【摘要】：海面氣壓是一個重要的氣象參數(shù),在數(shù)值天氣預報、熱帶氣旋監(jiān)測分析以及氣候學研究等大氣科學領域均有非常重要的應用。針對目前的海面氣壓遙感探測方案時空分辨率低、無法全天候工作以及高風速情形下探測精度差等問題,本文首次提出一種基于氧氣吸收帶被動微波探測的海面氣壓反演方法,利用星載實測亮溫數(shù)據建立了海面氣壓反演模型,并使用多源數(shù)據對反演模型進行了驗證,利用本文研究成果可為氣象應用及大氣科學研究提供高精度、高時空分辨率、長期穩(wěn)定的海面氣壓數(shù)據。本文基于大氣輻射傳輸方程,建立了星載微波輻射計遙感海面氣壓的理論基礎。對微波輻射計觀測亮溫和海面氣壓的直接關系進行了推導,并進行了仿真驗證,證實微波輻射計可以通過對氧氣的垂直柱總吸收的測量來實現(xiàn)海面氣壓的探測;開展了敏感度分析試驗,證實位于氧氣吸收帶翼區(qū)通道的觀測亮溫對海面氣壓的變化敏感,適合用于海面氣壓估計,這為海面氣壓探測頻率的選擇提供了依據。提出了一種中低海況海面氣壓反演算法,利用美國聯(lián)合極軌衛(wèi)星系統(tǒng)SNPP衛(wèi)星搭載的先進技術微波探測儀(ATMS)和我國風云3號C星搭載的新型微波溫濕探測儀(MWHTS)的實測亮溫數(shù)據實現(xiàn)了中低緯度(40°S-40°N)海面氣壓反演。將反演結果與分析數(shù)據、現(xiàn)場觀測數(shù)據進行了對比,結果表明算法對晴空、云天、雨天海面氣壓的估計精度分別為2.0 hPa,3.0 hPa和3.5 hPa,能夠實現(xiàn)全天候條件下的高精度反演。論文進一步開展了熱帶氣旋條件下海面氣壓的反演試驗,結果表明,算法雖然對中低風速情形下海面氣壓的估計精度較高,且具備較強的熱帶氣旋識別能力,但是由于強熱帶氣旋中心附近溫度和濕度垂直分布的異常,導致該極高風速情形下(中心附近一分鐘持續(xù)風速大于26 m/s)估計精度不夠理想。針對熱帶氣旋條件下大氣溫濕度異常對海面氣壓反演的影響,提出了一種同時使用微波輻射計觀測亮溫和熱帶氣旋暖心亮溫距平反演熱帶氣旋海面氣壓場的算法。暖心亮溫距平反映了熱帶氣旋對流層頂?shù)脑雠潭?與熱帶氣旋中心附近氣壓異常程度有關,它的引入使算法在極高風速時的估計精度有了明顯提升。利用SNPP/ATMS和FY-3C/MWHTS實測數(shù)據實現(xiàn)了熱帶氣旋海面氣壓場反演,經過與分析數(shù)據、現(xiàn)場觀測數(shù)據的比較,表明算法對熱帶低壓或熱帶風暴(中心附近一分鐘持續(xù)風速小于32 m/s)、臺風或颶風(中心附近一分鐘持續(xù)風速大于32 m/s并小于50 m/s)以及強臺風或強颶風(中心附近一分鐘持續(xù)風速大于50 m/s)的中心氣壓的估計精度分別優(yōu)于6.0 hPa、8.0 hPa和10.0 hPa,內核區(qū)域(以中心為圓心,2°圓半徑內的區(qū)域)氣壓估計精度分別優(yōu)于4.0 hPa、5.0 hPa和8.0 hPa。為了對50～60 GHz和118 GHz這兩個不同的氧氣吸收頻段的海面氣壓探測能力進行比較,利用50～60 GHz輻射計SNPP/ATMS和118 GHz輻射計FY-3C/MWHTS的實測亮溫數(shù)據實現(xiàn)了中低海況以及熱帶氣旋天氣的海面氣壓反演,并使用多源數(shù)據對它們的反演精度進行了驗證和對比分析,結果表明50～60 GHz和118 GHz均具備較強的海面氣壓探測能力,中低海況時它們的探測能力基本相當,熱帶氣旋情形下50～60 GHz輻射計的海面氣壓探測能力略優(yōu)于118 GHz,這為低軌道衛(wèi)星高空間分辨率氣壓探測和未來通過靜止軌道實現(xiàn)高時間分辨率海面氣壓觀測提供了參考。
【圖文】：

SNPP 極軌氣象衛(wèi)星于 2011 年 10 月 27 日在美國加利福尼亞州范登堡發(fā)射，衛(wèi)星軌道高度為 824km。其上共搭載有 5 種傳感器，分別為：外可見光成像儀套件）、CrIS（交叉軌道紅外探測儀）、CERES（云和地量系統(tǒng)）、ATMS（先進技術微波探測器）、OMPS（臭氧分布和測量套ATMS 為交軌掃描的微波輻射計，天線在一個垂直于衛(wèi)星飛行軌跡的方描，通過天線反射面可以獲得地球表面和大氣系統(tǒng)的輻射信息。ATMS計的觀測幾何如圖 1.1 所示[75]。它的每條掃描線有 96 個像元，掃描刈 km。通道 1 和通道 2 的星下點分辨率為 75 km、3～16 通道為 32 km、道為 16 km。ATMS 每天可以對同一區(qū)域進行兩次觀測。ATMS 的通道 1.3 所示。ATMS 共有 22 個通道，通道 3~15 設置在 50-60GHz 氧氣吸收主要用于探測大氣溫度的垂直分布，本文后續(xù)章節(jié)將證實其同時具備海測能力；通道 18~22 設置在和 183.31GHz 水汽吸收帶，主要用于探測的垂直分布；通道 1、2、16、17 設置在大氣窗區(qū)，可以提供云水含量信

基于被動微波探測的海面氣壓反演理論和方法研究下部暖，出現(xiàn)強烈的對流運動，但由于大氣稀薄，因此對流運動較對流層弱很多。自中間層頂?shù)?800 km 高空屬于電離層。電離層大氣密度很小，幾乎所有太陽短波輻射均被電離層氣體吸收，因此氣溫隨高度增加迅速升高，電離層頂氣溫可以高達 1000 K。由于該層大氣密度小，因此氧分子和部分氮原子在紫外線和宇宙射線作用下被分解為原子，，并處于高度電離狀態(tài)。圖 2.1 所示為 1976 美國標準大氣溫度和密度廓線�？梢钥闯�，各個層的溫度變化趨勢具有明顯差異，且對流層大氣密度明顯大于其它層。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院國家空間科學中心)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P715.7

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