来自无线电探空仪、GPS、中分辨率成像光谱仪测量可沉淀水蒸气的比较外文翻译资料

英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

来自无线电探空仪、GPS、中分辨率成像光谱仪测量可沉淀水蒸气的比较

Zhenhong Li, Jan-Peter Muller, and Paul Cross

伦敦大学学院地理工程系，伦敦，英国，

摘要：蒸气在地球上的时间和空间上都是高度可变的，并且水蒸气分布的知识对于理解天气和全球气候是至关重要的。此外，对于高精度干涉合成孔径雷达（InSAR）应用，由于其对微波信号的显着影响，需要大气水蒸气量的知识，这是本研究的主要动机。为了评估不同仪器的性能，即无线电探空仪（RS），全球定位系统（GPS）和中等分辨率成像光谱辐射计（MODIS）和测量可沉淀水蒸气（PWV），在大气层辐射测量Southern Great Plains站点和Herstmonceux站点在8-11个月期间用于时间序列比对。

关键词：水汽，MODIS，GPS

在这项研究，Terra MODIS近红外水汽产品进行了检查。此外，MODIS PWV和GPS PWV的第一空间比较使用覆盖所有德国并由GeoForschungsZentrum波茨坦提供的数据进行。无线电探空仪和GPS之间PWV的时间序列比较显示，来自无线电探空仪和GPS的PWV的比例因子达到4％，相关系数高于0.98，标准偏差约为1 mm。与GPS PWV相比，维萨拉RS90无线电探空仪发现了明显的昼夜差异，夜间发射的比例因子增加了4％，但总体上更好。还表明，GPS PWV和RS PWV彼此比MODIS PWV更好，并且MODIS PWV相对于GPS或RS的差异大于GPS PWV和RS PWV之间的差异。 MODIS PWV似乎高估了对PW的PWV，比例因子从1.14到1.20，标准偏差从1.6到2.2mm。 MODIS PWV似乎高估了PWV对GPS的影响，比例因子从1.07到1.14，标准偏差在时间序列上从0.8到1.4mm不等。相对于MODIS PWV的较大差异可能是由于MODIS检索的光谱数据库中的不确定性，由MODIS测量的辐射中的校准不确定性，三个系统的操作差异以及在GPS和MODIS PWV检索中采用的不同映射函数。我们得到一个线性拟合模型来校准MODIS PWV，已经实现了校准的MODIS PWV和GPS PWV在空间中的更好的协议。这表明在应用于正确的InSAR测量之前，应使用线性拟合模型更新或校准MODIS PWV产品。此外，已经评估了来自英国气象局和怀俄明大学的标准分辨率（重采样）无线电探空仪数据的潜在准确性。这证明当使用标准分辨率数据时需要谨慎。

1、介绍

水蒸汽是大气中能量转移的基础[Rocken等，1997]。它是最重要和最丰富的温室气体之一

地球的大气，保持地球表面的温度高于冻结水平。大气水汽在水文循环中起着关键作用，而水文循环又对地球气候产生根本性影响。水蒸气的分布在空间和时间上变化很大，其值在赤道附近约5cm到在极点处小于十分之一[Mockler，1995]。这些变化可能导致当地天气突然变化。为了开发准确的天气预报和全球气候模型，至关重要的是尽可能准确地监测水蒸气。

从大地测量的角度来看，已知无线电信号传播中的对流层延迟（特别是由于水蒸气的部分）是来自非常长的基线干涉测量（VLBI），雷达测高法，全球定位系统GPS）和干涉合成孔径雷达（InSAR）。现在广泛接受的是，大地测量观测例如GPS和VLBI提出了用于水蒸气遥感的新方法。相比之下，水蒸汽仍然是InSAR的主要限制，虽然干涉雷达气象学（IRM）已经用于使用InSAR技术研究水蒸汽[Hanssen等，2001]。因此，大气水汽量的知识是高精度InSAR应用的重要要求，这是本研究的主要动机。 Zebker等人[1997]提出，相对湿度的20％空间或时间变化可能导致变形测量检索中的10厘米误差和对于具有不利基线几何的干涉测量对的导出数字高程模型（DEM）中的高达100微米误差。

气象学家已经定义了几个不同的术语来表示大气水汽的量，最常见的是可沉淀的水蒸气（PWV）。 PWV定义为在任何两个指定水平之间延伸的单位横截面积的垂直塔中包含的总的大气水蒸气，并且通常以该水物质在容器中完全冷凝和收集时所处的高度表示相同的单位截面[美国气象学会（AMS），2000]。它也被称为总柱水蒸汽[Ferrare等人，2002]。目前，PWV的测量可以通过多种方式获得，从原位测量到卫星的遥感[Mockler，1995; Chaboureau等人，1998]。本文的目的是使用来自不同仪器的PWV检索，通过比较来评估它们的性能。这些仪器是无线电探空仪（RS），GPS和中度分辨率成像光谱辐射计（MODIS）。

无线电探空仪网络一直是监测大气水汽的主要原位观测系统。 无线电探空仪提供气象变量的垂直剖面，如压力，温度和相对湿度。 有时，也可以获得风信息。 然而，无线电探空仪的使用受到它们的高运行成本，在寒冷干燥条件下传感器性能的降低以及它们对海洋和南半球的覆盖不良的限制。 通常，无线电探空仪预期产生具有几个不确定性的PWV毫米，这被认为是气象学家PWV的准确度标准[Niell et al。，2001]。

GPS是用于测量可沉淀水蒸气的日益操作的工具，其在气象界获得了很多关注。 GPS信号在通过对流层传播时被延迟。总对流层延迟可以分为主要由大气中的干燥气体引起的静水压力项和由水蒸气引起的折射率引起的湿度项[Davis等人，1985]。 GPS测量使用映射函数提供总天顶延迟（TZD）的估计。给定局部表面压力，可以计算天顶静水压延迟（ZHD）。从TZD减去ZHD产生天顶湿延迟（ZWD），从中PWV可以推断[Bevis等人，1992]。 GPS的主要优点是它使连续测量成为可能。此外，当前连续GPS（CGPS）网络的空间密度远高于无线电探空网络的空间密度，其资本和运营成本远低于RS。 GPS用于检测PWV的潜力已经被很好地证明[Emardson等人，1998; Niell等，2001]。在以前的研究中已经报道了在GPS，RS和微波水蒸气辐射计（WVR）之间的PWV的1-2mm水平的协议[Emardson等人，2000; Niell等，2001]。 Williams等人[1998]使用Treuhaft和Lanyi（TL）统计模型来评估异质对流层对合成孔径雷达（SAR）干涉图的影响，声称可以使用CGW估计ZWD来减少SAR干涉图中的大气噪声。他们还发现，当使用克里格空间内插器时，对于5mm的精度，需要10km的平均间隔。

空间监测是在全球基础上评估水蒸气分布的唯一有效方法，已经实施了各种任务来监测水蒸气量（例如，电视和红外业务卫星（TIROS）运行垂直发声器（TOVS） ，特殊传感器微波/成像仪（SSM / I）等）[Chaboureau等人，1998; Randel等人，1996]。最近，两个国家航空和航天局（NASA）MODIS仪器不断测量大气水汽量。第一次于1999年12月18日在泰拉平台上启动，第二次于2002年5月4日在Aqua平台上启动。 MODIS近红外总水产物（MODIS产品，MOD_05）由白天只有总柱大气水汽（称为MODIS PWV）组成。用于MODIS水汽回收的技术使用以0.905,0.936和0.94mm为中心的水汽吸收通道的辐射率与在0.865和1.24mm的大气窗口通道的比率。 MODIS PWV被声称以5-10％的精度确定[Gao和Kaufman，2003]。对于通过黑暗表面或在朦胧条件下收集的数据的检索，错误将更大[Gao和Kaufman，2003]。

在本文中，第2节给出了三种仪器获得ZWD（用于GPS和RS）和PWV的检索技术的描述。第3节描述了RS，GPS和MODIS PWV之间的时间序列比较结果。 在第4节，介绍了GPS和MODIS PWV之间的德国空间比较的第一次尝试以及校准方法，然后在第5节进行详细讨论。在第6节，总结了本研究的结论。

表1. RS数据集的摘要

2.数据描述和处理策略

2.1。 无线电探空仪

在这项研究中，使用大气辐射测量（ARM）南部大平原（SGP）和Herstmonceux（HERS）位置的无线电探空仪数据，ZWD使用由戴维斯 。Herring和A.Niell of Massachusetts Institute of Technology，Cambridge（MIT）。 假设测量的压力，温度和露点下降沿严格垂直上升获得[Niell等人，2001]，虽然观测证据表明，RS上升很少严格垂直，因为风通常存在于所有高度。 使用表面温度将ZWD转换为PWV（参见第2.2节）。

2.1.1。 ARM SGP和HERS站点

ARM SGP站点位于俄克拉何马州北部（36.61°N，97.49°W，平均海平面（AMSL）317.0 m，表1），维萨拉RS90无线电探空仪已经启动了四次 RS90相对湿度分辨率报告为1％，重复性报告为2％，重复性报告为2％，探测结果的不确定度为5％。 使用标准地面站软件处理从无线电探空仪发送的原始数据，并在以2-s分辨率输出之前进行质量控制（即，过滤，编辑和插值）。 本研究中使用的无线电探空资料涵盖2001年12月2日至2002年8月1日期间。

HERS位点位于英国东萨塞克斯郡的50.90Delta;N，0.32Delta;E，50.9m AMSL（表1）。维萨拉RS80-H无线电探空仪自2001年12月初以来每天在2315和1115 UT每天发射两次，当需要更详细的大气条件开销时，额外发射有时发生在0515和1715 UT（J. Jones，private communication ，2003）。 RS80相对湿度的测量范围和分辨率与RS90相同，但是重现性被引用为lt;3％。 Vaisala RS80收音机的一个常见问题

发现它们已经被发现表现出干偏压，这是由于在存储期间湿度传感器的污染导致的，并导致报告的相对湿度值低于实际的[Liljegren等人，1999; Wang，2002]。维萨拉在1998年9月将包装中的干燥剂类型从粘土改为活性炭和硅胶的混合物，并于2000年5月在RS80无线电探空仪上引入了一种新型的保护屏障[Wang等人，2002]。 Wang [2002]评估了新的传感器臂盖的性能，发现带有传感器臂盖的RS80-H无线电探空仪没有污染。因此，不需要污染校正，但是使用模拟的地面检查校正来校准HERS场地的RS数据的无线电探空仪湿度传感器（J.Jones，private communication，2003）。在2002年7月16日至2002年10月31日期间，本研究的HERS现场有280份高分辨率概况。

2.1.2。 高分辨率和标准分辨率数据

无线电探空仪通常以大约2秒的间隔进行测量。高分辨率配置文件包含所有这些数据。相比之下，标准分辨率分布仅包含在特定压力水平下从高分辨率数据重新采样的测量。不同的提供商应用不同的标准来选择传输和归档的压力级别。例如，英国办公室（以下简称UKMO）标准分辨率无线电探空仪数据包含所谓的标准和显着压力水平的测量。标准压力水平为1000,925,850,700,500,400,300,250,200,150,100,70,50,30,20和10hPa，并且根据UKMO标准计算显着压力水平并且构成在概况（例如，转折点）中发生重要事件的水平。相比之下，怀俄明大学标准分辨率无线电探空仪数据（以下简称UWRS）包括用温度和相对湿度标准评估的一些附加水平。

为了检查无线电探空仪分辨率对ZWD的影响，在ARM SGP和HERS站点上进行UKMO，UWRS和高分辨率无线电探空仪数据（HRRS）之间的比较。 所有这些数据包括压力，温度和露点的高度分布，但它们的分辨率不同。 用于比较的无线电探空仪数据的概述在表1中给出。

图1. 2001年12月1日至2002年8月1日期间高分辨率无线电探空仪（HRRS）和UKMO标准分辨率无线电探空仪之间的比较ZWD估计值高于ARM SGP站点。两种方法用于处理UKMO标准分辨率数据：一种是 UKMOEL没有填充轮廓中缺失的高度值，另一个是UKMOHF，使用高度计公式填充缺失的高度值（见第2.1.2节）。 （a）来自HRRS和UKMOEL的ZWD估计; （b）HRRS和UKMOEL ZWD估计之间的相关性; 绘制完全拟合线（虚线）和最小二乘回归线（实线）; （c）来自HRRS和UKMOHF的ZWD估计; （d）HRRS和UKMOHF ZWD估计之间的相关性。

由于UKMO剖面包含仅在强制水平的高度，并为气象变量提供了更高的分辨率[Mendes et al。，2000]，因此应用两种方法来处理UKMO数据。 第一种方法消除了在声音中没有任何高度，压力，温度或露点的观察的任何水平（除了10km以上的层，其中仅检查高度，压力和温度，因为光线跟踪程序使用一个模型来填充缺失值）（UKMOEL）。 第二种方法与第一种方法相同，不同之处在于，使用超测量方程（UKMOHF，下文）从报告的温度和压力计算缺失高度[Wright，1997; V. Mendes，private communication，2003]。在表1中，显然UWRS具有比UKMO简档更多的级别，并且UKMOEL具有比UKMOHF更少的级别。

表2.用于比较来自不同RS数据集的ZWD的比例因子和零点偏移

a关系为A = aB b。

b此列中括号中的值指由于2s排除而省略的值。

（chi-square /（N-2））乘以平方根，其中N是样本数。

d线性最

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[27044]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word