风云三号C星微波温度计资料的初步研究外文翻译资料

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风云三号C星微波温度计资料的初步研究

Xiang Wang^a,b*and XunLi^b,c

^a数据同化研究与应用中心,南京信息工程大学,南京,中国;

^b海南气象防灾减灾重点实验室,海口,中国;

^c海南省气象局,中国气象局,海口,中国

摘要：2013年09月23，第三颗风云卫星(FY-3C)发射成功。同只有4个通道的FY-3A/B卫星相比，FY-3C携带的微波温度计(MWTS)有13个探测通道，频率范围为50到60GHz，可以用于探测除了降水以外任何大气状况下的大气温度。本研究利用快速辐射传输模式来评估MWTS观测资料的质量。总的来说，除了受地表影响较大的通道，其余的平流层和对流层通道的观测亮温(记为”O”)和模拟亮温(记为”B”)可以很好的匹配，并且还提供了对流层低层更为精细的热力结构，尤其是像热带气旋这类的天气状况。此外，来自通道1和通道4的观测亮温可用于计算液态云水路径指数(LWP指数)来进行云检测。然而，本研究还发现(1)观测数据和模式模拟结果之间的亮度温度差(记为”O-B”)在高层通道显示出一个清晰的条纹误差；(2)地理定位的结果和真实地理位置存在有系统性的偏差；(3)定标冷源受月光污染。

1.仪器介绍

继2008年5月27日和2010年11月5日成功发射的FY-3A/B两颗极轨卫星外，配置为上午星(10:00)的极轨卫星风云3C(FY-3C)于2013年9月23日成功发射，进入轨道高度833km轨道倾角98.7°的圆轨道。除了搭载FY-3A/B上原有的可见光红外扫描辐射计(VIRR)、中分辨率光谱成像仪、大气红外分光计、微波温度计(MWTS)、微波湿度计、微波成像仪、紫外臭氧垂直探测仪、紫外臭氧总量探测仪、地球辐射探测仪、太阳辐射监测仪(SIM)和环境空间监测器11个传感器(Dong et al. 2009; Yang et al. 2009)外，还有四个额外的仪器，包括：测风雷达、近红外光谱温室气体探测器、紫外高光谱臭氧探测器和GPS/MET隐藏探测。这些大气探测仪的性能都能达到或是超过前期发射的规格。

基于卫星资料同化的成功,初步分析得到了极大的改善。这有利于进行数值天气预报。并且人们普遍意识到：对先进微波探测仪(AMSU-A)探测到的测量量进行资料同化可以提高天气分析和预报的准确性(Andersson et al. 1994; Coutier et al. 1998; Derber and Wu 1998; McNally et al. 2000; Okamoto, Kazumori, and Owada 2005)。应用数值天气预报(NWP)模式处理FY-3A上的MWTS测量数据可以对台风的预报起到了显著的提高作用(Li and Zou 2014)。重要的是每种仪器所得的新测量数据在写入数值天气预报或气候研究之前都需要对其进行研究和评估。

对比FY-3A上的MWTS测量数据和模拟结果显示出一个与温度相关的偏差(Zou et al. 2011)，这揭示了FY-3A上的MWTS通道存在频率偏移(Lu et al. 2010; Wang et al. 2012)。FY-3B上的MWTS则会产生冷空定标亮度温度(Wang and Zou 2012)。 Qin Zou和Weng (2013)发现新型微波探测仪(ATMS)的观测数据和模拟数据之间的差异表现出明显的条纹图案(Bormann, Fouilloux, and Bell 2013)。本文中，来自FY-3C上MWTS的观测数据资料是用于检验模拟的结果。比较结果或许会存在在定标过程中检测仪器的异常和缺陷。这是将FY-3C上MWTS资料应用于数值天气预报和气候研究的重要一步。

2.MWTS仪器特点和模拟模式

2.1.仪器特点

MWTS是一个对地扫描张角plusmn;49.5°的全功率辐射计，FY-3A/B上的MWTS上只有四个通道，而FY-3CS上的MWTS在氧气吸收带上并且频率范围在50到60GHz的通道有13个，从而可以探测到从地表到1hPa高度的大气垂直温度。大气中的氧气可以通过吸收或发射微波辐射使MWTS通过大气权重函数峰值高度来探测大气的垂直温度。MWTS提供了每扫描线观测90个地球视场(FOV)，其星下点观测分辨率为33km，比FY-3A/B上搭载的MWTS的62km星下点分辨率更为精确。定标精度-噪声等效温度增量-在1、9和10通道为1.2K;在2-8通道为0.75K；11-13通道分别为1.7K、2.4K和3.6K。表1列出了部分通道的特性。包括通道频率、3dB宽带、波束宽度、定标精度和主波束频率。MWTS通道1的频率在50.3HGz左右，并且对地表水和云水分布十分敏感。图1显示了利用美国标准大气廓线通过共同辐射传输模式(CRTM)计算和通过美国卫星资料通话联合中心开发的13个通道的权重函数(Weng 2007; Han et al. 2007)。MWTS上的通道1和2位于大气吸收窗区附近并且会受到来自地表和大气的辐射影响。MWTS上各通道的的波束宽度均为2.20比FY-3A/B上的MWTS小。

2.2.模拟模式

通过卫星辐射的快速计算辐射传输模式CRTM对MWTS测量的亮度温度进行全球模拟。

表1. MWTS通道特性

权重函数值

图1.使用美国标准大气压计算的FY-3C上MWTS各(编号)通道权重函数。

从国家环境预报中心(NCEP)全球预测系统(CFS)6小时预报量可以得到气压、温度和湿度的垂直分布；地表温度参数；距地2米处的风速和风向以及传感器所在高度角。他们均可用于进行数值天气预报。国家环境预报中心全球预测系统6小时预报地区的水平分辨率为0.325*0.325，垂直方向64层，模式层顶大约在0.1 hP。

3.MWTS的数据相关问题

3.1.O-B条纹图案

热带气旋LEKIMA形成于西太平洋消失于日本东海沿岸。LEKIMA在2013年10月23日达到四级(Saffir-Simpson规模)。

–2.5 –2.0 –1.5 –1.0 –0.5 –0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

图2.利用64位全球预测系统6小时预报得到的模拟值与MWTS通道12观测值比较得到的亮度温度差的全球分布。

飓风的强度可以达到最大持续风速160km/h，最低中心气压可达905hPa。2013年10月23日MWTS的观测值开始应用于飓风的研究。MWTS上5-13通道权重函数的峰值位于对流层中层和平流层。利用给定大气的温湿分布可以精确的模拟出这些通道的亮度温度。个别通道上观测值和模拟值之间的差异可以被视为一种表征新型仪器投入运行后表现的”参考态”。总的来说，MWTS上这些通道的观测值和模拟值都可以很好的匹配。但图2中显示12通道的观测值和模拟值之间亮度温度的全球分布有很明显的差异，最大O-B差在plusmn;2.5K；并且偏差在星下点附近比起在边缘区域更大。此外，我们还发现在图2中12通道的轨道方向有显著的条纹现象，同样的现象也出现在MWTS上的其他通道中。碰巧的是，一些其他的微波传感器可以发现O-B噪声条纹，比如AMSU和ATMS(Qin, Zou, and Weng 2013)。

尽管造成带状噪声的根本原因尚未确定，但现今已经提出了通过测量亮度温度的冷暖温差使用一种两点非线性定标方程来减轻带状噪声的模式。其中一种方法提出针对亮度温度冷热温差增加扫描线的条数。然而不幸的是这种方法并不能消除O-B观测值中的带状噪声(Doherty et al. 2012)，这就意味着全球的亮度温度都会受到带状噪声的影响。并且与亮度温度的冷暖温差相比，确认全球亮度温度受到条纹噪声的影响程度更为困难。这是因为带状噪声会混杂在其他天气信息中。因此通常将主成分分析(PCA)和集合经验正交模分析(EEMP)相结合(Huang and Wu 2008; Wu and Huang 2009)以减少ATMS的带状噪声影响(Qin, Zou, and Weng 2013)。PCA往往用于在ATMS资料中从天气信息中分离出带状噪声，而EEMP适用于提取条纹噪声。由于ATMS和MWTS特点非常相似，故这种组合方法同样适用于消除MWTS的带状噪声。

图3.FY-3C上MWTS通道观测到2013年10月23日飓风LEKMA的亮度温度。

3.2.地理位置误差

对于每项观测数据而言地理坐标（经度和纬度）是由图像坐标，扫描线和像素数转化而来的。太阳的高度角和卫星与天顶方位角也需要计算在内。准确地获得地理坐标是一个包含有十多种坐标转换的复杂的过程。由此可见，准确的获得地理坐标、经度和纬度并不是一件容易的事情。为清晰的说明，图3中呈现了MWTS表面敏感通道1的大部分观测结果。首先，较强的地表辐射使得该区域的亮度温度高于海洋。此外，台风的结构可以被很好地捕捉到；也就是说云的热辐射会使云区的亮度温度升高。在沿海地区地理位置误差会十分明显，那里在经度和纬度上的误差可达0.7°。所以可以推断出这种天线设备并不精确，它会有一些小误

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