表微波比辐射率模式在GRAPES中的应用研究.pdf

南京信息工程大学 硕士学位论文 复杂地表微波比辐射率模式在grapes中的应用研究 姓名：顾松强 申请学位级别：硕士 专业：大气物理与大气环境 指导教师：王振会 20050501 摘要一 南京信息工程大学硕士论文 摘 要 本文由 七章组成， 第一章介绍了地表比辐射率的研究意义和研究进展: 第二章，引进了 w e n g 等人的 复杂地表微波比 辐射率模式， 并进行了 该模式所包括的 各种类型的地表比 辐射 率对其所需各参数的敏感性试验， 研究其变化规律; 第三章， 理论分析地表比 辐射率对地气 系统总的辐射亮温度的影响，结果表明其影响大小主要取决于大气透过率:第四章用 r t t o v 7 模拟计算了地表比 辐射率对a ms u 一各通道亮温度的影响， 发现在大气窗区的通 道受地表比 辐射率的影响较大; 在第五章中，由g r a p e s 的3 d - v a r 系统提供背景场， 作了 卫星接收到的亮温度对地表比 辐射率的敏感性试验，研究不同地表受比辐射率影响的 特征; 第六章将w e n g 等人的 地表微波比 辐射率模式 放到g r a p e s 的3 d - v a r 系统中， 通过统计辐 射亮温度误差来分析地表比 辐射率模式的计算效果是否理想，由 于由于亮温度误差仍然较 大， 结合由 美国n o a a / n e s d i s提供的统计反演公式， 提出 调整地表微波比 辐射率 模式参 数来计算地表比 辐射率，其结果对于大部分类型的 地表都有所改善， 但在第 1 5 通道、 积雪 地表 情况 下， 改 善甚微， 故引 进w e n g 等 提出 的 专门 用于 积雪 地表 微 波比 辐射 率计 算模 式， 其效果有明显的改善。第七章作了 研究总结，指出了不足之处和有待于进一步研究的地方。 关键词:地表比辐射率，亮温度，r tto v7 ，卫星资料直接同化 复杂地表比 辐射率模式在g r a p e s 中的 应用研究一 南京信息工程大 学硕士论文 ab s t r a c t t h i s a r t i c l e i s c o m p o s e d o f s e v e n s e c ti o n s . i n t h e f ir s t s e c t i o n , t h e b a c k g rou n d a n d t h e re s e a r c h p r o g r e s s o f l a n d e m i s s i v i t y c a l c u l a t i o n a re g iv e n . i n t h e s e c o n d s e c ti o n , we n g s m i c r o w a v e l a n d e m i s s i v i t y m o d e l i s i n t rod u c e 氏a n d t h e s e n s i t i v i t y o f th e v a r i o u s l a n d e m i s s i v i t i c s t o i t s p a r a m e t e r s i s t e s t e d . i n t h e t h i r d s e c t i o n , b a s e d o n r a d i a ti o n t r a n s m i s s i o n t h e o ry , t h e i m p a c t o f l a n d e m i s s i v i t y o n t h e b ri g h t n e s s t e m p e r a t u re e m i tt e d b y e a r th - a t m o s p h e re i s d e d u c e d . t h e re s u l t i s t h a t t h e i m p a c t i s d e p e n d e d o n t h e a t m o s p h e re t r a n s m i s s i v i t y . i n t h e f o r t h s e c ti o n , t h e i m p a c t o f l a n d o n t h e b ri g h t n e s s t e m p e r a t u r e a t a ms u - a s c h a n n e l s a r e c a l c u l a t e d b y r t t o v - 7 , a n d t h e c a l c u l a t i o n m a k e s c l e a r t h a t a t t h e a t m o s p h e r i c w i n d o w s c h a n n e l , th e e m i s s i v i t y h a s m u c h i m p a c t s o n t h e b ri g h tn e s s t e m p e r a t u re . i n t h e f i f t h s e c t i o n , i n o r d e r t o f in d o u t t h e c h a r a c t e r o f t h e i m p a c t o f v a r io u s l a n d e m i s s i v i ti e s o n b ri g h tn e s s t e m p e r a t u r e , t h e s e n s i t i v i t y o f r a d i a t i o n m e a s u r e d b y s a t e l l it e t o t h e l a n d e m i s s i v i ty is t e s t e d in g r a p e s s 3 d - v a r s y s te m . i n t h e s ix th s e c tio n , p u t t i n g we n g s m i c ro w a v e l a n d e m i s s i v it y m o d e l i n g r a p e s s 3 d - v a r s y s t e m , c a l c u l a t i n g t h e r . m. s . o f b ri g h tn e s s t e m p e r a t u r e s . a s t h e re s u l t i s n o t s o g o o d , c o m b in i n g w i t h n o a a / n e s d i s s l a n d a l g o ri t h m s f o r e m i s s i v i ti e s a t t h r e e a ms u c h a n n e l s , t h e a d j u s t i n g p a r a m e t e r s s c h e m e h a s b e e n g i v e n o u t . a n d t h e re s u l t i s b e t t e r t h a n b e f o r e . o t h e r w i s e , t h e res u l t i s m u c h b e tt e r u n d e r t h e s n o w s u r f a c e a f t e r u s i n g w e n g s m i c ro w a v e s n o w e m i s s i v i t y m o d e l . ht h e s e v e n t h s e c ti o n , w e s u m m a r i z e d o u r r e s e a r c h a n d p u t u p th e s h o r t a g e s o f t h i s a r ti c l e k e y w o r d s : l a n d e m i s s i v i t y , b r i g h tn e s s t e m p e r a t u re , r t t o v - 7 , s a t e l l i t e d a d a a s s i m i l a t i o n 学位论文独创性声明 本人郑重声明: 1 、坚 1持以“ 求实、创新”的科学精神从事研究工作。 z 、 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果 。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实 的。 4 、 本论文中除引文和致谢的内容外， 不包含其他人或其它机 构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、 其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表 示 了谢 意 。 作者签名; 日期: 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京气象学院有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版; 有权将学位论文用于非哀利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅: 有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索; 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名: 日期: 第一章 引 言一 南京信息工程大学硕士论文 第一章 引 言 1 . 1 地表比 辐射率的研究意义和研究背景 二十世纪五十年代后期， 空间技术迅速发展， 出现了人造卫星。 人造卫星是进行现代科 学研究的重要工具，目 前人造卫星已 广泛应用于天文、 气象、 地质地理、 海洋、 农业、 军事 和 通讯等各个领域。1 9 6 0 年4 月1 日， 美国 成功发射了 第一颗气象 试验卫星t i r o s - 1( 泰 罗斯- 1 ) ，开创了人造卫星应用于气象探测的新纪元。早先对卫星资料的应用主要是利用卫 星云图， 从天气学的角度， 对影响中国的 天气系统进行分析。 陶诗言、方宗义等n 1 对卫星资 料在天气预报中的 应用作了详细的介绍。 继1 9 2 2 年l . f . r i c h a r d s o n首次提出数值天气预报的 概念以 来， 经过半个多世纪的努力， 充分利用现代信息技术的成果， 定量的 天气数值 预报己 经 成为当 代中 短期天气预报业务中的 主要手段和方法。固定时刻和地点的大气常规观测资料是数值天气预报建模的 基础，因 此 数值预报模式要求有理想的大气探测网， 以便能提供时空分布均匀、 分辨率合理的模式变量 观测数据。 目 前， 中 尺度模式水平分辨率可达m m量级， 全球及区域数值模式的水平和垂 直 分辨 率也 逐渐提高 沐平分 辨率 达l o k m - 5 0 k m , 垂直 达1 5 - 3 0 层) ， 但实际 上，目 前就 全球 而言，陆地区域地面观测的水平分辨率约为 1 7 0 k m,高空观测约为4 6 0 k m, 海洋、 青藏高原 等无人居住区多为大面积的观测空白 区， 而 船舶、 飞 机等观测资 料与常规观测资 料缺乏一致 性，因此，这样的观测网络明显不能满足数值模式的需要。然而由 于费用等各方面的问题， 大规模地加密常规气象观测网是不现实的。 由 极轨和静止气象卫星组成的卫星遥感探测网已覆盖全球， 卫星观测到的辐射率资料已 经成了 全球数值预报模式中的 重要部分， 有效的 填补了 海洋和青藏高原大面积的 观测空白 区 以及对常规资料的低时空分辨率的有效补充， 成为提高模式预报精度和延长预报时效的重要 手段， 也是发展卫星探测技术的 初衷之一。 随 着卫星资料直 接同 化技术的发展和提高， 越来越多的卫星资 料可以 直接同 化到数值预 报中。目 前，美国国家环境预报中心 ( n c e p ) 和欧洲中期天气预报中心 ( e c mwf )等已 经在其业务四维/ 三维变分 ( 4 d / 3 d - v a r )同化系统中实现了t o v s 和a t o v s 辐射率资料的 直 接 同 化 2,31 国内 也 有不 少 研究人 员 对卫 星资 料的 直 接同 化 作了 不少 研究， 王宗 皓 等4 ,5 把n o a a 卫 星探测到的大气厚度场资料输入北半球数值预报系统， 进行影响试验，结果表明存在影响， 且与地区和天气系统有关。 此后，他们把n o a a卫星探测数据输入b模式， 对海平面气压 第一章 引 言一 南京信息工程大学硕士论文 第一章 引 言 1 . 1 地表比 辐射率的研究意义和研究背景 二十世纪五十年代后期， 空间技术迅速发展， 出现了人造卫星。 人造卫星是进行现代科 学研究的重要工具，目 前人造卫星已 广泛应用于天文、 气象、 地质地理、 海洋、 农业、 军事 和 通讯等各个领域。1 9 6 0 年4 月1 日， 美国 成功发射了 第一颗气象 试验卫星t i r o s - 1( 泰 罗斯- 1 ) ，开创了人造卫星应用于气象探测的新纪元。早先对卫星资料的应用主要是利用卫 星云图， 从天气学的角度， 对影响中国的 天气系统进行分析。 陶诗言、方宗义等n 1 对卫星资 料在天气预报中的 应用作了详细的介绍。 继1 9 2 2 年l . f . r i c h a r d s o n首次提出数值天气预报的 概念以 来， 经过半个多世纪的努力， 充分利用现代信息技术的成果， 定量的 天气数值 预报己 经 成为当 代中 短期天气预报业务中的 主要手段和方法。固定时刻和地点的大气常规观测资料是数值天气预报建模的 基础，因 此 数值预报模式要求有理想的大气探测网， 以便能提供时空分布均匀、 分辨率合理的模式变量 观测数据。 目 前， 中 尺度模式水平分辨率可达m m量级， 全球及区域数值模式的水平和垂 直 分辨 率也 逐渐提高 沐平分 辨率 达l o k m - 5 0 k m , 垂直 达1 5 - 3 0 层) ， 但实际 上，目 前就 全球 而言，陆地区域地面观测的水平分辨率约为 1 7 0 k m,高空观测约为4 6 0 k m, 海洋、 青藏高原 等无人居住区多为大面积的观测空白 区， 而 船舶、 飞 机等观测资 料与常规观测资 料缺乏一致 性，因此，这样的观测网络明显不能满足数值模式的需要。然而由 于费用等各方面的问题， 大规模地加密常规气象观测网是不现实的。 由 极轨和静止气象卫星组成的卫星遥感探测网已覆盖全球， 卫星观测到的辐射率资料已 经成了 全球数值预报模式中的 重要部分， 有效的 填补了 海洋和青藏高原大面积的 观测空白 区 以及对常规资料的低时空分辨率的有效补充， 成为提高模式预报精度和延长预报时效的重要 手段， 也是发展卫星探测技术的 初衷之一。 随 着卫星资料直 接同 化技术的发展和提高， 越来越多的卫星资 料可以 直接同 化到数值预 报中。目 前，美国国家环境预报中心 ( n c e p ) 和欧洲中期天气预报中心 ( e c mwf )等已 经在其业务四维/ 三维变分 ( 4 d / 3 d - v a r )同化系统中实现了t o v s 和a t o v s 辐射率资料的 直 接 同 化 2,31 国内 也 有不 少 研究人 员 对卫 星资 料的 直 接同 化 作了 不少 研究， 王宗 皓 等4 ,5 把n o a a 卫 星探测到的大气厚度场资料输入北半球数值预报系统， 进行影响试验，结果表明存在影响， 且与地区和天气系统有关。 此后，他们把n o a a卫星探测数据输入b模式， 对海平面气压 复杂地表比 辐射率模式在g r a p e s 巾的 应用研究 一 南京信息工程大学硕士论文 场和5 0 0 h p a 高度场预报的影响 进行分析。 结果 表明 对系统性误差均有影响， 但影响 的 大小 与地区 、天气系 统、 季节等均有关。 王子厚等6 把h i r s / 2的 辐射亮温值通过最优插值方法 ( 0 1 ) ， 与其他观测资料组合在一 起， 形成含有卫星 探测信息的 初始场， 对比 试验表明， 在数 值 预报模式中 直 接使用 辐射亮 温比 使 用反 演结果 好。 王 超等 7 1进 行了 数 值预 报 / 卫星反 演 / 数 据同 化的预报试验， 结果表明， 对台 风中 心强度预报有所影响。 翁永辉和徐祥德 8 1在非 静力 的mm 5 模式中， 通过变分处理，引入t o v s 资料， 其结果表明可显著改善高原地区的初始 场信息 。 孟智勇 等9 1在m m 5 第2 版本的 模式中 ， 采 用牛顿 张驰 逼 近( n u d g in g ) 方法， 把t o v s 的亮温资料四维同化进入模式。 试验结果表明， 能成功地模拟出1 9 9 8 年7 月2 0日 武汉的特 大 暴雨 及低 层中 尺 度低涡、 低空 西 南急 流等 主 要影响 系 统。 徐 祥 德等lo 利用 卫星 t o v s资 料， 通过变分和滤波处理技术对1 9 9 8 年7 月2 0 2 3日 武汉一黄石的特大暴雨进行了 诊断分 析， 揭示了大暴雨的m c c 特征 ， 对流系 统的复合偶极子特征等。 变分同化后的 初始场能 提取 出更多的中尺度信息。 随着美国第五代业务气象卫星 ( n o a a - 1 5 ) 大气探测仪器a t o v s 的投入业务使用， 更 多的卫星资料可以供人们使用。相比于t o v s 探测器， a t o v s 探测器提供了更多的 地表和 大气信息。 但是微波波段辐射计观测到的辐射值， 特别是在大气窗区通道或者水汽吸收通道， 不仅包含了火气的温度、 湿度分布等信息， 而且也包含了由 地表发出的 辐射。 由于地表比 辐 射率的 不确定性。 所以 卫星资 料所包含的 大气温湿信息难以 更好的应用于数值 天气预报n n 潘宁 等1x 1曾 经 将n o a a卫 星a t o v s 资 料在m m 5 中 尺度数 值预报模式中 直接同 化， 由 于a m s u - a第1 - 3 和1 5 通道的 辐射误差标准差比 第4 - 1 4 通道的明显要大得多， 研究中 仅使 用了 第41 4 通道。这是因为a m s u 一的1 - 3 和1 5 通道位于大气窗区或较弱的 水汽吸收带， 因 此受 地表比 辐射率的影响较大。 张华等 1 3 在把a t o v s 卫星辐射资料直接同 化应用到台风 路径预报的 研究中， 也是由于地表比 辐射率的不确定性， 没有将大气窗区或较弱的水汽吸收 通道应用到同化系统中去。 由 此可见， 要实现微波通道卫星资料的 直接同化， 特别是大气窗区或较弱的水汽吸收通 道的卫星资料直接同 化， 就必须有一个有效的比 辐射率计算模式来计算出 不同 地表的比 辐射 率，使尽量多的卫星资料能直接应用于同化系统中。 1 . 2 国内外研究现状 地表比 辐射率不仅是实现微波辐射资料直接同化的重要参数， 也是陆地区域大气温湿廓 线反 演时需要的 基本物理量 1 4 ,15 。国内 外有 过不 少人 对地 表比 辐 射率的 计算 做过大 量的 研 究。 c h o u d h u ry等 1b 和w a n g 等 1 7 曾 给 出 较 低 频 率 段 裸 土比 辐 射 率 与 土 壤 湿 度、 结 构 成 分 z 复杂地表比 辐射率模式在g r a p e s 巾的 应用研究 一 南京信息工程大学硕士论文 场和5 0 0 h p a 高度场预报的影响 进行分析。 结果 表明 对系统性误差均有影响， 但影响 的 大小 与地区 、天气系 统、 季节等均有关。 王子厚等6 把h i r s / 2的 辐射亮温值通过最优插值方法 ( 0 1 ) ， 与其他观测资料组合在一 起， 形成含有卫星 探测信息的 初始场， 对比 试验表明， 在数 值 预报模式中 直 接使用 辐射亮 温比 使 用反 演结果 好。 王 超等 7 1进 行了 数 值预 报 / 卫星反 演 / 数 据同 化的预报试验， 结果表明， 对台 风中 心强度预报有所影响。 翁永辉和徐祥德 8 1在非 静力 的mm 5 模式中， 通过变分处理，引入t o v s 资料， 其结果表明可显著改善高原地区的初始 场信息 。 孟智勇 等9 1在m m 5 第2 版本的 模式中 ， 采 用牛顿 张驰 逼 近( n u d g in g ) 方法， 把t o v s 的亮温资料四维同化进入模式。 试验结果表明， 能成功地模拟出1 9 9 8 年7 月2 0日 武汉的特 大 暴雨 及低 层中 尺 度低涡、 低空 西 南急 流等 主 要影响 系 统。 徐 祥 德等lo 利用 卫星 t o v s资 料， 通过变分和滤波处理技术对1 9 9 8 年7 月2 0 2 3日 武汉一黄石的特大暴雨进行了 诊断分 析， 揭示了大暴雨的m c c 特征 ， 对流系 统的复合偶极子特征等。 变分同化后的 初始场能 提取 出更多的中尺度信息。 随着美国第五代业务气象卫星 ( n o a a - 1 5 ) 大气探测仪器a t o v s 的投入业务使用， 更 多的卫星资料可以供人们使用。相比于t o v s 探测器， a t o v s 探测器提供了更多的 地表和 大气信息。 但是微波波段辐射计观测到的辐射值， 特别是在大气窗区通道或者水汽吸收通道， 不仅包含了火气的温度、 湿度分布等信息， 而且也包含了由 地表发出的 辐射。 由于地表比 辐 射率的 不确定性。 所以 卫星资 料所包含的 大气温湿信息难以 更好的应用于数值 天气预报n n 潘宁 等1x 1曾 经 将n o a a卫 星a t o v s 资 料在m m 5 中 尺度数 值预报模式中 直接同 化， 由 于a m s u - a第1 - 3 和1 5 通道的 辐射误差标准差比 第4 - 1 4 通道的明显要大得多， 研究中 仅使 用了 第41 4 通道。这是因为a m s u 一的1 - 3 和1 5 通道位于大气窗区或较弱的 水汽吸收带， 因 此受 地表比 辐射率的影响较大。 张华等 1 3 在把a t o v s 卫星辐射资料直接同 化应用到台风 路径预报的 研究中， 也是由于地表比 辐射率的不确定性， 没有将大气窗区或较弱的水汽吸收 通道应用到同化系统中去。 由 此可见， 要实现微波通道卫星资料的 直接同化， 特别是大气窗区或较弱的水汽吸收通 道的卫星资料直接同 化， 就必须有一个有效的比 辐射率计算模式来计算出 不同 地表的比 辐射 率，使尽量多的卫星资料能直接应用于同化系统中。 1 . 2 国内外研究现状 地表比 辐射率不仅是实现微波辐射资料直接同化的重要参数， 也是陆地区域大气温湿廓 线反 演时需要的 基本物理量 1 4 ,15 。国内 外有 过不 少人 对地 表比 辐 射率的 计算 做过大 量的 研 究。 c h o u d h u ry等 1b 和w a n g 等 1 7 曾 给 出 较 低 频 率 段 裸 土比 辐 射 率 与 土 壤 湿 度、 结 构 成 分 z 第一章 引 言 一 南京信息工程大学硕士论文 ( 如， 粘 土 和沙土比 例) 和表面 粗 糙度 之间的 关系。 m 。 等 re利用简化的 辐射 传 输 模 式给出 了 植冠比 辐 射 率模 型， 利用r a y le ig h 近似 给出 植冠 光学参 数， 其结 论也 只能 用于 较低 频 率段。 w e g m i ill e r 等 19 ,2 0 ,2 11在 前 人的 基 础 上 提出 了 复 杂 植 冠比 辐 射 率 的 辐 射 传 输 模 式 。 在 积 雪 覆盖 的 表面， 冰粒占 有 较大 分量， 其光学参 数可 用波 传播常数 有 效值来近 似2 2 1 随着星载被动微波遥感仪器从s m m r , s s m / i , s s m / t , m s u , a m s u发展到t m i 和 a ms r - e , 除了 建立地表比 辐射率模式以 外， 利用星载被动微波遥感资 料反 演大范围 地表微 波 辐 射 率 一 直 是 研 究 热 点 之 一 23 ,24,25,261 w ilk 。 和m c f a r l a n d 2 在假定晴空 大 气 微 波透过 率为1 .。 的 条件下 ， 用直 接 将微 波 亮 温与 地表大气温度相除的方法来估计地表的 微波辐射率。 早期s m m r窗区低频率通道上晴空大 气透过率约为0 . 8 8 ， 而现在s s m i i 窗区8 5 g h z 通道晴空大气透过率约为。 . 7 1 , 因此该算法的 精度很难保证。 g r o d y “ 呀对m s u氧 气吸收 带上 相 关 通 道的 探 测资 料，提出了 适用于5 0 . 3 0 , 5 3 . 7 4 , 5 4 . %和5 7 . 9 7 g h z 通道地表微波辐射率的统计反演算法， 结果表明: 频率越低， 反演结果越好。 j o n e s 和h a a r 等 2 9 在 利用s s m / 1 资 料 反 演 陆 地 上空 云 中 液 态 水 含 量时 ， 提出 了 比 较 简 单 实用的地表微波辐射率反演算法。他们利用动态辐射传输闭值技术进行云检测， 晴空区利用 实际 探空资 料进行红外和微波通道的 大气修正。 同时利用红外通道的 遥感信息 确定 地表温度， 并进一 步借助微波辐射传输模式的物理反演来提取地表微波辐射率。 m o r la n d 等 人 3 0 1将地 表微波 辐射率的 遥感 反 演业务 应 用推 进了 一步。 他 们 利 用卫 星 可见 光波段 遥感 观测得到的 归 一化植被指 数( n d v i ) 和地表 湿度 指数等 信息 来 估算 地表微 波 辐射 率。 在干洁 大气条件下， 反 演结果与地面观测结果间 有很好的一致性， 在前期没有降水、 大气 比 较干燥情况 下反演误差仅为士 。0 2 . 但当大气比 较湿润， 前期有降 水事件发生时 ， 反 演结果 与地面观测结果间的一致性稍差。 此外，除了用辐射传输模式计算和卫星微波辐射资料反演地表比辐射率的方法外， e n g l i s h和h e w i s o n 3 1等 人 还用 一个半 经 验方 法 得到的比 辐 射率 模式 来 计 算不同 地 表的比 辐 射率。 这个模式的 核心是一个由 物理过程来表述的一个表达式，如镜面反射、 b r a g g 散 射和 分层考虑的物理过程。 但是，其中参数不是由物理过程推导得出的， 而是由实验数据和机载 辐射计的观测数据来计算得出的。根据这个模式计算得到的比 辐射率在海洋上的效果较好， 而在复杂陆地地表上的效果就不是很理想。 由此可见，对于地表比辐射率的计算，目 前始终还没有得到一个非常精确的计算方法， 来计算微波波段的复杂地表的比辐射率。 复杂地表比 辐射率 模式在g r a p e s 中的 应用研究一 南京信息工程大学硕士论文 1 . 3 本文的研究目的和研究内容 g r a p e s( g l o b a l/ r e g i o n a l a s s i m i l a t i o n a n d p r e d i c t i o n e n h a n c e d s y s t e m)三维变分 ( 3 d - v a r ) 同化系统是由中国 气象科学研究院数值预报研究中心开发的、 具有自 主知识产权 的全球/ 区 域同 化预报系统。 目 前， 卫星辐射资料， 特别是a t o v s 卫星资 料己 经成为数值预 报模式中的重要的观测资料， 但是对于微波辐射资料， 如a t o v s 卫星资料等，受地表的影 响较大， 必须要提供一个有效的地表比辐射率计算模式， 使尽量多的卫星资料能直接应用到 同 化系统中。 为了能在g r a p e s 的三维变分同化系统中， 实现对a t o v s 卫星辐射资料的 直 接同 化， 本 文 引 进 美 国n o a a / n e s d i s 的w e n g 等 3 2 3 3 1所 提出 的 复 杂 地 表比 辐 射 率 模 式 和 积 雪比辐射率计算模式，对地表比辐射率的确定进行了初步研究。 本文先引 进了w e n g 等的 地表微 波比 辐射率计算模式， 并 进行了 该模式所包括的各种类 型的地表比辐射率对其所需各参数的敏感性试验， 研究其变化规律。 接着理论分析地表比辐 射率对地气系统总的辐射亮温度的 影响。同时又用 r t t o v 7模拟计算了地表比辐射率对 a m s u - a各通道亮温度的影响。 然后在g r a p e s 的3 d - v a r 系统中， 作了 卫星接收到的 亮温 度对地表比 辐射率的 敏感性试 验。 最后将w e n g 等人的地表微波比 辐射率模式 放到g r a p e s 的3 d - v a r 系统中， 通过统计辐射亮温度误差来分析地表比 辐射率模式的计算效果是否理想。 由于亮温度误差仍然较大，结合 n o a a / n e s d i s的统计反演公式，提出调整地表微波比辐 射率模式参数来计算地表比 辐射率，其结果对于大部分类型的地表都有所改善，但在第 i s 通道、 积雪地表情况下， 改善甚微， 故引 进w e n g 等提出 的专门 用于积雪地 表微波比 辐射率 计算模式，其效果有明显改善。 第二章 地表微波比 辐射率模式概述一 南京信息工程大学硕士论文 第二章 地表微波比辐射率模式概述 根据第一章的介绍，已经有过不少人对地表比辐射率计算作了大量的研究， 但是对于微 波波段的比 辐射率的 计算还不是很理想。 而要实现卫星资料在数值预报中的直接同化， 特别 是对a t o v s 的微波辐射资料的直接同化，由 于其辐射值受地表影响较大， 必须要提供一个 有效的地表比辐射率计算模式。 为了能在g r a p e s 的三维变分同化系统中，实现对a t o v s 卫星辐射资料的直接同化， 本 文引 进 美国n o a a / n e s d i s 的w e n g 等 3 2 ,3 3 1所 提出 的 复 杂 地 表比 辐 射率 模式 和 积 雪 比 辐 射 率计算模式。 第一节 复杂地表微波比 辐射率模式的介绍 地表微波比 辐射率不仅是卫星资1 1 直接同 化中的重要参数， 也是遥感反演陆地地表湿度 算法中的 关 键参 数 34 1 ， 又是陆 地区 域 大气 温湿 廓线 反演时 需要的 基 本物理 量1 5 ,3 5 1 。 地 表 微波 比辐射率随地表物理特性的变化有很大差异， 虽然利用星载被动微波遥感资料反演大范围的 地表比辐射率一直是研究的一个热点，但是效果不是很理想。 2 . 1 . 1 复杂地表微波比 辐射率模式的辐射传输介绍 w e n g 等提出的复杂地表微波波段比 辐射率模式的基本模型如图2 . 1 所示。 i o r 1 2 i ( t o , p 1) ( i - r 2 1 ) l a y e r l , e , 斌i - r 1 2 )i ( t o , 旧r 2 1 l a y e r 2 , e 2 , b ( t ) ( s n o w , d e s e r t , c a n o p y ) i ( t h 11 ) i ( t i ， 一 “ ) r 2 3 图2 . 1地表覆盖层的辐射传输示意图 这是一个三层模式， 即顶层大气、中间层地表覆盖层和底层土壤。 其中顶层和底层在空 第二章 地表微波比 辐射率模式概述一 南京信息工程大学硕士论文 第二章 地表微波比辐射率模式概述 根据第一章的介绍，已经有过不少人对地表比辐射率计算作了大量的研究， 但是对于微 波波段的比 辐射率的 计算还不是很理想。 而要实现卫星资料在数值预报中的直接同化， 特别 是对a t o v s 的微波辐射资料的直接同化，由 于其辐射值受地表影响较大， 必须要提供一个 有效的地表比辐射率计算模式。 为了能在g r a p e s 的三维变分同化系统中，实现对a t o v s 卫星辐射资料的直接同化， 本 文引 进 美国n o a a / n e s d i s 的w e n g 等 3 2 ,3 3 1所 提出 的 复 杂 地 表比 辐 射率 模式 和 积 雪 比 辐 射 率计算模式。 第一节 复杂地表微波比 辐射率模式的介绍 地表微波比 辐射率不仅是卫星资1 1 直接同 化中的重要参数， 也是遥感反演陆地地表湿度 算法中的 关 键参 数 34 1 ， 又是陆 地区 域 大气 温湿 廓线 反演时 需要的 基 本物理 量1 5 ,3 5 1 。 地 表 微波 比辐射率随地表物理特性的变化有很大差异， 虽然利用星载被动微波遥感资料反演大范围的 地表比辐射率一直是研究的一个热点，但是效果不是很理想。 2 . 1 . 1 复杂地表微波比 辐射率模式的辐射传输介绍 w e n g 等提出的复杂地表微波波段比 辐射率模式的基本模型如图2 . 1 所示。 i o r 1 2 i ( t o , p 1) ( i - r 2 1 ) l a y e r l , e , 斌i - r 1 2 )i ( t o , 旧r 2 1 l a y e r 2 , e 2 , b ( t ) ( s n o w , d e s e r t , c a n o p y ) i ( t h 11 ) i ( t i ， 一 “ ) r 2 3 图2 . 1地表覆盖层的辐射传输示意图 这是一个三层模式， 即顶层大气、中间层地表覆盖层和底层土壤。 其中顶层和底层在空 复杂地表比辐射率模式在 g r a p e s中的应用研究一 南京信息工程大学硕士论文 间 上分布可以认为是一致的， 也就是说可以 用相同的介电 常数来表示， 即 顶层大气的 介电 常 数记为。 1 e 底层土壤的 介电 常数 记为。 3 。 而中间层( 地表覆盖层) 在空间上分布是不均匀的， 包含如积雪颗粒、 沙子颗粒以 及植被等散 射介质， 中间 层的体散射是由 辐射传输公式计算得 出的， 在交界面上反射率的 计算可以 根据修正过的f r e s n e l 反射公式来计算。 对于裸露土壤 地表， 这个3 层模式就可以简化为两层模式，即顶层的大气和底层的土壤。 辐射传输方程可写为: 。 d l , u ) 一 ， (t 。 ) 一 ( z ) f, p (, , u , u (z , u )d y rt l - 1 - m ( z )b ( t ) ( 2 .1 ) 其 中 ， ， 是 辐 射 率 ; ru (z ) 是 单 次 散 射 反 照 率 ; p (z . p , ,. ,) 是 相 函 数 ; b (t ) 是 普 朗 克 函 数 : t 是 热 力 学 温 度 ; : 是 光 学 厚 度 ; u 是 入 射 天 顶 角 的 余 弦 ，杯是 散 射 天 顶 角 的 余 弦 。 在给定频率下的辐射率可以由 ( 2 . 1 ) 式计算得出。由于普朗克函数和辐射率分别可以 用温度和亮温度来代替， 所以这些变量在以下的讨论中可以交替使用。 在任意视角下 ( 2 . 1 ) 式的 解可以 使用辐射传输二流近似 3 6 得: = 1 一 。 ( 1 一 b ) 1 ( z ,. ) - . b i ( ; 一 y)-(i 一 。 ) b ( 2 2) 一u一 11 一 。 ( 1 一 b ) 1 ( ; 一 k ) - co b l ( z , ) - ( 1 一 。 冲( 2 3) 其 中 ， b 和i 一 b 分 别 为 后 向 和 前 向 总 的 散 射 能 量 对 于 各 向 同 性 散 射， b = 刀 2 ， 因 此 在 两 个方向上散射能量是相同的。 ( 2 .2 )式和 ( 2 . 3 )式可以合并为二阶常系数微分方程，假设。，b 和b与t无关，则 可得到向上和向下辐射率为: 式 珊) - 几 玩 - p ( - ( , - r t ) )4 k一 y z - p (- 价一 z l ) ) l a y 4 - p (- k ( t 。 一 : 。 ) 一 16 z y 3 - p m ， 一 : 。 ) i , fl 3 - p ( k ( t 一 : 。 ” 一 fl a - p (- k ( : 一 “ a l _ 一石勺吮土了份7丁一于1 1一一十2 f p l y a “p、 一k i c l 一“1 0 1 1 一p 2 y 3 6 v l kk t l 一t o 1 1 ( 2 .4) i ( : 一 k ) = i o u a - p ( k ( t 一 r l 卜为 exp(- 袱 卜几 ) q ly 4 e p (- x ( r ; 一 t 0 ) 一 fi 2 y 3 - p (k 1 1 一 “ j ) i , v 2 - p k ( : 一 , 0 ) 一 ,6 , 1 . p (- k ( : 一 = o ) ) l. 。 一 -丁-7-7-州 卜工】l乙. 少 1 1 1 y 4 e x p 卜x ( r l 一 t o ) ) 一 几y 3 e -x p 恤l t l 一 t 0 1 1 其 中 ， 二 是 微 分 方 程 解 的 特 征 值 ， 它 与 粒 子 的 光 学 参 数 有 关 。 同 样石= 7 , - b (1 - 凡 。 ) 第二章 地表微波比 辐射率模式概述一 南京信息工程大 学硕士论文 t o = i o ( 1 一 r ,z ) - b ( 1 一 r z , ) 中， 这 里 i : 是 在 底 层r = r : 时 的 向 上 辐 射， 而几 是 在 顶 层 : = : 。 时 的 向 下 辐 射 。 参 数r tf 是 在 两 层 x jf 面 之 间 的 反 射 率 。 。 二 v f - - t / 砰w g , 、 为 不对 称 因子 ; fl ， 二 1 / (3 一 r 2 1 记,8 = ( i - - x 1 十 a ) ，则有,8 , = - 凡/ ,o 16 4 = p 一 r z , ，y = ( ii 一 r , , 1/ ( i 一 p r , ,， 16 ， 二 1 一 凡了 刀， 7 1 = 1 一 r , / p y a = 1 一 r , , p ， y ， 二 !1 / / 3 一 r , , y a = p 一 r z , 。 假设作为等温的地表面， 则中间层和底层 ( 第二层和第三层) 的温度相同。 则来自 第二 层的向上的辐射率可表示为: t !- 、 _i ; v - p (“ (“ 。 一 : ， ) 一 y 1 e “ p (- , (s 。 一 : ， ). 。 王 l 1 0 , f l牛不 丁 尸一 一一万 一万宁一甲一 又 不一 不 厂 一 一 一万一 万 一一份不 ，。l l . b 少 pi 7 t p- pk -khr 一t o l l 一p2 y s o x pi ki t 一t o ) ) 在第一层和第二层的交界面上，对于入射辐射也能引起反射。从而，对来自 第一层 ( 大气) 向 下的 辐射有反射作用; 对来自 第二层 ( 地表覆盖层)向 上的辐射也有反射作用， 因 此总的 辐射率可以由以下方程给出: i , ( r o f1 一 i o r , z (p ) + i ( r o ,it 1 1 一 r z j , ) i ( 2 .7 ) 其中， i i ， 是 第二 层 发出 的 透过 第一 、 二 层 交界 面向 上辐射的 折射 角的 余弦， 它 可以 根据s n e ll 定律由p计算得出。 三层介质的 总比 辐射率可以定义为来自 于介质的总的辐射率与由 p l a n c k函数计算得出 的 黑 体 辐 射 率 之 比 记 作: = 1 , / b . 其 结 果 为 : : 一 aru 。 一 、 托 (1 一 8 1 1 十 y ex p (- 2 k (t 。 一 : a l ( 1 一 p r 2 , ) 一 ( p 一 r 2 1 ) x p c 2 k (i ， 一 : 。 ) a ( 一 r .2一 y e ap ( 2 , (-, , 一 : 。 ) 一 r , - p t - 2 k ( r ， 一 ; 。 ) ( 2 . 8) 如一沙 (l 一 u p “ ) 其 中 ， a = i a / b 。 由 于 在 交 界 面 上 的 反 射 是 极 化 的 ， 所 以 由( 2 .8 ) 式 计 算 得 出 的 比 辐 射 率 也一个极化函数. 2 . 1 . 2地表覆盖层的光学参数的计算 由( 2 . 8 ) 式 可以 看出 ， 影 响比 辐 射 率 计 算的 最 重 要的 参 数 是 光 学 厚 度( t , “ t o ) 和 交 界 面 上 的 反 射 率 系 数( r y ) . 在 第 二 层 ， 即 地 表 覆 盖 层 ， 可 能 会 非 常 复 杂 ， 例 如 。 在 落 叶 林 机 包括各种树叶、 树枝、 甚至树干: 它们往往有圆 盘形、 针叶 状和圆柱状; 在积雪、 沙漠或者 是裸露土壤的地表情况下， 各自 的光学特性的计算各不相同。 下面分类讨论不同地表类型的 光学参数计算。 复杂地表比 辐射率棋式在g r a p e s 中 的 应用研究 南京信息工程大学硕士论文 ( 一)植 被 对于 不同 形状植 被的 光 学厚 度的 计算已 经有好多人 做 过这 方 面的 研究 3 7 ,3 8 ,3 9 ,4 0 ,4 1,4 2 ,4 3 ,4 4 然而，其中大多数的结果仅仅在低频段是正确的 ( 例如，频率小于 i o g h z ) ，因此它 们的应 用非常 有局限 性。 w e a m u l le r 等 1 9 1 提出 的关于植被的 光学 参数的 计算方法可适用于 1 g h z - 1 0 0 g h z 频率范围内，因 此， 他的计算方法就被引 进到 地表比 辐射率计算模式中。 植被的叶子可以近似地认为在同一平面上并具有相同的介电常数和厚度。叶子的反射 率、透过率和吸收率的表达式 1 9 ,1 5 1 如下: r p ( 1 一 e x p 1 一 唁 e x p i2 k , ,d ) i 2 、 二