FY-3C卫星微波湿温探测仪反演大气温湿廓线研究

发布时间：2017-12-15 13:18

  本文关键词：FY-3C卫星微波湿温探测仪反演大气温湿廓线研究

  更多相关文章： FY-3C MWHTS MWTS-II 一维变分算法 MWHTS温湿反演系统

【摘要】：大气温度和湿度是描述大气状态的两个重要参数,在气候变化研究、当前天气分析以及数值天气预报等大气科学领域具有重要的应用。星载微波遥感观测具有覆盖广、连续观测、全天候和全天时观测等优点,是大气温湿参数信息获取的重要手段。微波湿温探测仪(Microwave Humidity and Temperature Sounder,MWHTS)是新一代极轨气象卫星风云三号C星(Fengyun-3C,FY-3C)的主要有效载荷之一,是集湿度和温度探测于一体的微波辐射计,具有同时探测大气湿度和温度的能力。本文以MWHTS观测资料为研究对象,建立了MWHTS温湿廓线反演系统,目的在于提供高精度的大气温湿廓线,满足在大气科学领域中对大气温湿参数的各种应用需求。本文首先分析了大气微波辐射传输原理和大气微波遥感探测原理,对比了国际上广泛使用的大气吸收系数模型。考虑到业务化大气参数反演对时效性的要求,对快速辐射传输模型RTTOV(Radiative Transfer Model for TOVS,RTTOV)进行了介绍,并与逐线积分辐射传输模型进行了模拟精度对比,表明了RTTOV的实用性。同时,对基于微波观测资料的大气温湿廓线反演方法的原理进行了阐述,对比了各种反演方法的优缺点,为后续MWHTS温湿反演系统的建立提供理论支持。本文采用基于物理反演方法的一维变分反演算法对MWHTS在晴空条件下海洋上空观测资料进行反演研究。详细分析了影响一维变分反演算法反演结果的各个因素,建立了MWHTS海洋晴空温湿廓线反演系统。从物理反演的角度对MWHTS的大气温湿探测能力和观测亮温的数据质量进行评价。将反演结果与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium Range Weather Forecasts,ECMWF)再分析数据、美国环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)预报数据和无线电探空观测(Radiosonde observation,RAOB)数据进行对比分析,表明了MWHTS具有较强的温湿探测能力,MWHTS海洋晴空温湿廓线反演系统可以获得较高精度的温湿反演廓线。针对MWHTS在晴空条件下的陆地上空观测资料,为了进一步提高温湿廓线的反演精度且避免陆地表面发射率的分类计算,提出了使用背景协方差矩阵的单独矩阵和联合矩阵进行组合反演的方法,建立了MWHTS陆地晴空温湿廓线反演系统。反演结果表明了该反演方法可以有效提高温湿廓线的反演精度。同时,把反演结果分别与ECMWF再分析数据、NCEP分析数据和预报数据、RAOB数据、同类载荷先进微波探测仪(Advanced Microwave Sounding Unit,AMSU)反演结果以及美国微波整体反演系统(Microwave Integrated Retrieval System,MIRS)的反演结果进行了对比验证,证明了反演结果的可靠性,进一步评价了MWHTS的温湿探测能力和观测亮温的数据质量。为了提高大气温湿廓线的反演精度且使反演系统具有全天候的反演能力,在MWHTS晴空反演系统的基础上提出了两种改进方法:一种是利用MWHTS统计反演结果作为初始廓线进行反演的方法。该方法有效的提高了湿度廓线的反演精度,提高了MWHTS数据的利用率,避免了对第三方数据源的依赖。另一种方法是改进观测亮温与模拟亮温之间的偏差的校正方法。通过亮温偏差与大气温湿参数的相关性分析,提出了基于神经网络算法和线性回归算法的亮温校正方案,亮温校正实验和温湿廓线反演实验表明了神经网络亮温校正算法的优越性。稳定性测试实验表明了神经网络亮温校正算法在物理反演系统中的可行性。基于以上两种改进方法,建立了MWHTS温湿反演系统。本文对同颗卫星上的微波温度探测仪II型(Microwave Temperature Sounder-II,MWTS-II)观测资料进行了大气温度廓线反演研究,并与MWHTS温度廓线反演结果进行了对比验证,评价60 GHz和118 GHz这两个不同氧气吸收频段对大气温度的探测能力。同时,根据反演结果的对比,提出了利用MWTS-II统计反演结果代替MWHTS温湿反演系统中温度的初始廓线,进一步提高温度廓线反演精度的反演策略。
【学位授予单位】：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】：2017
【分类号】：P407.7

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本文编号：1292095