發(fā)布時間：2020-11-05 21:04

　　 國產(chǎn)自主極軌氣象衛(wèi)星FY-3C溫度計(jì)MWTS-Ⅱ和濕度計(jì)MWHTS資料質(zhì)量源優(yōu)良且對數(shù)值天氣預(yù)報的同化和模式預(yù)報有重要的意義。鑒于國內(nèi)外針對此類衛(wèi)星資料的同化現(xiàn)狀,本文從提高陸地上空和低層微波垂直探測資料利用率出發(fā),針對解決地表發(fā)射率精確計(jì)算、云檢測等基礎(chǔ)問題的需求,提出了基于小波分析的地表發(fā)射率去噪算法、基于小波數(shù)據(jù)集約束的動態(tài)地表發(fā)射率計(jì)算方法和基于高斯回歸過程GPR(Gaussian Process Regression)智能學(xué)習(xí)溫濕亮溫關(guān)系函數(shù)的云檢測算法等,解決了陸地上空低層及中高層通道地表發(fā)射率精確計(jì)算及探測資料同化等衛(wèi)星資料的實(shí)際應(yīng)用問題。陸表的復(fù)雜性導(dǎo)致很難有完美的物理模式去精確計(jì)算地表發(fā)射率,但衛(wèi)星觀測反演地表發(fā)射率不受這些大量陸面輸入?yún)?shù)(如粗糙度、土壤濕度等)的限制�；诘乇戆l(fā)射率發(fā)展變化緩慢的假定,可進(jìn)行長期離線計(jì)算發(fā)展月平均地表發(fā)射率數(shù)據(jù)集。針對數(shù)據(jù)集本質(zhì)上是一種圖像矩陣且含有未知噪聲源,提出了針對高級圖像處理的小波方法對發(fā)射率數(shù)據(jù)集進(jìn)行圖像去噪,開發(fā)了適用于FY-3C衛(wèi)星溫度計(jì)的小波發(fā)射率數(shù)據(jù)集。在同化預(yù)報試驗(yàn)檢驗(yàn)中,大大提高了陸地上空的同化資料量,改善了亮溫模擬效果和分析場質(zhì)量,也減小了預(yù)報誤差。微波低層探測通道對地表更加敏感,因此,實(shí)質(zhì)上是一種氣候平均的、每日為固定值的發(fā)射率數(shù)據(jù)集顯然不再適用于這些低層觀測。本文基于實(shí)時像元動態(tài)發(fā)射率反演方案,同時以小波數(shù)據(jù)集作為約束集,對動態(tài)反演的發(fā)射率值進(jìn)行約束以消除反演誤差,設(shè)計(jì)優(yōu)化了新的同化系統(tǒng)流程,實(shí)現(xiàn)微波低層探測通道的系統(tǒng)應(yīng)用。同化預(yù)報試驗(yàn)結(jié)果表明,受益于地表發(fā)射率的改進(jìn),中低層通道的第一猜值殘差有明顯改善。相比于發(fā)射率數(shù)據(jù)集方案,中低層通道陸地觀測數(shù)量可增長約6-8%左右,且大量新觀測信息的加入并未對分析場產(chǎn)生不良影響,改進(jìn)了短時預(yù)報效果。針對FY-3C載荷上50-60GHz和118.75GHz雙氧通道特性,基于機(jī)器學(xué)習(xí)GPR方法發(fā)展了一種智能學(xué)習(xí)溫度計(jì)亮溫與濕度計(jì)亮溫內(nèi)在關(guān)系的新云檢測方案。相比于線性回歸算法,新GPR云檢測方案提高約20%的云檢測能力。設(shè)計(jì)了濕度計(jì)MWHTS的同化預(yù)報系統(tǒng)框架,構(gòu)建了FY-3C微波輻射率資料直接同化應(yīng)用平臺,評估驗(yàn)證包括新增118.75GHz溫濕聯(lián)合探測通道的FY-3C資料對數(shù)值預(yù)報的應(yīng)用價值和貢獻(xiàn)潛力。
【學(xué)位單位】：國防科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP18;TP722.6;P456
【部分圖文】：

圖 2.1 AMSU-A 的通道權(quán)重函數(shù)圖如下[56]MSU-A 有 15 個光譜通道，頻率范圍為 23.8-89.0GHz，其中通道 1、2、區(qū)通道，通道 4-14（52.8-58GHz）為探測通道，視角為 3.3 度（AMS度），每個掃描帶有 30 個視場點(diǎn)（AMSU-B 為 90 個），天頂掃描角可AMSU-A 目前作為有效載荷運(yùn)行在不同的衛(wèi)星平臺上（NOAA-15/16/18 和 Metop-A/B 等)，各衛(wèi)星具有不同的赤道過境時間且有 10 個頻率在 60G對流層和平流層不同高度空間敏感的氧氣吸收線通道，因此可以提供良空間覆蓋，獲取多種大氣和地表?xiàng)l件下的觀測信息。MSU-A 輻射率的直接同化對大氣溫度分析場有重要貢獻(xiàn)，其中通道 10峰值在平流層，通道 9 的權(quán)重峰值在對流層頂，通道 5-8 的權(quán)重峰值在對些低峰值通道的觀測包含有大量短時天氣信息，對天氣預(yù)報很重要，但敏感且衛(wèi)星接收到的信號源有來自地表發(fā)射和反射分量，使得難以同化道在晴空條件下的輻射率同化首先要處理的就是復(fù)雜的地表貢獻(xiàn)分量，面溫度、地表發(fā)射率以及晴空云檢測等因素。據(jù)上節(jié)權(quán)重函數(shù)的計(jì)算公式，圖 2.2 給出了基于美國 1976 標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線

圖 3.4 FY-3C 衛(wèi)星 MWTS-II 通道 1 全球發(fā)射率數(shù)據(jù)集3.2.2 地表類型依賴全球地表發(fā)射率難以獲取精確值的最大難點(diǎn)在于地表類型的多樣性和復(fù)性。為了充分研究各種地表類型的發(fā)射率特征，首先要對全球地表進(jìn)行分類，文主要基于 BATS 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)集（Biosphere–Atmosphere Transfer Scheme）進(jìn)全球主要的地表類型的分類，包括裸土、植被、水域等地表類型[79][80][81]。具體類如表 3.3 所示，全球地表類型分布圖如圖 3.5 所示。表 3.3 BATS 地表覆蓋分類對照表代碼 覆蓋類型 備注1 Crops, Mixed Farming 綠洲農(nóng)田2 Short Grass 短草3 Evergreen Needleleaf Trees 常綠針葉林4 Deciduous Needleleaf Trees 闊葉針葉林5 Deciduous Broadleaf Trees 闊葉闊葉林

國防科技大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文13 Bogs and Marshes 沼澤14 Inland Water 內(nèi)陸水域15 Sea 海洋16 Evergreen Shrubs 常綠灌木17 Decidous Shrubs 闊葉灌木18 Mixed Forest 混交林地19 Interrupted Forest 不連續(xù)森林20 Water and Land Mixtures 水陸混合
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本文編號：2872184