NOAAAMSU遥感探测大气温度廓线

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大气温湿廓线雷达标定

大气温湿廓线雷达标定-概述说明以及解释1.引言1.1 概述大气温湿廓线雷达是一种用于探测大气中温度和湿度分布的重要工具。

其原理是通过发射无线电波并接收其回波来获取大气中的温度和湿度廓线数据。

大气温湿廓线雷达标定是确保雷达数据准确性和可靠性的关键步骤。

本文旨在介绍大气温湿廓线雷达标定的方法和重要性，以及该领域面临的挑战和解决方案。

通过标定，可以消除雷达系统中的误差，并提高数据的可靠性和精度。

这对于气象预报、气候研究等领域具有重要意义。

在本文的第二章中，将详细介绍大气温湿廓线雷达的工作原理和标定方法。

我们将探讨不同的标定技术和算法，以及它们的适用性和优缺点。

此外，我们还将讨论大气温湿廓线雷达标定的重要性，包括其对数据精度和可靠性的影响。

然而，大气温湿廓线雷达标定面临着许多挑战，比如依赖于环境条件的变化、传感器的漂移和校准等。

在第二章的最后，我们将探讨这些挑战，并提出解决方案，以提高标定过程的准确性和稳定性。

最后，在结论部分，将总结本文的主要观点和发现，并展望未来研究的方向。

这对于进一步完善大气温湿廓线雷达标定技术，提高数据质量和可靠性具有重要的指导意义。

总之，本文旨在为大气温湿廓线雷达标定领域的研究和实践提供有价值的参考和指导，以推动相关领域的发展。

1.2 文章结构文章主要分为引言、正文和结论三个部分。

引言部分主要对大气温湿廓线雷达标定的概述进行介绍，包括对大气温湿廓线雷达的原理、标定方法和重要性进行简要说明。

另外，还对本文的结构和目的进行概括，以便读者能够清楚地了解全文的内容安排和主题。

正文部分是本文的核心内容，将分为多个小节来详细介绍大气温湿廓线雷达的原理、标定方法、标定的重要性以及所面临的挑战和解决方案。

其中，2.1节将详细探讨大气温湿廓线雷达的原理，包括其基本原理、工作原理和相应的算法实现等。

2.2节将介绍大气温湿廓线雷达的标定方法，包括常用的标定方法和标定技术的发展趋势等。

2.3节将重点强调大气温湿廓线雷达标定的重要性，包括对大气科学研究和气象预报等方面的意义。

利用高频微波被动遥感探测大气

３高频氧气吸收线用于反演大气温度廓线
目前已采用１１８．７５ＧＨｚ氧气吸收线附近通道反演温度廓线ｎｕ，其优点有：①与５０～７０
Ｃｍｚ吸收带相比，空间分辨率可提高一倍；②是一条几乎完全对称和孤立的吸收线，离其它
Ｏ。吸收线足够远，因此可忽略重叠（ｏ、啊ｋＬｐｉｎｇ＞效应；③与红外波段相比，具有一定穿透云的
Ｗａｎｇ等嘲还考察了云对毫米波反演水汽廓线的影响。航飞反演结果表明，在有云大气时的大多情况（８０％），云的影响不大，但在雷暴上空反淡精度很差。Ｂｕｍ８等㈣提出，根据１８３．３士３ＧＨｚ与１８３．３士１ＧＨｚ的亮温差，可以在水汽廓线反演前去除强对流降水区域。
如果高频接收元器件研制方面有突破的话，那么还可使用更高频率的水汽共振吸收线来反演大气水汽／廓线。Ｂｈｃｋｗｅｕ和Ｓ蚀ｄｉｎｎｌ’用数值模拟方法，考察了用３８０．２ＧＨｚ水汽吸收线反演水汽廓线的能力：结果表明，使用具有更好的空间分辨的３８０．２ＧＨｚ附近通道，在４００ｍｂ（约７．３ｋｍ）以下反演效果不如１８３．３Ｇ】舷，但在４００ｍｂ以上效果较好。
万方数据
５２
遥感技术与应用
第１４卷
直到８８０ＧＨｚ，具体是１５０，２２０，３４０，５００，６３０和８８０Ｇ脚。结果表明，５００ＧＨｚ以上高频也
可以遥感探测高层卷云，但由于水汽的吸收衰减，遥感低卷云的能力大大减弱。在高频，亮温变化几乎正比于卷云柱水量（ｉｃｅｗａｔｅｒｐａｔｈ：ＩＷＰ）；双通道亮温差允许确定粒子平均尺寸。
第１４卷第２期１９９９年６月
遥感技术与应用
融ｅＭＯＴＥＳＥＮＳ矾ＧＴＥＣ｝玎ｑ０队）ＧＹＡＮＤＡＰＰＵＣＡＴｌ０Ｎ
ｙ以．１４ⅣＤ．２Ｊｋ扎．１９９９
利用高频微波被动遥感探测大气

静止轨道微波大气探测的技术现状与发展展望

静止轨道微波大气探测的技术现状与发展展望卢乃锰;谷松岩【摘要】分析了静止轨道微波大气探测的重要性，介绍了发展静止轨道微波大气探测的国内外技术现状和所面临的技术挑战。

在论述新型干涉式综合孔径技术体制优势的基础上，提出将传统真实孔径与新型干涉式综合孔径技术体制相结合，发展我国静止轨道微波大气探测的设想。

%The importance of atmospheric microwave sounding onboard the geostationary meteorological satellite is analyzed, and the technical challenge being faced with the development of the microwave instrument is introduced. After discussing the advantage of a new type of microwave interference synthesis aperture radiometer, a hybrid system, combing the traditional real aperture and the synthesis aperture together, is proposed. This hybrid system could be valuable to the development of Fengyun geostationary microwave satellite.【期刊名称】《气象科技进展》【年(卷),期】2016(006)001【总页数】4页(P120-123)【关键词】静止轨道微波探测;真实孔径;干涉式综合孔径【作者】卢乃锰;谷松岩【作者单位】国家卫星气象中心，北京100081;国家卫星气象中心，北京100081【正文语种】中文对台风、暴雨、强对流等灾害性天气过程的高时效、高精度监测对提高天气预报准确率具有重要意义。

NOAA／AMSU温度反演在强热带风暴“碧利斯”研究中的应用

以来，凭借着覆盖范围广、间分辨率高、间取样频率空时
高、以穿透云层等优势，广泛应用于台风监测、可被常规天气预报、中尺度强降水监测等方面的研究，中最重要其的研究领域就是热带气旋的分析及预报研究。ＮＡ／ＯＡＡＵ可以全天候观测，ＭＳ能够给出云下大气参数的分布，可以针对台风中心定位、暖心结构分析、各高度层中心风速、降水率估计、湿度等分析研究。ＡＵ资料被国内外众多学者广泛应用于台风研究。ＭＳＫｄｅ等 …选取了１９的台风，ＡＵ温度距平估ｉｄｒ９８年用ＭＳ
图１所示。
ＱｉＳＡｕｋＣＴ散射计获取的海面风场资料，助ＵＢ借ＷＰＬ模式反演海平面气压场，以此反映台风强弱，但该模式反演
的气压场误差会随台风强度的增加而增加。不难发现，上述研究主要从可获取数据出发，用ＡＵ数据，应ＭＳ分析中心海平面最低气压或台风区域雨强。２００６年７月８日在关岛附近形成的热带低气压，９日在菲律宾以东洋面上生成热带气旋 “ 碧利斯”，０日增强１为强热带风暴。１３日１：０在台湾省宜兰登陆，４日１０１１：０２５在福建省霞浦北壁镇沿海再次登陆，陆时中心气登压９５ｈａ中心风速３／。“ 利斯 ” ７Ｐ，０ｍｓ碧路径飘忽，移动速度忽快忽慢，点显著。本文充分利用中国海洋大学特卫星地面站接收并经过Ｓａｐｃｅａｃｎ软件系统反演ｅＳａｅＴｒＳａ

用于大气温度廓线测量的瑞利-拉曼激光雷达

用于大气温度廓线测量的瑞利-拉曼激光雷达卜令兵;郭劲秋;田力;黄兴友;刘博;冯永伟【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2010(22)7【摘要】大气温度廓线及其时间演变特征资料在地球科学领域具有重要的应用,为获取高时空分辨的大气温度的垂直分布,建立了瑞利-拉曼温度测量激光雷达.介绍了瑞利-拉曼激光雷达进行温度测量的主要原理和研制的瑞利-拉曼激光雷达的主要参数;数据处理方面,通过背景噪声剔除和小波算法降噪提高系统的信噪比;使用研制的激光雷达对大气温度廓线进行观测,将观测结果与大气模式数据和卫星观测结果进行对比,均显示较好的一致性,证明了激光雷达温度测量结果的准确性,其温度测量数据可以用于气象学研究.【总页数】4页(P1449-1452)【作者】卜令兵;郭劲秋;田力;黄兴友;刘博;冯永伟【作者单位】南京信息工程大学,气象灾害省部共建教育部重点实验室,南京,210044;南京信息工程大学,气象灾害省部共建教育部重点实验室,南京,210044;南京信息工程大学,气象灾害省部共建教育部重点实验室,南京,210044;南京信息工程大学,气象灾害省部共建教育部重点实验室,南京,210044;中国科学院,安徽光学精密机械研究所,大气光学中心,合肥,230031;国家知识产权局,专利审查协作中心,北京,100190【正文语种】中文【中图分类】TN958.98【相关文献】1.瑞利激光雷达探测大气温度廓线 [J], 何志芳;肖敏;姚秋云;段文静2.基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量仪设计 [J], 江伦;张雷;董科研;安岩;王超;佟首峰3.南京地区低空雾霾气溶胶的拉曼-瑞利-米激光雷达测量 [J], 曹念文;杨丰恺;施建中;王帆;田力;卜令兵;夏俊荣4.探测对流层底部CO_2廓线振动拉曼激光雷达定标实验 [J], 赵培涛;周建坤;曹开法;胡顺星5.DCIM激光雷达测量湍流廓线反演算法及数值仿真研究 [J], 黄克涛;吴毅;侯再红;靖旭;程知;崔利果因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

地基红外高光谱遥感大气温湿廓线反演研究综述

ｖａｐｏｒｐｒｏｉｆｌｅｓａｘｅｏｆｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｔｏｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｒａｄｉａｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒ，ｖｅｒｔｉｃａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅａｖａｉｌａｂｌｅ
摘要：作为气象学和气候学研究的重要参量，温湿廓线在辐射传输过程、层结稳定
度、对流有效位能、降水过程以及云的形成和演变过程中具有பைடு நூலகம்要作用。目前，对大气温湿廓线的遥感探测主要有激光雷达、微波辐射计以及红外高光谱分辨率探测器等探测技术。总结了地基红外高光谱遥感大气温湿廓线在仪器、反演算法等方面的研究进
文章编号：１６７２ — ８７８５（２０１５）￣１．００１ — ０６
地基红外高光谱遥感大气温湿廓线反演研究综述
黄威高太长刘磊
（中国人民解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京，２１１１０１）
ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｒｅｔｒｉｅｖａｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｒｅｔｒｉｅｖａｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｘｅａｐｒｅｓｅｎｔｅｄｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｄｉｆｅｒｅｎｔａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｉｎｒｅｔｒｉｅｖａｌａｃｃｕｒａｃｙ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｏｍｐｕｔｉｎｇｔｉｍｅａｒｅａｎａｌｙｒｚｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎａｎｄｆｕｔｕｒｅｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｗａｔｅｒｖａｐｏｒｐｒｏｉｆｌｅｒｅｔｒｉｅｖａｌｂｙｉｎｆｒａｒｅｄｈｙｐｅｒ－ｓｐｅｃｔｒｉａｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒｒｅａｄ；ｈｙｐｅｒ－ｓｐｅｃｔｒａｌ；ｒｅｇｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ；ｏｎｉｏｎｐｅｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄ

AMSU-A全空辐射率资料同化对台风“天鸽”的预报影响研究

AMSU-A全空辐射率资料同化对台风“天鸽”的预报影响研究张涛; 姜立鹏; 师春香; 周自江【期刊名称】《《大气科学学报》》【年(卷),期】2019(042)005【总页数】10页(P705-714)【关键词】资料同化; 全空辐射率; AMSU-A; 台风; 天鸽【作者】张涛; 姜立鹏; 师春香; 周自江【作者单位】国家气象信息中心北京100081【正文语种】中文近年来,随着卫星遥感技术、同化方法、辐射传输模式、数值模式等方面的不断发展,不同平台不同探测方式的卫星资料同化得到了越来越深入的研究(李刚等,2016a;钟亦鸣等,2016;夏宇等,2018)。

在全球大多数的数值天气预报系统中,卫星资料占据了所有同化资料的90%～95%(Bauer et al.,2010;钟亦鸣等,2016)。

然而由于云和降水的影响,超过75%的卫星资料在质量控制时被剔除掉(官莉和陆文婧,2016;Wang et al.,2018a)。

但这并不意味着这些卫星辐射率资料不重要,而是因为它们在数值模式中的使用存在着一定的难度(李刚等,2016b)。

对于卫星观测资料来说,受到云和降水影响的资料信息很难从主要的观测量(如温度和湿度)中剥离出来(Bauer et al.,2011)。

云和降水的发生发展过程往往显示出一些天气过程的重要动力及热力特征,并且模式在预报过程中也对初始场中云水信息较为敏感。

开展对受云和降水影响的卫星资料的同化研究,实现卫星资料的全空同化,对提高资料同化水平,改善数值天气预报效果尤为重要。

2009年3月以来,SSM/I和地球观测系统高级微波扫描辐射计(AMSR-E)的全空微波辐射数据已经被直接同化到ECMWF的业务4DVar资料同化系统(Bauer et al.,2010;Geer et al.,2010)。

随着通用辐射传输模式(CRTM)和预报模式的改进,NCEP在全空微波辐射同化方面取得很大进展,AMSU-A全空辐射率同化自2016年5月12日开始业务化运行(Zhu et al.,2016)。

大气垂直温湿度廓线的遥感监测与反演

大气垂直温湿度廓线的遥感监测与反演引言：大气中温湿度的变化对于我们的生活和工作有着重要的影响。

了解大气的温湿度垂直廓线是对天气现象、气候演变和环境变化等问题的研究至关重要。

然而，由于大气垂直廓线呈现三维空间分布，传统观测手段的局限性使得遥感技术成为了获取大气垂直温湿度廓线的重要途径。

本文将探讨大气垂直温湿度廓线的遥感监测与反演技术。

一、大气垂直温湿度廓线遥感监测的原理大气垂直温湿度廓线遥感监测是利用遥感传感器测量大气中特定波长的辐射能量来推导大气的温湿度分布情况。

不同波段的辐射能量与大气中的温湿度存在一定的关联性，通过对辐射能量的测量和分析，可以反推出大气的温湿度廓线分布。

二、遥感技术在大气垂直温湿度廓线监测中的应用1.红外辐射遥感红外辐射遥感是获取大气温度分布的重要手段。

基于大气辐射特性，在红外波段测量大气辐射能量，可以推导出大气的温度垂直廓线。

目前，红外辐射扫描仪在气象卫星、飞机和地面观测站等平台上得到了广泛应用。

2.微波辐射遥感微波辐射遥感可以获取大气中水蒸气含量的分布情况。

微波信号在不同频段与不同气象参数之间有一定的吸收关系，通过测量不同频段的微波辐射能量，可以反演出大气中的水汽含量和温度分布。

三、大气垂直温湿度廓线反演的挑战与发展方向1.数据处理与算法研究大气垂直温湿度廓线反演是一个复杂的数学问题，涉及到数据处理与算法研究的挑战。

如何从已知的遥感数据中反推出大气温湿度廓线分布需要精确的算法支持。

2.观测要素的选择与验证选择合适的观测要素是实现大气垂直温湿度廓线反演的关键。

不同波段的辐射特性和微波信号与气象参数之间的关系需要通过实验验证和数据对比进行确定。

3.仪器技术的发展与创新大气垂直温湿度廓线的遥感监测离不开仪器技术的支持。

随着科技的发展，新型的遥感传感器和探测技术的出现，将为大气垂直温湿度廓线反演提供更多的可能性。

结论：大气垂直温湿度廓线的遥感监测与反演技术是解读天气、气候和环境变化等问题的重要手段。

利用微波探测仪(ATMS)对在轨微波辐射计观测精度的模拟分析

利用微波探测仪(ATMS)对在轨微波辐射计观测精度的模拟分析杜明斌;王超;安大伟;李泓;李雪;杨何群【摘要】微波辐射计的观测精度及其对数值模式同化应用的影响评估是微波辐射计观测指标设计的重要参考.基于微波探测仪(ATMS)资料,利用三维变分同化系统模拟分析在轨微波辐射计的观测精度指标.针对ATMS观测误差特征,在其观测基础上增加均值为零、标准偏差分别为0.5,1.0,1.5,2.0K的正态随机扰动,进而获得不同精度的观测模拟值序列,然后利用Harris和Kelley的辐射资料偏差订正经验方法订正不同精度的观测资料.偏差订正后,利用三维变分同化模式(WRFDA)直接同化ATMS 资料.通过2016年6月6h预报场的同化试验,评估了不同观测精度的模拟资料对数值模式的同化影响.【期刊名称】《上海航天》【年(卷),期】2018(035)002【总页数】7页(P66-72)【关键词】卫星资料;微波辐射计;直接同化;观测模拟;观测精度;质量控制;偏差订正;随机扰动【作者】杜明斌;王超;安大伟;李泓;李雪;杨何群【作者单位】上海市气象科学研究所,上海 200030;上海市气象科学研究所,上海200030;国家卫星气象中心,北京 100081;中国气象局上海台风研究所,上海200030;上海航天电子技术研究所,上海 201100;上海市气象科学研究所,上海200030【正文语种】中文【中图分类】P4120 引言卫星资料不仅覆盖范围广、空间分辨率高，而且具有定标系统稳定的特点，极大地改善了常规观测站稀少地区的资料状况，在很大程度上弥补了海洋和高原区域常规观测资料的不足。

星载微波辐射计相比于红外、可见光等卫星探测载荷,具有能够穿透薄云的优点，在全球各大天气数值预报中心的观测资料应用改善贡献评估中均位居前列。

星载微波大气探测载荷为美国国家海洋和大气管理局(NOAA)成熟的业务卫星系列上携带2通道先进微波探测器(AMSU)的大气探测系统(ATOVS)。

几种遥感数据比较

NASA对于有这方面兴趣的人，我推荐一本书：《地球卫星遥感》共有两卷。

主要是有关中分辨串成像光谱仪（MODIS）产品的信息和应用，介绍了美国国家极轨环境卫系统（NPOESS）和NPOESS预备计划（NPP），还探讨了其他卫星遥感装备和应用，论及NASA 用于监测和探测地球变化的主要卫星系统——地球观测系统（EOS），EOS包括的卫星Terra、Aqua 和Aura及其装载的MODIS、AIRS、AMSU、AMSR-E、OMI等遥感仪器，并讨论NPP将携带的4个NPOESS系统重要部件：可见光红外成像辐射组件（VIIRS），航线交叉红外探测器（CrIS），先进技术微波探测器（ATMS）以及臭氧成图和廓线仪装置（OMPS）。

既包括现代遥感技术的基础知识，又涉及卫星遥感的领域。

其中负责观测陆地的Terra、负责观测地球水循环的Aqua和负责搜集大气数据的Aura共同组成了完整的eos地球观测系统，服务于nasa的地球科学计划（ese）。

1 GRACE10. Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE)重力恢复与气候实验The primary goal of the GRACE mission is to accurately map variations in the Earth's gravity field over its 5-year lifetime. The GRACE mission has two identical spacecrafts flying about 220 kilometers apart in a polar orbit 500 kilometers above the earth.It will map the Earth's gravity fields by making accurate measurements of the distance between the two satellites, using geodetic quality Global Positioning System (GPS) receivers and a microwave ranging system. This will provide scientists from all over the world with an efficient and cost-effective way to map the Earth's gravity fields with unprecedented accuracy. The results from this mission will yield crucial information about the distribution and flow of mass within the Earth and it's surroundings.The gravity variations that GRACE will study include: changes due to surface and deep currents in the ocean; runoff and ground water storage on land masses; exchanges between ice sheets or glaciers and the oceans; and variations of mass within the earth. Another goal of the mission is to create a better profile of the Earth's atmosphere. The results from GRACE will make a huge contribution to NASA's Earth science goals, Earth Observation System (EOS) and global climate change studies.GRACE is a joint partnership between the NASA in the United States and Deutsche Forschungsanstalt fur Luft und Raumfahrt (DLR) in Germany. Dr. Byron T apley of The University of Texas Center for Space Research (UTCSR) is the Principal Investigator (PI), and Dr. Christoph Reigber of the GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam is theCo-Principal Investigator (Co-PI). Project management and systems engineering activities are carried out by the Jet Propulsion Laboratory.9. TerraTerra is a multi-national, multi-disciplinary mission involving partnerships with the aerospace agencies of Canada and Japan. Managed by NASA’s Goddard Space Flight Center, the mission also receives key contributions from the Jet Propulsion Laboratory and Langley Research Center. Terra is an important part of NASA’s Science Mission, helping us better understand and protect ourhome planet.NASA launched the Earth Observing System's flagship satellite "Terra," named for Earth, on December 18, 1999. Terra has been collecting data about Earth's changing climate. Terra carries five state-of-the-art sensors that have been studying the interactions among the Earth's atmosphere, lands, oceans, and radiant energy. Each sensor has unique design features that will enable scientists to meet a wide range of science objectives. The five Terra onboardsensors are: ASTER, or Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (先进星载热发射和反射辐射仪)∙CERES, or Clouds and Earth's Radiant Energy System∙MISR, or Multi-angle Imaging Spectroradiometer∙MODIS, or Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer(中分辨率成像光谱仪)∙MOPITT, or Measurements of Pollution in the Troposphere Corpus Christi, TexasThe city of Corpus Christi, Texas, is tucked against the southern shore of Corpus Christi Bay on the Gulf of Mexico. Inland, the city is surrounded by the large, green grid of croplands. To the south and east, the landscape is dominated by marshes, lagoons, and barrier islands, the longest of which is Padre Island. Although the part of Padre I sland visible in this scene is developed with roads, residences, and resorts, just south of the southern edge of the scene, Padre Island National Seashore begins. The seashore is the longest remaining undeveloped stretch of barrier island in the world.Upstream of Corpus Christi Bay is Nueces Bay, which takes its name from one of the two freshwater inputs to the bay system, the Nueces River. The other is Oso Creek, which flows into Corpus Christi Bay along the south shore. The Corpus Christi Bay estuary is located in a semi-arid region, and the total freshwater input into the system is naturally low. Flows are further diminishedby irrigation and urban water demands.These factors combine to make the system particularly sensitive to accumulation of water pollutants and salt, which compromises the health of the plants and animals that live in the estuary (including commercially and recreationally important species such as oysters and shrimp.) For these reasons, the Environmental Protection Agency has included the Corpus Christi Bay Estuary in its National Estuary Program. Their goal is to develop water re-use and conservation strategies that will meet urban, agricultural, and ecological needs as the city continues to grow.Satellite images such as this view from the Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) on NASA’s Terra satellite captured on June 29, 2007, can document land cover changes such as the conversion of natural landscapes to cropland, or cropland to urban development. Information on how fast and where changes are occurring can help scientists and urban planners predict future water supply and demand.2 AMSREA MSR - E通过测量来自地球表面的微波辐射来研究全球范围的水循环变化。

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NOAA/AMSU遥感探测大气温度廓线王静中国海洋大学海洋遥感教育部重点实验室，山东青岛（266100）E-mail：wangjing@摘要：本文选用最小方差物理反演算法对NOAA/AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit）探测资料进行大气温度垂直廓线的反演。

通过反演试验结果表明：该算法具有较好的反演精度和适应能力，尤其是在对流层中上层区域。

可望投入业务试运行。

关键词：最小方差算法，大气温度垂直廓线，先进的微波探测器（AMSU）1. 引言大气参数的反演是一个较为复杂而又颇受重视的数学物理问题，目前具有代表性的大气参数反演算法主要有：Smith和Woolf（1985）[1]提出的同步物理反演方法（SPRM），该方法的特点是考虑了气温和水汽的相互作用，求解大气遥感方程，同时反演出和亮温通道有关的温、湿廓线以及地面气温，因此，又称多参数遥感方法；Rodgers（1976）[2]提出的最小方差算法，在该算法中采用一个矩阵H来对反演进行控制，目前美国威斯康星大学的IAPP反演软件包中采用为该算法；Goldberg和Mcmillin（1997）提出的分布物理反演方法，该算法首先采用统计方法得到初估场，在此基础上用最小方差法求解线性化了的辐射传递方程依次反演出大气的各种参数，该算法是目前NOAA/NESDIS业务上采用的方法；LeiShi （2001）[3] 采用神经网络方法反演大气的温度、湿度廓线；曾庆存（1974）[4] 在总结国内外大气红外遥感及反演研究成果的基础上，发展了一整套关于解决不稳定反演问题的理论方法，并提出了一种迭代算法；李俊在此基础上又提出了该方法的一种变形迭代算法，并于1997年采用牛顿非线性迭代法对晴空和有云时大气红外遥感及其反演问题进行了研究和试验[5，6，7，8]；国家卫星气象中心（1999）[9，10]根据中国地形特征和探空站的分布情况对SPRM方法进行了改进称为改进的同步物理反演方法（ISPRM）；魏应植（2005）[11]等采用约束回归反演方法对AMSU进行了温度反演并对其在台风中的应用进行了研究。

在各种反演方法中，以最小方差算法在实际问题中应用的较为广泛。

本文尝试使用最小方差物理反演算法的思路对NOAA卫星的AMSU-A资料做反演。

首先根据统计回归算法得到大气温度廓线的初始猜值，利用一阶变分原理从辐射传递方程中得到大气温度权重函数的解析形式，然后采用最小方差算法求解大气辐射传输方程得到大气表层温度和大气温度廓线。

2. 卫星仪器及辐射传输模式AMSU是美国NOAA系列极轨业务气象卫星上的先进的微波探测器，由AMSU-A、AMSU-B两部分组成。

AMSU-A有15个探测通道，主要用于探测大气垂直温度分布和地表特征，星下点空间分辨率为48km；AMSU-B有5个探测通道，主要用于探测大气中水汽垂直分布和降水特征，星下点空间分辨率为16km。

自从1998年3月首个AMSU探测器投入应用以来，由于微波具有穿透云的能力，AMSU卫星探测资料得到了广泛地应用，其中最重要的应用领域为热带气旋预报业务。

无散射、局地热力平衡的平行平面大气条件下，卫星探测器接收到的辐射量可以表示为：00*()(())(1)(())s s P P s s R B T B T P dP B T P dP P P ττετε∂∂=−+−∂∂∫∫ （1）其中22*s τττ= ，R 为某一通道光谱辐射量；B 是Planck 函数，在微波波段为亮度温度，是压强p 的函数；τ为大气透过率函数；ε为地表比辐射率；下标s 表示该物理量在地球表面的值。

图1 归一化AMSU-A 权重函数 3. 最小方差反演算法[2 13]最小方差算法最初是由Rodgers(1976)提出的，其基本思想如下：如果卫星在各个通道上观测到的辐射量或亮温R 已知，则由（1）式表示的地表温度、大气温度廓线的非线性算子方程如下：Y=F （X ）（2）其中向量X=X （T ，Ts ），包含L 层大气温度和一个地表温度；而Y 向量包含N 个卫星观测的亮温。

方程（2）的线性形式为：'Y F X δδ=。

'F 为权重函数矩阵。

最小方差算法就是使下面的式子最小： 100()[()][()]()()m T m T J X Y Y X E Y Y X X X H X X −=−−+−− （3）根据牛顿迭代公式得：''1'1().()n n n n X X J X J X −+=+ （4）对J （X ）分别取一阶、二阶导数，代入（4）式得：'1''1'1(..)...(.)T T n n n n n n n X F E F H F E Y F X δδδ−−+=++ （5）其中0n n X X X δ=−， ()m n n Y Y Y X δ=− 。

X 为要反演的大气温度廓线；0X 为大气温度廓线的初始猜值；m Y 为卫星各通道探测的辐射量或亮温数据；E 为观测误差协方差矩阵（包括仪器的噪声和正演模式误差）；上标T 表示矩阵的转值；H 为优化矩阵，本文中取，（称为光滑因子，其选取通常是经验性的[14]；I 为单位矩阵）。

由于大气温度廓线之间的自相关性，只需要一些有限的相互独立的变量就能代表大气温度垂直结构的变化。

本文采用大气温度廓线的经验正交函数（EOF ）来表示大气温度廓线，则反演迭代公式转化为：'1''1'1(1..1).1..(1)T T n n n n n n n A F E F I F E Y F A γδ−−+=++（6）其中''1F F φ= ，0X X A φ−= ，φ为经验正交函数矩阵。

在微波波段不考虑水汽变化对大气透过率的影响，对（1）式做一阶变分处理得到：H I γ=γ图1是根据Liebe 模式[12]计算出来的AMSU-A 3~14通道（频率50.3~57.029GHz ）的归一化权重函数的垂直分布图。

由图可见，不同通道的权重函数的极大值分布在不同的高度上，这即为求解大气温度垂直分布的基础。

00*(1)p s p s s s T T d p T d p p pT ττδεδδεδτ∂∂=−+−∂∂∫∫ （7）容易得到：地表温度与大气温度廓线的权重函数分别为s T s W ετ=, *(1)T W p pττε∂∂=−−∂∂，只要给定某一大气状态，这些权重函数就很容易被计算出来。

4. 反演实例分析4.1 反演结果与匹配的无线电探空值的比较我们共有615对2004年8月的时空匹配的无线电探空值与AMSU 观测值，观测时间差为1h 之内，空间差为1个经纬度之内。

将匹配的无线电探空值作为真值，统计AMSU 大气温度廓线反演的均方根误差（RMSE ）。

从图2可以看出，除了100hpa 附近外RMSE 均保持在2K 以内,在300hpa-900hpa 的对流层区域内,反演结果的RMSE 均在1.8K 之内。

4.2 反演结果与匹配的NCEP 再分析数据的比较将NCEP 再分析数据作为真值计算反演廓线的RMSE ，共有1838对2004年8月的匹配值。

从图3中可以看出，反演精度的指标RMSE 除了在近地面（1000hpa ）和对流层与平流层交界处（200hpa ）之外均较小，尤其是在300hpa~850hpa 左右的对流层区域，反演结果的RMSE 均小于1.5K 。

图2 反演结果与探空值比较的均方根误差图3 反演结果与NCEP 比较的均方根误差图3的反演精度总体上优于图2的，原因在于NCEP 再分析场资料的性质与卫星在一个面上的探测结果相近。

而探空资料反映一点的测值，与卫星资料相比，在性质上有点和面的差异，必然有较大的误差。

5. 反演试验验证表1为2004年全年12个月反演结果的RMSE ，由于NCEP 数据与卫星反演数据的性质比较接近，本文选用NCEP 再分析数据作为真值。

从表中可以看出，除了地表附近以外，本文反演结果均较好，特别是在对流层中上层区域，说明了该算法具有较好的精度和适应能力，并且能够提高对流层的反演精度。

对于地表温度，可能是由于微波通道受地表发射率的影响较大，而地表发射率又存在许多不确定性引起的。

6. 小结与展望本文对最小方差算法进行了研究和反演试验，试验结果表明，该算法具有较好的精度和适应能力，并且能够提高对流层的反演精度。

在未来研究中考虑将NOAA/HIRS/3的探测数据加入，实现红外和微波多通道协合遥感探测大气温度垂直分布。

致谢：本文得到了美国威斯康星大学的JunLi老师、美国国家海洋大气局（NOAA）的LeiShi博士、国家卫星气象中心的吴雪宝老师以及中国海洋大学的高山红老师的指导和帮助，本文所用卫星数据均由中国海洋大学海洋遥感所的曲利琴老师提供，在此一并表示衷心感谢！参考文献[1]Smith W. L. and Woolf H. M. et al ..Linear simultaneous retrieval export package. T echnical Proceeding of the 2nd international TOVS Study Conference, 1985:224~253 .[2]Rodgers,C. D..Retrieval of atmospheric temperature and composition from remote measurements of thermal radiation . Rev. Geophys. Space Phys.,1976,14:609~624.[3]Shi Lei.Retrieval of atmospheric temperature profiles from AMSU-A measurement using a neural network approach. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2001,18(3):340~347 .[4]曾庆存.大气红外遥感原理,北京:科学出版社,1974年.[5]李俊,曾庆存.晴空时大气红外遥感及其反演问题I.理论研究.大气科学,1997,21(1):1~9.[6]李俊,曾庆存.晴空时大气红外遥感及其反演问题II.反演试验研究.大气科学,1997,21(2):214~222.[7]李俊,曾庆存.有云时大气红外遥感及其反演问题I.理论研究.大气科学,1997,21(3):341~347.[8]李俊,曾庆存.有云时大气红外遥感及其反演问题II.反演试验研究.大气科学,1997,21(4):396~400.[9]黎光清等.东亚地区气象参数卫星遥感反演理论和方法I：ISPRM和SPRM.气象科学,1999,(5):594~603.[10]黎光清等.东亚地区气象参数卫星遥感反演理论和方法II：ISPRM和VSPRM2.气象科学,1999,(6):668~680。