基于AMSU-A的对流层低层到平流层顶大气温度数据集外文翻译资料

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基于AMSU-A的对流层低层到平流层顶大气温度数据集

WENHUI WANG，CHENG-ZHI ZOU

摘要 先进的微波探测单元A（AMSU-A，1998年至今）维持并超越了微波探测单元（MSU，1978-2006）的大气温度观测能力，它正为更高的垂直分辨率和长期气候变化研究和趋势监测提供着有价值的卫星观测资料。对于从对流层低层到平流层顶部的大气温度数据记录，本研究共提出了11个产生AMSU-A通道的方法，并使用了卫星应用和研究小组最近开发的重新校准的AMSU-A 1c级辐射办法——将重新校准后的辐射率调整为一致的传感器入射角（天底），信道频率（发射预指定的中心频率）和观测时间（当地太阳午间时间），并使用辐射传输模拟来校正传感器入射角效应和第15号国家海洋和大气管理局（NOAA-15）6频道中的频移。

1.引言

先进微波探测单元-A（AMSU-A）是一种跨轨道扫描全功率微波辐射计，可以测量从地表到平流层顶部的各层温度。1998年5月，第15号国家海洋和大气管理局（NOAA-15）卫星上的第一个AMSU-A仪器启动。迄今，又推出了另外7个AMSU-A辐射计。表1总结了其通道特性和规格（Goodrum等，2010）。AMSU-A共由三个天线系统组成：其中A1-1主机频道提供频道6,7和9-15； A1-2提供频道3-5和8； A2提供频道1和2。每个天线系统又被设计成具有3.38的标称视野场（FOV），它们以30个视角扫描地球，并具有最低点处50km的空间分辨率。AMSU-A最初是为数值天气预报和气象探测设计的，它是微波探测单元的直接继承者（MSU； 1978-2006，四个频道）。但是，由于其在除降水之外的所有气候条件下都已达到了近全球覆盖，像MSU一样，AMSU-A数据已被广泛用于大气温度气候趋势研究（Christy 等，2003；Mears和Wentz，2009；Mo 2009；邹和王，2009,2011）。

AMSU-A的观测能力远超MSU。它通过观测50-60 GHz吸收带附近的氧气排放强度，提供了11个高垂直分辨率大气各层温度测量的频道（4-14）。该频道利用加权函数，从而覆盖了整个对流层低层到平流层顶部（见图1）。然而，气候研究界至今仅利用有限的AMSU-A数据进行大气温度趋势分析。并且，大多数研究至今仍集中在频道5,7和9上，这些频道等同于MSU中的频道2 [中层气温（TMT）]，频道3 [上对流层温度（TUT）]和频道4 [平流层低温 （TLS）]。包括遥感系统（RSS）和美国国家海洋和大气局/国家环境卫星，数据和信息服务/卫星应用与研究中心（STAR）在内的两个研究小组已将三个AMSU-A通道合并为了一组——它利用MSU测量和生成30年以上的大气温度的气候数据记录（TCDRs）（Mears和Wentz，2009；邹和王，2011）。而哈茨维尔阿拉巴马大学（UAH）的另一个研究组，只使用了这三个通道中的两个（Christy 等，2003）。通道10-14在平流层探测单元（SSU，1978-2006）之后提供了有价值的中高层平流层温度卫星观测资料，但来自这些通道以及来自通道4，6和8的测量结果尚未得到气候界的广泛分析。Mo（2009）利用了所有的AMSU-A通道提供了唯一一份全球温度异常趋势分析研究；然而，由于通道故障、传感器衰减以及轨道漂移引起的问题尚未得到完全解决，这项研究仅限于NOAA-15。所以，有必要将NOAA-15的测量结果与其他AMSU-A仪器的数据进行比较，以确保AMSU-A在今后长期时间内的连续性和可靠性。而邹和王（2011）最近正在重新校准和处理AMSU-A的大气温度通道——这正是将这些重新校准后的辐射率用于气候变化研究的好机会。

这项研究的目的，是为今后的长期气候趋势研究提供多卫星合并的、全球一致的、仅AMSU-A可用的月平均大气温度气候数据记录（通道4-14，1998-2011年）。这项研究的独特性体现在三个方面：首先，它使用了所有大气通道并产生了一致的高垂直分辨率大气温度气候数据记录。 第二，它比以前的研究广泛地分析和合并了更多AMSU-A仪器的观测结果。第三，它开发了新的方法用以解决特定于产生11个AMSU-A TCDR通道的问题。这篇文章的结构如下：AMSU-A 1c级辐射率数据集和提供TCDR资料所需的预处理将在第二部分中介绍；第三部分将致力于说明预处理方法以及质量控制和合并技术；第四部分介绍了TCDR的主要趋势特点；第五部分给出总结。

2.AMSU-A 1c级辐射数据集和TCDR开发过程中所需的处理

AMSU-A仪器已经在八颗极地轨道卫星上运行，它们是：NOAA-15到NOAA-19，Meteorological Operation-A（MetOp-A）和MetOp-B以及美国国家航空航天局（NASA）的地球观测系统（EOS）Aqua。并且目前已经有两个AMSU-A 1c级辐射率数据集可供使用。第一个是 NOAA operational（OPR）校准的1c级辐射数据集（Goodrum等，2010）。第二个是基于新的校准系数的由STAR重新校准和处理的AMSU-A 1c级辐射数据集，这些校准系数通过综合微波相互校准方法（IMICA）得出，以前也被称为同时最高点天桥（SNO）方法（邹，2006；邹和王，2011）。与OPR校准相比，IMICA消除了多种校准偏差并提供了更一致的多卫星辐射观测：（1）使用SNO匹配和全球平均温度分析来估计通道4-14的新的恒定偏移和非线性系数，以最小化太阳辐射引起的仪器温度变化和辐射过程中的现场温度依赖性产生的偏差；（2）使用随时间变化的1c级校准系数校正NOAA-16和MetOp-A中的时间依赖性偏差；（3）非线性漂移被校正并且在NOAA-15的通道6中发现频移。图2比较了使用代表性通道的两个1c级辐射率数据集的月平均全球陆地和/或海洋平均卫星间时间序列之间的差异。我们使用了全球平均卫星间差异时间序列的平均绝对偏差（b），标准偏差（sd）和绝对线性趋势（trd）来考察本研究中所考虑的所有数据对，以表明不同卫星观测结果的一致性如何。其中，使用绝对偏差（和趋势）的目的是为了避免具有相反符号的数据对的偏差（和趋势）相互抵消。一般来说，这三个统计数据越小，来自不同卫星的观测结果就越一致。我们的统计分析表明由IMICA重新校准的全球平均卫星间偏差时间序列的平均绝对偏差，标准偏差和绝对趋势通常远小于由OPR校准的辐射率（图2的详细讨论将在本节后面给出）。此外，NOAA-15（1998至今）和NOAA-16（2001至今）提供了所有AMSU-A数据中两个最长的观测值; 不幸的是，由OPR校准的NOAA-15通道6和大多数的NOAA-16通道受到时间相关的校准漂移影响，不能用于提供TCDR资料（邹和王，2011）。另一方面，IMICA重新校准的通道成功纠正了校准漂移，适合用于开发一致性更高的TCDR产品。

由于IMICA重新校准的1c级辐射的优点，它们在本研究中用于构建仅适用于AMSU-A的TCDR资料。具体而言，就是我们通过NOAA-15，MetOp-A和Aqua，修改了由IMICA重新校准的NOAA-15的大气温度通道。表2总结了所有使用的AMSU-A数据的时间段以及仪器和通道的状态。4到13通道的时间段为1998年11月至2011年12月；由于NOAA-15的14通道在2000年10月NOAA-16发射前就失败了，所以14通道的时间段为2001年1月至2011年12月；因此，它不能与其他卫星合并。现在NOAA-19还未经过重新校准。MetOp-B于2012年9月被发射升空。

除了校正校准误差之外，还需要调整AMSU-A的观测值，使其与一致的通道中心频率、观测时间和传感器入射角相对应，然后合并来自多个卫星的数据以生成同质大气温度的TCDR记录（Christy等，2003； Mears和Wentz，2009； 邹和王，2009; 王 等，2012）。而为了更好地阐明对1c级辐射的调整是必要的，我们根据其卫星间偏差特征的不同，将11个由IMICA重新校准的通道划分为两组。第一组包括全球海洋地区（CH_4_5_OCEAN）和6-12频道的频道4和5。 第二组包括全球陆地区域（CH_4_5_LAND）和频道13和14（CH_13_14）的频道4和5。图2比较了两组的卫星偏差特征。因为卫星间偏差特征与CH_4_5_OCEAN和频道12相似，所以第一组中的频道7-11未被绘制。在第一组通道/区域（见图2a）中，经过IMICA重新校准后，来自不同卫星的观测值相互吻合，并且卫星间差值时间序列的标准偏差小于0.036 K。除通道6外，平均绝对偏差一般都小于0.1 K.。而NOAA-15和NOAA-18之间的渠道6中的大偏差是由于NOAA-15的频率偏离了它发射前的中心频率测量值（邹和王，2011）。在IMICA重新校准的1c级辐射中，频移的卫星间差异并没有得到纠正。所以，在NOAA-15第6通道观测可以与其他卫星合并之前，这一差异必须在本研究中予以纠正。对于通道12，在IMICA重新校准之后，Metop-A相对于其他卫星具有〜0.25-K的冷偏差。然而，这些偏差大多是恒定的。恒定偏差不会影响趋势，并且可以使用恒定偏差校正方法轻松消除（请参阅第3e节）。

对于第二组通道/区域（见图2b），全球平均卫星间偏差时间序列分析表明其标准偏差大于或等于0.080 K，平均绝对偏差大于0.1 K，即使经IMICA重新校准后也是如此。携带AMSU-A仪器的卫星是在不同的当地交叉赤道时间发射的（LECT;见图3），因此导致了日间漂移效应，同时引起了较大的卫星间偏差。NOAA-15、NOAA-17和MetOp-A是晨间发射的卫星；而 NOAA-16、NOAA-18和Aqua则是下午发射的卫星。此外，NOAA-15和NOAA-16的LECT自发射以来已经漂移了几个小时：NOAA-15从0730（1998）漂移到0440（2011），NOAA-16从1400（2001）漂移到2000（2011）。邹和王（2011）和本研究的全球卫星间偏差分析表明，第一组频道/地区的昼夜效应可以忽略不计。所以，对这些频道/地区应用昼夜校正不会减少卫星间偏差，也不会改善气候数据记录的质量。 相反，因为第二组频道/地区的昼夜漂移效应很大，所以如果不对其加以纠正，就会产生虚假的趋势。因此，在卫星合并之前，必须调整第二组通道的观测值，以统一观测时间。

除了频移和昼夜漂移效应之外，还需要校正1c级辐射中的传感器入射角效应。 AMSU-A是一款交叉扫描辐射计，扫描角度从1.678°到48.338°不等。传感器入射角随扫描角度变化，并导致了地球和卫星之间光路长度的变化，从而改变其通道加权函数（见图1）。对于大气温度通道，由于临边扫描位置的影响，传感器入射角效应可能高达15 K（Goldberg 等，2001），并且如果不加以校正，它会在数据集中导致很大的样本误差（Christy 等，2000； Mears 和 Wentz，2009a）。此外，NOAA-15，-16和-18的高度在发射后已经下降了几公里。卫星轨道衰减（高度损失）将导致传感器入射角随时间漂移。此外，随着时间的推移，卫星滚转和俯仰角的变化也会导致传感器入射角的变化。当卫星的高度和姿态漂移足够大时，这种偏差可能会导致长期时间序列的虚假趋势（Mears和Wentz，2009a）。

在这项研究中，我们使用时间序列的偏离最低点偏差，即特定扫描位置和最低点之间的全球平均温差（扫描15和16的平均值）来表示传感器入射角效应。 NOAA-15 AMSU-A的典型频道（来自A1-1的天线系统A1-2，9和12的5和8）的非最低点偏差统计在图4中以灰色显示。每个点的总和为一个扫描位置提供偏离最低点的偏差，其中y值代表偏离最低点偏差时间序列的平均值。每个点的大小与该扫描的偏离最低偏差时间序列的标准偏差成比例。同时，图中还显示了16次近点最低点扫描（8-23）的平均偏离最低点偏差。图4中有两个明显的特征：（1）A1-1和A1-2通道显示了不同的偏离最低点偏差（2）A1-1上的通道9和12在近临边扫描中偏离最低点偏差变化较大。其他通道/卫星的非最低偏差与图4中的情况大致相同。公式（1）总结了对IMICA重新校准的AMSU-A 1c级辐射进行的调整，式中要求产生一致的AMSU-A TCDR记录：

其中O代表卫星观测值；i代表AMSU-A通道（i 5 4-14）；f是通道中心频率（f₀代表发射预指定的通道中心频率）；t是卫星观测时间（t₀代表当地太阳正午时间）；u代表角度发生传感器测量值（u₀代表最低点）；T_O,i,u0,f0,t0是最低点，当地太阳午间时间和预启动指定信道频率的调整温度；T_O,i,u,f,t是调整前的IMICA重新校准温度；△T_theta;是传感器在发生角度效应时的修正项；△T_f是NOAA-15频道6频移效应的修正项；△T_t是昼间漂移效应的修正项。估计三个校正项以及产生合并的AMSU-A TCDR数据所需的其他步骤的方法将在下一节中给出。

3.提供AMSU-A大气温度TCDR数据记录的方法

构建多卫星合并的、仅适用于AMSU-A的全球逐月网格TCDR数据记录包括以下步骤：（1）将所有的传感器入射角调整一致以获得观测值（2）校正NOAA-15通道6频移（3）将通道4和5以及13和14的观测时间调整至到当地太阳正午时间（4）提供独立的逐月全球网格化卫星资料时间序列和质量控制（5）合并多个卫星的观测值以产生AMSU-A大气温度TCDR。 图5显示了该过程的流程图。 以下各小节将详细讨论每一步。

1. 传感器入射角效应的校正

如今，人们已经开发了各种不同类型的方法来削弱MSU和AMSU-A观测中的传感器入射角效应（Goldberg等，2001；Christy等，

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