發(fā)布時間：2017-12-15 13:18

  本文關(guān)鍵詞：FY-3C衛(wèi)星微波濕溫探測儀反演大氣溫濕廓線研究

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【摘要】：大氣溫度和濕度是描述大氣狀態(tài)的兩個重要參數(shù),在氣候變化研究、當(dāng)前天氣分析以及數(shù)值天氣預(yù)報等大氣科學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。星載微波遙感觀測具有覆蓋廣、連續(xù)觀測、全天候和全天時觀測等優(yōu)點,是大氣溫濕參數(shù)信息獲取的重要手段。微波濕溫探測儀(Microwave Humidity and Temperature Sounder,MWHTS)是新一代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號C星(Fengyun-3C,FY-3C)的主要有效載荷之一,是集濕度和溫度探測于一體的微波輻射計,具有同時探測大氣濕度和溫度的能力。本文以MWHTS觀測資料為研究對象,建立了MWHTS溫濕廓線反演系統(tǒng),目的在于提供高精度的大氣溫濕廓線,滿足在大氣科學(xué)領(lǐng)域中對大氣溫濕參數(shù)的各種應(yīng)用需求。本文首先分析了大氣微波輻射傳輸原理和大氣微波遙感探測原理,對比了國際上廣泛使用的大氣吸收系數(shù)模型。考慮到業(yè)務(wù)化大氣參數(shù)反演對時效性的要求,對快速輻射傳輸模型RTTOV(Radiative Transfer Model for TOVS,RTTOV)進行了介紹,并與逐線積分輻射傳輸模型進行了模擬精度對比,表明了RTTOV的實用性。同時,對基于微波觀測資料的大氣溫濕廓線反演方法的原理進行了闡述,對比了各種反演方法的優(yōu)缺點,為后續(xù)MWHTS溫濕反演系統(tǒng)的建立提供理論支持。本文采用基于物理反演方法的一維變分反演算法對MWHTS在晴空條件下海洋上空觀測資料進行反演研究。詳細分析了影響一維變分反演算法反演結(jié)果的各個因素,建立了MWHTS海洋晴空溫濕廓線反演系統(tǒng)。從物理反演的角度對MWHTS的大氣溫濕探測能力和觀測亮溫的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評價。將反演結(jié)果與歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium Range Weather Forecasts,ECMWF)再分析數(shù)據(jù)、美國環(huán)境預(yù)報中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)預(yù)報數(shù)據(jù)和無線電探空觀測(Radiosonde observation,RAOB)數(shù)據(jù)進行對比分析,表明了MWHTS具有較強的溫濕探測能力,MWHTS海洋晴空溫濕廓線反演系統(tǒng)可以獲得較高精度的溫濕反演廓線。針對MWHTS在晴空條件下的陸地上空觀測資料,為了進一步提高溫濕廓線的反演精度且避免陸地表面發(fā)射率的分類計算,提出了使用背景協(xié)方差矩陣的單獨矩陣和聯(lián)合矩陣進行組合反演的方法,建立了MWHTS陸地晴空溫濕廓線反演系統(tǒng)。反演結(jié)果表明了該反演方法可以有效提高溫濕廓線的反演精度。同時,把反演結(jié)果分別與ECMWF再分析數(shù)據(jù)、NCEP分析數(shù)據(jù)和預(yù)報數(shù)據(jù)、RAOB數(shù)據(jù)、同類載荷先進微波探測儀(Advanced Microwave Sounding Unit,AMSU)反演結(jié)果以及美國微波整體反演系統(tǒng)(Microwave Integrated Retrieval System,MIRS)的反演結(jié)果進行了對比驗證,證明了反演結(jié)果的可靠性,進一步評價了MWHTS的溫濕探測能力和觀測亮溫的數(shù)據(jù)質(zhì)量。為了提高大氣溫濕廓線的反演精度且使反演系統(tǒng)具有全天候的反演能力,在MWHTS晴空反演系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了兩種改進方法:一種是利用MWHTS統(tǒng)計反演結(jié)果作為初始廓線進行反演的方法。該方法有效的提高了濕度廓線的反演精度,提高了MWHTS數(shù)據(jù)的利用率,避免了對第三方數(shù)據(jù)源的依賴。另一種方法是改進觀測亮溫與模擬亮溫之間的偏差的校正方法。通過亮溫偏差與大氣溫濕參數(shù)的相關(guān)性分析,提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和線性回歸算法的亮溫校正方案,亮溫校正實驗和溫濕廓線反演實驗表明了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)亮溫校正算法的優(yōu)越性。穩(wěn)定性測試實驗表明了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)亮溫校正算法在物理反演系統(tǒng)中的可行性�；谝陨蟽煞N改進方法,建立了MWHTS溫濕反演系統(tǒng)。本文對同顆衛(wèi)星上的微波溫度探測儀II型(Microwave Temperature Sounder-II,MWTS-II)觀測資料進行了大氣溫度廓線反演研究,并與MWHTS溫度廓線反演結(jié)果進行了對比驗證,評價60 GHz和118 GHz這兩個不同氧氣吸收頻段對大氣溫度的探測能力。同時,根據(jù)反演結(jié)果的對比,提出了利用MWTS-II統(tǒng)計反演結(jié)果代替MWHTS溫濕反演系統(tǒng)中溫度的初始廓線,進一步提高溫度廓線反演精度的反演策略。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P407.7

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本文編號：1292095