 本报记者 段昊书;南太平洋热带气旋一年更比一年强？[N];中国气象报;2016年

相关博士学位论文 前10条

1 陈志伟;西太热带气旋的气候特征及对海洋热状态响应机理的研究[D];上海师范大学;2019年

2 张子瑾;基于被动微波探测的海面气压反演理论和方法研究[D];中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心);2019年

3 衡骏遥;热带气旋增强的平衡和非平衡动力学研究[D];南京信息工程大学;2017年

4 沈武;双涡旋自组织现象和台风暴雨预测研究[D];南京信息工程大学;2005年

5 丛春华;热带气旋远距离暴雨的研究[D];中国气象科学研究院;2011年

6 张兴海;南海热带气旋迅速增强的数值模拟[D];中国气象科学研究院;2017年

7 邢蕊;热带气旋、副热带高压及远距离降水间的关系研究[D];南京信息工程大学;2015年

8 马丽萍;气候变化对热带气旋活动的影响[D];南京信息工程大学;2009年

9 刘寅;卫星臭氧资料的质量控制与同化及其对热带气旋模拟的影响研究[D];南京信息工程大学;2015年

10 李大伟;高海况海面风场的微波反演技术及海洋对热带气旋响应的遥感观测研究[D];中国科学院大学(中国科学院海洋研究所);2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 李阳;西太平洋上层海洋中尺度冷涡对强热带气旋的响应[D];厦门大学;2018年

2 翟舒楠;台风水汽收支及与强度变化的关系[D];南京信息工程大学;2018年

3 金茹;高空外流层对热带气旋迅速增强的影响[D];南京信息工程大学;2018年

4 周皓宇;北半球夏季季节内振荡对西北太平洋天气尺度扰动和热带气旋活动的影响[D];南京信息工程大学;2018年

5 张文千;近38年西北太平洋热带气旋路径气候变化模拟与分析[D];南京信息工程大学;2018年

6 钱晓蕾;东亚高空纬向风季节内振荡对登陆中国大陆热带气旋活动的影响[D];南京信息工程大学;2018年

7 朱晓彤;垂直风切变影响下热带气旋眼的几何特征及眼壁倾斜研究[D];南京信息工程大学;2018年

8 郑培慧;热带气旋与中低纬度系统的相互作用对华南前汛期降水的影响[D];南京信息工程大学;2018年

9 张艺帆;南海与西北太平洋地区夏季热带气旋潜在生成指数的改进[D];南京信息工程大学;2018年

10 薛利成;基于红外卫星云图的热带气旋客观定位方法研究[D];浙江师范大学;2018年

本文编号：2647159