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我国FY-3极轨气象卫星A星于2008年5月发射成功,随后,B星也于2010年11月发射升空,FY-3A/B搭载了大气垂直探测仪组VASS(IRSA、MWTS、MWHS),与美国NOAA大气垂直探测仪组ATOVS性能相近,是数值天气预报模式资料同化系统的一个重要数据源。但是如何在同化系统中正确的使用这些数据仍然是一个严峻的问题。
为了更好地在数值天气预报中同化FY-3A/B的大气垂直探测资料,分析FY-3A/B VASS辐射测量的系统偏差特性,建立系统偏差订正方法模型,具有重要意义。
本文主要开展了三方面研究:1)FY-3A/B VASS与NOAA-18 ATOVS对应遥感器通道辐射测量结果的一致性研究:2)FY-3A/B和NOAA-18大气垂直探测结果与快速辐射传输模式CRTM(在数值天气预报中被广泛采用)正演计算结果的一致性研究;3)根据上述研究结果,建立适合于中国区域的FY-3A/B和NOAA-18大气垂直探测资料偏差订正方案。
从FY-3MB与NOAA-18大气垂直探测仪的光谱和仪器特征的比对分析入手,逐步开展两者对应遥感器通道辐射测量结果的一致性研究,具体的研究工作和结论如下:
(1)对比IRAS与HIRS、MWTS与AMSUA、MWHS与MHS的通道光谱特征和机械扫描特征的研究是系统偏差特征分析的基础,同时为分析偏差产生原因提供有用信息。
(2)采用交叉定标的方法对VASS和ATOVS进行观测数据的比对分析表明,在不考虑系统偏差的情况下,VASS和ATOVS各仪器的大部分对应通道对同一目标物的观测一致性都比较好,其中FY-3B VASS和ATOVS各仪器的对应通道的一致性要好于FY-3A VASS和对应的ATOVS各通道。对于微波仪器,探测高度越高的通道观测一致性越好。红外仪器的情况比较复杂,CO2探测通道IRAS1-7通道与HIRS对应1-7通道的部分对应通道观测一致性较差,其中IRAS通道1和HIRS通道1基本不存在线性关系。另外,地表和水汽探测通道的观测一致性略差。
对FY-3A/B和NOAA-18大气垂直探测结果与CRTM快速辐射传输模式正演计算结果的一致性研究主要包括如下两方面:
(1)全面介绍了快速辐射传输模式,是快速、准确正演计算卫星高光谱辐射数据的重要工具,在研究卫星高光谱数据处理、反演大气温湿廓线以及在数值天气预报模式的同化应用中起着十分重要的作用。本文分析了国外快速辐射传输模式发展的历程以及应用前景,详细讨论了当前应用最广泛、最具有代表性的快速辐射传输模式之一的CRTM模式。
(2)研究中应用CRTM快速辐射传输模式对FY-3A/B VASS和NOAA-18ATOVS进行亮温值的正演模拟,对两者搭载的各仪器通道在中国陆地范围内的观测亮温与模拟亮温偏差特点的分析,可知VASS与ATOVS搭载各仪器通道的观测亮温与模拟亮温偏差概率分布比较相似,两者各仪器大部分通道偏差和标准差也比较一致,而且观测亮温与模拟亮温偏差具有季节性差异,在整体上对纬度存在依赖性,但在不同区域内也具有差异,这种区域分布受地形即海拔高度的影响,对于中国陆地区域,大致分为4个区域:东北、新疆、华北北部以及宁夏北部为一个区;甘肃北部、青海西北部、四川南部、西藏东南部及云南北部为一个区;西藏和青海剩余地区以及四川西部为一个区;其他地区为一个区。
在Harris和Kelly的辐射偏差订正方案基础上,结合观测亮温与模拟亮温偏差的统计特征和中国的实际情况,建立适用于中国区域的大气垂直探测仪辐射资料的偏差订正方案,开展了如下几个方面的研究:
(1)采用双权重的方法进行质量控制,对FY-3A/B以及NOAA-18的各仪器通道进行质量控制后效果明显,有大量为负值的异常点被剔除,部分通道的偏态分布仍然存在,但更接近于高斯正态分布,该方法受极少数极端异常值的影响很小。
(2)在Harris和Kelly的辐射偏差订正方案基础上,结合研究中依据对观测亮温与模拟亮温偏差分析所得到的针对中国陆地区域的分区方法,从而建立适用于中国陆地区域的大气垂直探测仪辐射资料的偏差订正方案。该方案分两步进行偏差订正:首先进行扫描偏差订正,然后进行气团偏差订正。扫描偏差是临边测量相对于星下点测量的系统偏差;气团偏差订正主要是根据当时的天气条件进行订正,本文提出将四个分区在不同季节的偏差为修正量,作为预报因子来参与气团偏差订正。试验结果表明,订正结果显著。通过FY-3与NOAA对应仪器通道偏差订正结果的比对分析,可知两者对应仪器具有一定的可比性,数据质量处相当水平,而且结果表明该订正方法对FY-3的订正效果更好。
论文的创新主要体现在:1)系统分析了FY-3A/B和NOAA-18对应探测仪测量结果的一致性,为多源卫星大气垂直探测资料在数值预报模式中的综合应用提供基础;2)系统分析了FY-3观测亮温与辐射正演模拟计算(CRTM)亮温的偏差特性,得出观测亮温与正演亮温偏差不仅具有季节性差异,并且在不同区域内也具有差异,在中国大致分为4个区域;3)采用双权重的方法进行质量控制,该方法受极少数极端异常值的影响较小,可以有效剔除大量为负值的异常点;4)将四个分区在不同季节的偏差为修正量,作为预报因子来参与气团偏差订正,从而建立适用于中国区域的大气垂直探测仪辐射资料的偏差订正方案,订正后系统误差降低效果明显。