地基微波辐射计遥感的大气温湿廓线的评估外文翻译资料

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地基微波辐射计遥感的大气温湿廓线的评估

摘要：

本文分别对比了地基微波辐射计及气象探空仪在晴天条件下和多云状态下观测得到的大气温度廓线及水汽廓线，发现即使是在多云的情况下，微波辐射计反演的温度廓线的精确度都能达到预期。比较两者在各高度层温度的均方根精度时发现，1000-850hPa温度偏差1.1℃，而850-700、700-500、500-300hPa的温度偏差分别是1.6,2.0和2.8℃。微波辐射计高时间分辨率的特点使其在缺乏地面数据的地区以及仅有少量浮标观测数据的海洋地区有很大的利用价值。

1.简介

微波波段的大气热辐射主要来源于大气中氧气，水蒸气和液态水的辐射。氧气，水蒸气和液水的温度和空间分布也就决定了微波辐射值的大小。对于诸如氧气这样混合均匀的气体，在一定的大气压下，辐射的大小取决于大气（即氧气）的温度。正因如此， 60GHz氧气吸收带所测得的辐射值能够反演出这层大气的温度廓线。然而，大气中的水汽、云粒子的辐射会给大气温度的准确反演带来误差。因此，如果也同时探测氧气吸收带以外的那些波段的辐射，那么多云条件下繁衍的温度廓线就会更精确度、合理。微波辐射计除了能绘测出大气廓线，还能用来反演湿度廓线、算出云中液水路径。有时还能反演蒸汽廓线。

Hosler和lemmons以及Miner、Sinder、Westwater、Gurvich和Yershov等人的野外试验证明，在晴空条件下可以获得较为平滑的温度垂直廓线。Westwater等采用模式验证了利用浮标观测的数据遥感得到洋面上空温度廓线的可行性。他的研究给出了一种方法来减少大气温湿遥感中云和水汽辐射的误差，使得在晴天和多云的天气条件下获得准确的大气温度数据成为了可能。在Westwater研究的基础上，NOAA和喷气推进实验室联合开展了一系列野外实验，旨在证明辐射计确实可以准确反演某季节、某位置的大气温度廓线，在多云条件下也不例外。本文比较了88组由气象探空仪和辐射计测得的温度和水汽廓线个例。在这88次的观测中，有54个都是在有云或多云时进行的，引入的云的修正方法可减少温度廓线的误差，使其更接近晴天条件下的预期。

2.实验说明

实验在加利福尼亚的太平洋导弹测试中心（PMTC）进行。第一阶段：2月24日到3月17日，第二阶段：7月16-30日。第一阶段探测21条廓线时基本都是晴天条件。第二阶段22条廓线中的16条是在多云条件下反演的。1977年2月15到3月26日期间，在Alaska海湾P海域一艘加拿大轮船Quadra上，更严峻的天气条件下进行了一组实验，期间反演的45条廓线中35条都是多云时的观测。

喷气推进实验室的专家所用的微波辐射计与Nimbus 6卫星（Staelin等，1975）上使用的相似。它有52.85，53.85和55.45GHz三个氧气吸收通道，一个水汽吸收通道（22.235GHz），一个窗区通道（31.65GHz）。辐射计的扫描仪以仰角为7.5°为梯度，在plusmn;45°的范围内扫描。每扫描一个天顶角停顿1s，每分钟观测一次。天线也瞄准一受温度影响的目标物，用来校正角度扫描得到的数据。尽管不同天顶角的辐射都可以用来反演大气廓线，鉴于其它角度的数据需要订正浮标移动带来的误差，我们只用了天顶点测得的温湿数据。简单来说，笔者通过对每分钟的18~24个测量值取平均，来求出辐射计在天顶角处测量值，得到对应的廓线。除了微波辐射计五个通道的数据之外，笔者还用到了地面温度、气压、相对湿度数据和定期放空气象探空仪得到的湿度廓线。

太平洋导弹测试中心和阿拉斯加海湾的员工定期放空气象探空仪，用于比较辐射计的廓线。在每一组对比中，辐射计所在的位置和探空仪发射的地点都相同。除了三次在轮船上，探空仪和辐射计开始观测的时间有差异（不到1小时的时间差）之外，其余的每一组对比中，辐射计的反演都和气象探空仪的释放同步。

3.分析

微波和红外两种微波仪器的温度廓线都是用统计学上的反演算法实现的。如果已知仪器测量时的精度，这种算法也可用来预测反演的精确性。

之前的学者用晴天条件下氧气混合物的热辐射量来反演温度。然而，有云情况下，云粒子的辐射会使反演的大气温度较其在晴空条件下的值有显著误差。尤其是在微波辐射计这样自下而上反演的情况下，误差更是不可小觑。45GHz以下波段的微波发射对大气温度层结不敏感，这些低值段的辐射值的大小在很大程度上取决于水的多少。因此，45GHz及更低频率下的辐射值可以被用来纠正云的辐射对温度的影响。不止云中液水，还有水汽的辐射，因此需要两个不同波段的辐射值来校正。正如Westwater等人的（1976）描述，我们的算法是为了计算与晴空辐射等价的，有云时氧气吸收带和非氧气吸收带的辐射。Fowler等（1975）也开展了与之相似的工作。反演廓线时，我们都使用有8个元素的矢量来估计与辐射仪5个通道等价的晴天辐射的最小方差。矢量中的8个元素包括5个对应通道有云时的辐射值、表面温度、压力和相对湿度（更高级的产品也有这些量）。与晴空条件下等价的辐射反演结果的数据集可以接着用在反演算法中，获取温湿阔线。晴空条件下的等价辐射还可以与受到不同程度云和水汽影响（不同厚度的云、出现频率低的云）的辐射相结合。使用上述算法时，我们假定知道当时是否有云。首先，用上文提到的8种矢量值来算出液态水和水汽的总量来进行划分。如果算出的液体总量超过一临界值（通常取20微米），就将观测的结果分类为“多云条件下”。用于支撑这个算法的数据集包括一组晴天和一组多云条件下的廓线样本。

总之，我们的分析使用统计反演算法1）通过云的液水含量和水汽含量的和，将观测时的天空状态分为晴空和有云 2）通过晴空时的辐射来推断有云情况下的等价辐射3）反演温度和水汽廓线。

为了消除由于仪器本身或者引入错误的吸收系数而带来的偏差，我们计算了晴空条件下的样本的亮温。 假定探空仪的观测是真值，用氧气吸收模型计算亮温。鉴于三个阶段的实验中使用的是不同的仪器，每个阶段的野外试验开展前都对所用仪器进行了校订：由11个第一阶段、5个第二阶段、10个第三阶段晴空条件下的案例计算得到表1中列出的偏差，用来校订该阶段微波辐射的观测值。下文会详述这些个例的统计分析。表1也包括了校订、消除相应偏差后观测值的标准偏差。

4.云模型

前一节中提到的算法的建立需要有能代表云状况的参数数据集。这些参数包括云底高度、云的厚度，云内的液水容量，温度等。如果在某一点相对湿度超过了95%，就将云插值在探空仪探测大气温湿度的先验数据集中。具体来说，云底高度就是从下到上，湿度超过95%的点所在的高度，而其厚度就是再向上时，湿度低于95%的临界点的高度。有些廓线中会有包含2层或更多层云。因为探空仪无法直接测出液水密度，所以需要建立模型来计算参数值，将其增加到数据集中。假定云层内部的液水密度随着高度变化是连续的。从图1中的云厚－液水浓度模型中，通过云的厚度，对应找到三个阶段中，探空仪观测的云内液水密度。这些模型适用于判断大部分非降水云的液水密度，并把薄云的液水密度限定在一很小的值。所以每当探空仪探测到相对湿度高于95%时，就可以整合出四条廓线：晴空时、三种不同液体密度时。 Westwater等给出了五个海上气象站上空的云各参数的分布和变化。因为云的各参数富于变化，所以不需要知道云内具体的结构如何，我们也能知道有无云，检验对“有云”、“无云”的判断。本研究表明再54GHz以上的波段，晴空大气辐射和有云影响时的大气辐射的数值接近仪器噪音。而在54GHz以下的波段，噪音增加，这应与生成廓线时的反演算法有关。

图1.热辐射模式中用到的云厚-液水浓度模型

本文用到的太平洋导弹测试中心2-3月大气廓线实验的数据集来自Pt.Mugu气象探空仪。第一阶段用的1973、1974年为期3个月（73年2～4月，74年2～4月）的数据。第二阶段用的同年7～9月的数据，第三阶段用的从海洋站P获得的1966,1967年2～4月数据。

5.结论

图2是反演的温度、水汽廓线个例。垂直方向上的数值是该高度的大气压与地表气压的差值。需要注意的是，图中标记的100mb气压差对应的是0.9km几何高度，300mb对应的3km，500mb对应5.6km，800mb对应12km。廓线上每两个点在垂直上对应10mb的高度差。

从这些个例可以看出微波反演较高层时的温度时的廓线、所有高度的水汽廓线都明显光滑，由此得出这个微波反演不适用于反演水汽。7月16和22日的个例中的辐射数据表明了有云的存在，这两天云的等价液水含量分别是150微米和327微米。这样的云在55.45GHz以外辐射通道的辐射值很大。

图3中的T曲线T1、T2、T3是三次实验（曲线E1、E2、E3）对应的晴空状况下精度1k的辐射计理论上的均方根误差廓线。取的均方根误差是气象探空仪的观测和微波辐射仪观测的均方根误差。因此，我们假定气象探空仪无误差，其测量值是真值。曲线T3表示的是进行了先验表格是预期的理论精确度，也就是说没有观测时的廓线。这个就是先前总量平均值的标准偏差。E3曲线是相对应的实验观测总量，也就是说，先前数据平均值与实验得到的气象探空仪廓线有差异。如果用地表温度、气压和相对湿度作为预测值，如曲线 T2和E2所示，先验平均的精度便会提高。最后理论预测的精度和实际的精度再由完整的五个通道的辐射、三个地表参量（温、压、湿）的数据集得出，如T1和E1所示。

图2 反演的温度和水汽含量案例 实线是探空数据，点画线是微波辐射计

如此分析可以看出反演的温度廓线的精度和理论预测值的精度非常接近。在2月~3月Pt.Mugu的实验时间期间的温度差异比图3a中的E3曲线所示的先验样本要大，但是正如E1曲线所示，这种差异随后便减小，接近于理论预测值。而在太平洋导弹测试中心7月的那一阶段的试验中，除了离地表100hPa（即900hPa）高度上的温度差异稍大，其余高度的温度差异都非常小，先验平均效果甚微。不过在这一阶段的实验期间，不少观测都是在确实有云的情况下进行的，因而验证了我们云订正的算法。试验期间的这些云基本上都是低云，从辐射测量值推断，其液水含量大约100-300微米。从图4中的曲线与图3b中的曲线E1趋势相近，说明反演的精度有提高。很明显，若是没有云订正，误差会大幅增长，而云订正算法有效地消除了误差。在阿拉斯加海湾的第三阶段观测也有一些是在有云时进行的，其中不乏云的液水路径高达900微米的个例。图3c中，观测实验期间从地表到距地面500hPa高度（即500hpa）的辐射值与理论预测值较为接近，但如E1所示，在500hPa以上误差便增大了。

图3a 1976年2月~3月Mugu山上水汽和温度廓线的理论值和实际观测值 T为理论值，E为试验观测值；曲线1是5个微波通道和地表温压湿反演的廓线；曲线2是只用地表数据反演的廓线；曲线3是先验平均

这三个阶段反演的温度与预测值的误差曲线表明在500mb高度层以上，甚至包括对流层顶以上，都有可观的数据。但这些数据可能是因为高层与低层的温度本身就有一定相关性而推得的。因此，在反常天气、极端条件下测得的高层温度不可靠。这一点从温度加权函数的形状中也可以明显看到：这些波段，地表温度能达到最大值，但在这些高度上却降到很低。

图3b，7月在Pt.Mugu的观测的温度扩线，尤其是地表以上100hPa（900hPa高度）的水汽廓线的误差很大的原因是海洋沉降反演的明显分界线被抹平了，从图2中，7月的个例就能看出。不过应用在气象领域上，尤其是用在可能从海洋浮标获取观测数据的数值模式上时，会将特定高度的温度取平均，高度层间的参数差异便不在显著。图5中，我们用微波辐射计和无线电探测仪反演的廓线计算了几个常用的高度层，1000～850hPa、850-700hPa、700－500hPa、500-300hPa间的厚度（等价于平均虚温）的散点图，给出了每一层中辐射计和探空仪观测结果的均方根差。1000-850hPa层，厚度的均方根差是5.0m，而平均温度的均方根是1.1℃。相类似地可以看到，850-700hPa层温度的均方根差是1.6℃，700-500mb层温度的均方根差是2.0℃，500-300mb层温度的均方根差是2.8℃。

图4 云订正前后，利用五个微波通道反演的温度廓线的准确性

图5. 探空数据和微波反演的云层厚度对比

图6 微波辐射计和无线探空反演的可降水量对比

图6比较了微波辐射计和无线电探空仪反演的水汽含量（可降水量）。两者的反演结果大体一致，但是较只有0.1cm均方根差的预测值，0.32cm的均方根差表明微波辐射计和无线电探测仪之间还是由一定差异的。Staelin等(1976)和Grody(1976)使用卫星资料反演水汽时也得出了类似结论：预测值的均方根差是0.2cm，而卫星上的微波辐射计却和探空仪之间有0.4cm均方根差。很多因素带来这种误差，比如辐射计和探空仪仪器本身的不准确性，卫星上的探测器受到地表散射辐射和长波辐射的影响等。水汽吸收系数的不确定性也是误差的一个重要来源。

6.总结

通过比较晴空和多云条件下地基微波辐射计反演的的温度廓线与气象探空仪反演的廓线，得出两者反演结果比较一致，而且能达到预期精度。三个阶段观测的数据中，从标准大气压（地面）到500hPa高度的平均温度均方根误差为1-2℃。较为准确的观测值可以用于数值天气预报，在数据匮乏的地区这些观测更为有用。

同时也比较了辐射辐射计和气象探空仪反演的水汽廓线和液水含量，但是这两个参数的差异要略大于预期值。这种差异有一部分原因是探空仪本身在观测时的不准确性，还有一部分原因是我们对水汽吸收系数的认识尚浅。

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