基于被动微波探测的海面气压反演理论和方法研究

论文摘要

海面气压是一个重要的气象参数,在数值天气预报、热带气旋监测分析以及气候学研究等大气科学领域均有非常重要的应用。针对目前的海面气压遥感探测方案时空分辨率低、无法全天候工作以及高风速情形下探测精度差等问题,本文首次提出一种基于氧气吸收带被动微波探测的海面气压反演方法,利用星载实测亮温数据建立了海面气压反演模型,并使用多源数据对反演模型进行了验证,利用本文研究成果可为气象应用及大气科学研究提供高精度、高时空分辨率、长期稳定的海面气压数据。本文基于大气辐射传输方程,建立了星载微波辐射计遥感海面气压的理论基础。对微波辐射计观测亮温和海面气压的直接关系进行了推导,并进行了仿真验证,证实微波辐射计可以通过对氧气的垂直柱总吸收的测量来实现海面气压的探测;开展了敏感度分析试验,证实位于氧气吸收带翼区通道的观测亮温对海面气压的变化敏感,适合用于海面气压估计,这为海面气压探测频率的选择提供了依据。提出了一种中低海况海面气压反演算法,利用美国联合极轨卫星系统SNPP卫星搭载的先进技术微波探测仪（ATMS）和我国风云3号C星搭载的新型微波温湿探测仪（MWHTS）的实测亮温数据实现了中低纬度（40°S-40°N）海面气压反演。将反演结果与分析数据、现场观测数据进行了对比,结果表明算法对晴空、云天、雨天海面气压的估计精度分别为2.0 hPa,3.0 hPa和3.5 hPa,能够实现全天候条件下的高精度反演。论文进一步开展了热带气旋条件下海面气压的反演试验,结果表明,算法虽然对中低风速情形下海面气压的估计精度较高,且具备较强的热带气旋识别能力,但是由于强热带气旋中心附近温度和湿度垂直分布的异常,导致该极高风速情形下（中心附近一分钟持续风速大于26 m/s）估计精度不够理想。针对热带气旋条件下大气温湿度异常对海面气压反演的影响,提出了一种同时使用微波辐射计观测亮温和热带气旋暖心亮温距平反演热带气旋海面气压场的算法。暖心亮温距平反映了热带气旋对流层顶的增暖程度,与热带气旋中心附近气压异常程度有关,它的引入使算法在极高风速时的估计精度有了明显提升。利用SNPP/ATMS和FY-3C/MWHTS实测数据实现了热带气旋海面气压场反演,经过与分析数据、现场观测数据的比较,表明算法对热带低压或热带风暴（中心附近一分钟持续风速小于32 m/s）、台风或飓风（中心附近一分钟持续风速大于32 m/s并小于50 m/s）以及强台风或强飓风（中心附近一分钟持续风速大于50 m/s）的中心气压的估计精度分别优于6.0 hPa、8.0 hPa和10.0 hPa,内核区域（以中心为圆心,2°圆半径内的区域）气压估计精度分别优于4.0 hPa、5.0 hPa和8.0 hPa。为了对50～60 GHz和118 GHz这两个不同的氧气吸收频段的海面气压探测能力进行比较,利用50～60 GHz辐射计SNPP/ATMS和118 GHz辐射计FY-3C/MWHTS的实测亮温数据实现了中低海况以及热带气旋天气的海面气压反演,并使用多源数据对它们的反演精度进行了验证和对比分析,结果表明50～60 GHz和118 GHz均具备较强的海面气压探测能力,中低海况时它们的探测能力基本相当,热带气旋情形下50～60 GHz辐射计的海面气压探测能力略优于118 GHz,这为低轨道卫星高空间分辨率气压探测和未来通过静止轨道实现高时间分辨率海面气压观测提供了参考。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景以及意义
•   1.2 海面气压数据的需求
•     1.2.1 数值天气预报
•     1.2.2 热带气旋分析和预报
•     1.2.3 气候学研究
•   1.3 国内外海面气压遥感的研究现状
•     1.3.1 海面气压间接探测法的研究现状
•     1.3.2 海面气压直接探测法的研究现状
•   1.4 国内外热带气旋中心气压遥感的研究现状
•   1.5 国内外星载微波辐射计的发展现状
•   1.6 SNPP星先进技术微波探测器和FY-3C星微波温湿探测仪
•     1.6.1 SNPP/ATMS
•     1.6.2 FY-3C/MWHTS
•   1.7 本文主要研究内容
• 第2章 被动微波遥感探测海面气压的理论基础
•   2.1 引言
•   2.2 地球大气分层和气压的相关概念
•     2.2.1 地球大气分层
•     2.2.2 地球大气的组成
•     2.2.3 气压的垂直分布和表面气压
•     2.2.4 大气静力平衡方程
•   2.3 大气辐射传输
•     2.3.1 Planck黑体辐射定理
•     2.3.2 微波辐射传输方程
•     2.3.3 大气吸收和衰减
•   2.4 微波辐射计探测海面气压的基本原理
•     2.4.1 微波辐射计观测亮温与海面气压关系的推导
•     2.4.2 微波辐射计观测亮温与海面气压关系的仿真验证
•     2.4.3 不同探测频率观测亮温对海面气压变化的敏感度分析
•   2.5 本章小结
• 第3章 星载微波大气参数反演理论以及算法基础
•   3.1 引言
•   3.2 统计反演算法
•     3.2.1 贝叶斯算法
•     3.2.2 线性回归算法
•     3.2.3 非线性回归算法
•   3.3 物理反演算法
•     3.3.1 一维变分反演算法的原理
•     3.3.2 影响反演精度因素讨论
•   3.4 物理统计反演算法
•   3.5 反演算法的对比分析
•   3.6 本章小结
• 第4章 基于星载被动微波观测的中低海况海面气压反演
•   4.1 引言
•   4.2 基于ATMS数据的中低海况海面气压反演
•     4.2.1 数据
•     4.2.2 ATMS海面气压统计反演算法
•     4.2.3 ATMS海面气压一维变分反演算法
•     4.2.4 反演结果以及分析
•   4.3 基于MWHTS数据的中低海况海面气压反演
•     4.3.1 数据
•     4.3.2 数据预处理和MWHTS海面气压BP神经网络反演模型
•     4.3.3 反演结果以及分析
•   4.4 ATMS和MWHTS中低海况海面气压反演结果对比
•   4.5 本章小结
• 第5章 基于星载被动微波观测的热带气旋海面气压反演
•   5.1 引言
•   5.2 临边调整
•   5.3 基于暖心亮温距平估计热带气旋中心气压
•     5.3.1 热带气旋的暖心结构
•     5.3.2 基于暖心亮温距平估计热带气旋中心气压的原理
•     5.3.3 中心气压估计算式的建立以及独立样本检验
•   5.4 基于亮温和暖心亮温距平的热带气旋海面气压场反演方法
•     5.4.1 数据
•     5.4.2 热带气旋海面气压反演模型
•   5.5 反演结果以及分析
•     5.5.1 .与中低海况海面气压反演模型的对比
•     5.5.2 与分析数据的对比
•     5.5.3 与现场观测数据的对比
•     5.5.4 反演结果的分析
•   5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 论文总结
•   6.2 论文创新点和主要贡献
•   6.3 论文不足以及后续研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张子瑾

导师: 董晓龙

关键词: 海面气压,被动微波,遥感,反演算法,热带气旋

来源: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

基金: 国家重点研发计划“地球科学观测与导航”专项“大气海洋环境载荷星上处理以及快速反演技术”课题(#2017YFB0502800和#2017YFB0502802)

分类号: P715.7

总页数: 151

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