本文關(guān)鍵詞：FY-3C衛(wèi)星微波濕溫探測(cè)儀反演大氣溫濕廓線(xiàn)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(gè)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(bào)等大氣科學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。星載微波遙感觀(guān)測(cè)具有覆蓋廣、連續(xù)觀(guān)測(cè)、全天候和全天時(shí)觀(guān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn),是大氣溫濕參數(shù)信息獲取的重要手段。微波濕溫探測(cè)儀(Microwave Humidity and Temperature Sounder,MWHTS)是新一代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)C星(Fengyun-3C,FY-3C)的主要有效載荷之一,是集濕度和溫度探測(cè)于一體的微波輻射計(jì),具有同時(shí)探測(cè)大氣濕度和溫度的能力。本文以MWHTS觀(guān)測(cè)資料為研究對(duì)象,建立了MWHTS溫濕廓線(xiàn)反演系統(tǒng),目的在于提供高精度的大氣溫濕廓線(xiàn),滿(mǎn)足在大氣科學(xué)領(lǐng)域中對(duì)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(cè)原理,對(duì)比了國(guó)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(duì)時(shí)效性的要求,對(duì)快速輻射傳輸模型RTTOV(Radiative Transfer Model for TOVS,RTTOV)進(jìn)行了介紹,并與逐線(xiàn)積分輻射傳輸模型進(jìn)行了模擬精度對(duì)比,表明了RTTOV的實(shí)用性。同時(shí),對(duì)基于微波觀(guān)測(cè)資料的大氣溫濕廓線(xiàn)反演方法的原理進(jìn)行了闡述,對(duì)比了各種反演方法的優(yōu)缺點(diǎn),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(duì)MWHTS在晴空條件下海洋上空觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行反演研究。詳細(xì)分析了影響一維變分反演算法反演結(jié)果的各個(gè)因素,建立了MWHTS海洋晴空溫濕廓線(xiàn)反演系統(tǒng)。從物理反演的角度對(duì)MWHTS的大氣溫濕探測(cè)能力和觀(guān)測(cè)亮溫的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。將反演結(jié)果與歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium Range Weather Forecasts,ECMWF)再分析數(shù)據(jù)、美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和無(wú)線(xiàn)電探空觀(guān)測(cè)(Radiosonde observation,RAOB)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,表明了MWHTS具有較強(qiáng)的溫濕探測(cè)能力,MWHTS海洋晴空溫濕廓線(xiàn)反演系統(tǒng)可以獲得較高精度的溫濕反演廓線(xiàn)。針對(duì)MWHTS在晴空條件下的陸地上空觀(guān)測(cè)資料,為了進(jìn)一步提高溫濕廓線(xiàn)的反演精度且避免陸地表面發(fā)射率的分類(lèi)計(jì)算,提出了使用背景協(xié)方差矩陣的單獨(dú)矩陣和聯(lián)合矩陣進(jìn)行組合反演的方法,建立了MWHTS陸地晴空溫濕廓線(xiàn)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(xiàn)的反演精度。同時(shí),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(bào)數(shù)據(jù)、RAOB數(shù)據(jù)、同類(lèi)載荷先進(jìn)微波探測(cè)儀(Advanced Microwave Sounding Unit,AMSU)反演結(jié)果以及美國(guó)微波整體反演系統(tǒng)(Microwave Integrated Retrieval System,MIRS)的反演結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,證明了反演結(jié)果的可靠性,進(jìn)一步評(píng)價(jià)了MWHTS的溫濕探測(cè)能力和觀(guān)測(cè)亮溫的數(shù)據(jù)質(zhì)量。為了提高大氣溫濕廓線(xiàn)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(jìn)方法:一種是利用MWHTS統(tǒng)計(jì)反演結(jié)果作為初始廓線(xiàn)進(jìn)行反演的方法。該方法有效的提高了濕度廓線(xiàn)的反演精度,提高了MWHTS數(shù)據(jù)的利用率,避免了對(duì)第三方數(shù)據(jù)源的依賴(lài)。另一種方法是改進(jìn)觀(guān)測(cè)亮溫與模擬亮溫之間的偏差的校正方法。通過(guò)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(xiàn)性回歸算法的亮溫校正方案,亮溫校正實(shí)驗(yàn)和溫濕廓線(xiàn)反演實(shí)驗(yàn)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(cè)試實(shí)驗(yàn)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(jìn)方法,建立了MWHTS溫濕反演系統(tǒng)。本文對(duì)同顆衛(wèi)星上的微波溫度探測(cè)儀II型(Microwave Temperature Sounder-II,MWTS-II)觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行了大氣溫度廓線(xiàn)反演研究,并與MWHTS溫度廓線(xiàn)反演結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,評(píng)價(jià)60 GHz和118 GHz這兩個(gè)不同氧氣吸收頻段對(duì)大氣溫度的探測(cè)能力。同時(shí),根據(jù)反演結(jié)果的對(duì)比,提出了利用MWTS-II統(tǒng)計(jì)反演結(jié)果代替MWHTS溫濕反演系統(tǒng)中溫度的初始廓線(xiàn),進(jìn)一步提高溫度廓線(xiàn)反演精度的反演策略。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：P407.7

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