星载微波辐射计遥感不同天气条件下的海面风场和降雨研究
发布时间：2020-08-21 14:05
【摘要】：微波辐射计作为空间被动遥感的主要载荷,其在海面风场、降雨率等海洋大气地球物理要素的探测中发挥着重要作用。极化微波辐射计作为一种新型的被动微波探测仪器,近年来,在我国也掀起了对其研究热潮,军民领域都有发射星载极化微波辐射计的需求。本文以极化微波辐射计地面应用需求为主导,对晴空下海面风场以及台风等恶劣气象条件下的海面风场和降雨率反演等科学问题展开研究,以期为我国极化微波辐射计的地面应用系统提供技术支撑。辐射传输模型是一个量化介质辐射能量的解析模型,其在星载微波辐射计海面风场反演和辐射计的交叉定标中有着广泛的应用。作者从大气微波辐射传输理论出发,利用现有成熟的大气吸收模式和海洋双尺度模型构建了一个适用于海面风场反演的参数化辐射传输正演模型,研究发现:在正演模型的计算中,偏差主要来自大气算法部分,频率越高,大气算法计算的偏差越大,不同频率的海洋算法偏差相差不大,在实际应用中,可以利用现场测量数据进行大气算法的偏差校正。此外,作者基于微波辐射传输模型和数值预报的再分析数据,开展了HY2扫描微波辐射计的星上交叉定标研究,分析了传感器观测亮温偏差特征和仪器工作性能的稳定性,提出了一个基于观测亮温的偏差修正公式。根据极化微波辐射传输理论,作者利用美国发射的全球第一个星载全极化微波辐射计WindSat的在轨实测数据反演了晴空下的海面风场、海表面温度、大气水汽含量以及云中液态水含量这四个海洋大气环境要素。研究结果进一步证实了星载全极化微波辐射计遥感海面风场的能力。利用混沌粒子群算法在求解多峰函数极值上的优势,对海面风速和风向进行了精确搜索。海面风向的反演精度一定程度上随着海面风速的增加而增加,针对这一特征,作者提出了一个带风速权重因子的圆中数滤波函数,结合数值预报模式做背景场,实施了最后的风向去模糊过程。与QuikSCAT的风向相比,WindSat反演的海面风向精度优于20o。星载微波辐射计的一个重要应用就是对灾害性天气的监测。在台风等恶劣气象条件下,利用低频通道(6.9和10.7 GHz)的垂直和水平极化亮温仍可以开展降雨下的海面风速研究;由于降水信号和风速信号在亮温中体现的较为相似,直接利用单一通道对风速进行反演往往会引入一定的不确定性。通过不同通道亮温组合方式,以期寻找到一种通道组合其可以最大限度地保留亮温中的风速信号而减少亮温中的降水信号,作者基于这个思路构建了两个与风速相关的亮温截断量W6H和W6V,利用这两个亮温截断量提出了一个反演台风海面风速的新模型。利用三种不同传感器(WindSat、AMSR-E和AMSR2)的6.9和10.7 GHz的水平和垂直极化通道亮温分别对风速反演模型进行建模和验证。模型反演精度高,与H*wind再分析风速以及机载SFMR的风速均具有较好的一致性;同时,典型台风或飓风的个例反演结果表明本文的台风海面风速反演算法可用于监测台风强度的动态变化特征。台风切线风向沿台风半径一周大约变化360o,对称区域风向存在着180o的相位差,这将使得WindSat观测到的TB_3出现正负号的转变,这预示着我们可以利用TB_3来反演台风风向。极化通道的观测亮温主要是经大气衰减的海表面辐射信息,几乎不含有大气上下行辐射的贡献,经过大气校正后的TB_3和TB_4可以用于台风海面风向的研究。实际数据分析表明:TB_3和TB_4随风向表现出了一定程度上的方向性变化特征。其中,10.7 GHz的TB_3在不同风速区间的峰值信号较为明显,当风速在20~30 m/s和30~40 m/s变化时,TB_3约有2~3 K的峰值信号,10.7 GHz的TB_4有约1~1.5 K的峰值信号,且体现的风向信号主要由第一谐波系数主导。针对这一特征,作者建立了不同观测通道的风向谐波系数模型,并提出了一个反演台风海面风向的技术方案。典型飓风伊莎贝尔、费边和艾琳的风向反演结果与H*wind风向在总体上具有较好的一致性;受强降水和复杂海况的影响,部分海域的风向反演结果与H*wind的风向出现了一定的偏差。被动微波测量可以很好地描述雨滴的发射和冰晶粒子的散射信息,其在全球海面降雨的观测中发挥着重要的作用。在热带气旋控制的海面,即使在较高的风速下,降雨引起的卫星大气层顶部接收到的7.3和6.9 GHz水平极化通道间的亮温差总体上要大于海表面微波辐射的影响。当有一定强度的降雨发生时,7.3和6.9 GHz水平极化通道间的亮温差对一定范围内的降水变化(25 mm/h)具有较好的敏感性,这在10.7和6.9 GHz以及10.7和7.3 GHz的水平极化通道间的亮温差中也有很好地体现。利用这一特征,作者定义了一个与降雨相关的降雨因子(WRH),分析发现:当降雨率在0~25 mm/h范围内变化时,WRH的改变幅度约为28 K;在25~60 mm/h范围内变化时,WRH的改变幅度约为12 K。利用这个降雨因子,作者建立了一个快速高效的热带气旋海面降雨率反演模型,模型反演结果与GPROF降雨率的一致性较好,相关系数为0.98,均方根偏差优于1.19 mm/h,模型反演的最大雨率可以达到60 mm/h。超强台风夏浪、艾妮莎以及天鹅等降雨反演结果表明本文的降雨模型可以用于监测台风降雨的动态发展。
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P715.7;P732
【图文】：
遥感在广义上泛指一切无接触的对目标或介质信息的获取。从现代技术层面，遥感是利用飞机、宇宙飞船或卫星等平台从较远距离对地球或某一行星的环数进行测量的一种探测技术。任何介质或目标都具有吸收、反射、透射以及辐磁波的特性，当目标物与电磁波发生相互作用时会形成介质或目标物的电磁，这就为遥感探测提供了信息源基础。目前，遥感所使用的电磁波波段主要是外线、可见光、红外线到微波波谱。按照传感器的探测波段，可将其大致分为遥感（波长 0.05~0.38μm）、可见光遥感（波长 0.38~0.76μm）、红外遥感（波.76~1000 μm）以及微波遥感（1mm ~1m）。微波遥感在观测地球大气和表面要素中发挥着重要的作用，目前已被广泛应海面风场、海表温度、海面高度、海洋盐度、土壤湿度、水汽含量、云中液态量以及降水等[1,2]要素的全球测量。不依赖太阳作为照射源，微波遥感具有全工作的能力。不同于可见光和红外遥感，微波遥感具有穿透云层和在某种程度透雨区的能力，图 1.1 给出了微波频谱在大气中的透过率与其它频谱的比较果参考于 NASA）。此外，微波遥感还可以提供不同于红外和可见光遥感的观息。
波遥感只是通过天线设备接收在天线视场范围内射的微波能量。被动微波遥感设备常被称为微波辐可以对金属目标进行检测和定位[3]；在地球科学领气中的水汽含量、云中液态水含量、表面降雨率、、海水盐度以及海冰等诸多要素，如此多的应用使中的关注对象。一个重要特征就是海洋覆盖着约 71%的地球表面97%的水资源，它对全球天气和气候的变化有着重热量的主要来源。被海洋吸收的太阳辐射能量约的 70%左右，部分能量会以长波辐射、感热和潜表面风在这个能量的传递过程中起到了重要的作用通量和潜热通量的重要输入参数之一就是海表面数值预报模式最基本的输入参数之一。此外，海面测要素，其对于航母舰载机的起降、潜艇的活动、影响。因此，研究海洋表面风场意义深远。
国防科技大学研究生院博士学位论文 Ё ( Ё Ё )方式的泡沫发射率见式（2-55）， Ё ( 温度、 为频率、宋鄄馊肷浣恰
本文编号：2799471
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P715.7;P732
【图文】：
遥感在广义上泛指一切无接触的对目标或介质信息的获取。从现代技术层面，遥感是利用飞机、宇宙飞船或卫星等平台从较远距离对地球或某一行星的环数进行测量的一种探测技术。任何介质或目标都具有吸收、反射、透射以及辐磁波的特性，当目标物与电磁波发生相互作用时会形成介质或目标物的电磁，这就为遥感探测提供了信息源基础。目前，遥感所使用的电磁波波段主要是外线、可见光、红外线到微波波谱。按照传感器的探测波段，可将其大致分为遥感（波长 0.05~0.38μm）、可见光遥感（波长 0.38~0.76μm）、红外遥感（波.76~1000 μm）以及微波遥感（1mm ~1m）。微波遥感在观测地球大气和表面要素中发挥着重要的作用，目前已被广泛应海面风场、海表温度、海面高度、海洋盐度、土壤湿度、水汽含量、云中液态量以及降水等[1,2]要素的全球测量。不依赖太阳作为照射源，微波遥感具有全工作的能力。不同于可见光和红外遥感，微波遥感具有穿透云层和在某种程度透雨区的能力，图 1.1 给出了微波频谱在大气中的透过率与其它频谱的比较果参考于 NASA）。此外，微波遥感还可以提供不同于红外和可见光遥感的观息。
波遥感只是通过天线设备接收在天线视场范围内射的微波能量。被动微波遥感设备常被称为微波辐可以对金属目标进行检测和定位[3]；在地球科学领气中的水汽含量、云中液态水含量、表面降雨率、、海水盐度以及海冰等诸多要素，如此多的应用使中的关注对象。一个重要特征就是海洋覆盖着约 71%的地球表面97%的水资源，它对全球天气和气候的变化有着重热量的主要来源。被海洋吸收的太阳辐射能量约的 70%左右，部分能量会以长波辐射、感热和潜表面风在这个能量的传递过程中起到了重要的作用通量和潜热通量的重要输入参数之一就是海表面数值预报模式最基本的输入参数之一。此外，海面测要素，其对于航母舰载机的起降、潜艇的活动、影响。因此，研究海洋表面风场意义深远。
国防科技大学研究生院博士学位论文 Ё ( Ё Ё )方式的泡沫发射率见式（2-55）， Ё ( 温度、 为频率、宋鄄馊肷浣恰
本文编号：2799471
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