靜止軌道微波衛(wèi)星熱帶氣旋觀測(cè)數(shù)值模擬及時(shí)空分辨率分析:以臺(tái)風(fēng)“菲特”為例

張穎　劉浩　吳季　何杰穎

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

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靜止軌道微波衛(wèi)星熱帶氣旋觀測(cè)數(shù)值模擬及時(shí)空分辨率分析:以臺(tái)風(fēng)“菲特”為例

張穎1,2劉浩1吳季1何杰穎1

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

摘要觀測(cè)熱帶氣旋所需的空間分辨率以及識(shí)別出變化所需的時(shí)間分辨率對(duì)于用于觀測(cè)熱帶氣旋的輻射計(jì)的指標(biāo)設(shè)計(jì)有重要意義．利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心6 h全球最終分析資料作為初始場(chǎng),通過中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式輸出不同時(shí)刻水凝物含量和溫濕度廓線等參數(shù),使用歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心發(fā)展建立的快速輻射傳輸模式輸出亮溫,分析了不同時(shí)刻及不同空間分辨率下氧氣吸收頻段和水汽吸收頻段的靜止軌道探測(cè)模擬亮溫．結(jié)果表明:熱帶氣旋等級(jí)越高,觀測(cè)的空間分辨率需求越高,氧氣吸收頻率、水汽吸收頻率、窗區(qū)頻率對(duì)空間分辨率敏感度依次增大;短時(shí)間內(nèi)低等級(jí)熱帶氣旋的觀測(cè)時(shí)間分辨率需求越高,水汽吸收頻段探測(cè)頻率所需時(shí)間分辨率高于氧氣吸收頻段．

關(guān)鍵詞快速輻射傳輸模型；熱帶氣旋;靜止軌道;微波衛(wèi)星觀測(cè)

引言

微波頻段與可見光和紅外頻段相比具有受云和降雨天氣影響小的特點(diǎn),它可以穿透大部分云層,具有全天候探測(cè)能力,使得低頻段微波在云和降水的觀測(cè)上具有可見光和紅外探測(cè)無可比擬的優(yōu)勢(shì)[1]．

目前進(jìn)行溫度廓線和濕度廓線探測(cè)的在軌儀器包括AMSU-A, AMSU-B, MWTS, MWHS, ATMS, SSM/T等都用于低地球軌道探測(cè)[2],而在靜止軌道上還沒有相應(yīng)頻段的探測(cè)器．

相比低地球軌道衛(wèi)星探測(cè),靜止軌道探測(cè)器相對(duì)地球靜止,能夠?qū)Υ髿膺M(jìn)行大面積的連續(xù)時(shí)間觀測(cè),因而在天氣預(yù)警和快速變化天氣現(xiàn)象的即時(shí)和短期天氣預(yù)報(bào)上具有更好的時(shí)效性,能發(fā)揮更大作用．再者,靜止軌道毫米波大氣探測(cè)儀與同軌道紅外探測(cè)器相結(jié)合,能彌補(bǔ)紅外探測(cè)無法穿透云層的缺陷,從而實(shí)現(xiàn)有云天氣情況下大氣溫度和濕度垂直分布探測(cè),這將有利于熱帶氣旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)[3]．

從20世紀(jì)90年代開始,美國(guó)及歐洲基于傳統(tǒng)的真實(shí)孔徑技術(shù)提出了GEM/GOMAS的概念并開展了方案論證工作．近年來,干涉式綜合孔徑技術(shù)的引入推動(dòng)了靜止軌道微波探測(cè)技術(shù)新一輪的發(fā)展,并逐漸成為國(guó)際上主流的發(fā)展方向．基于綜合孔徑技術(shù),美國(guó)與歐洲分別提出了各自的星載系統(tǒng)概念(GeoSTAR及GAS),并研制了各自的地面縮比樣機(jī)[4-7]．我國(guó)在新一代風(fēng)云四號(hào)靜止軌道氣象衛(wèi)星規(guī)劃當(dāng)中,也已明確了對(duì)微波探測(cè)的需求．針對(duì)上述需求,中科院空間中心從2005年開始提出了基于圓環(huán)陣列干涉式綜合孔徑技術(shù)的靜止軌道干涉式毫米波大氣探測(cè)儀(Geostationary Interferometric Micorwave Sounder, GIMS)的系統(tǒng)概念,并開展了樣機(jī)研制[8-9]．

GIMS采用干涉式綜合孔徑成像技術(shù),相比真實(shí)孔徑微波輻射計(jì)能有效減小天線尺寸,降低機(jī)械掃描難度．并且靜止軌道干涉式毫米波大氣探測(cè)儀采用圓環(huán)稀疏陣列進(jìn)行旋轉(zhuǎn)分時(shí)掃描,相比靜止陣列能夠進(jìn)一步減小所需的天線數(shù)目并且易于定標(biāo),這些優(yōu)勢(shì)使得靜止軌道干涉式毫米波大氣探測(cè)儀尤其適合于星載靜止軌道應(yīng)用．

表1中列出了GIMS樣機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)[8],由于GIMS采用分時(shí)掃描成像機(jī)制,因而成像周期的設(shè)計(jì)依賴觀測(cè)目標(biāo)的時(shí)間變化特性,而空間分辨率的設(shè)計(jì)也將依賴觀測(cè)目標(biāo)的空間分布特性．本文試驗(yàn)利用中尺度天氣預(yù)報(bào)(Weather Research and Forecasting,WRF)模式和快速輻射傳輸模型(Radiative Transfer for TOVS,RTTOV)模擬了50.3 GHz、183 GHz靜止軌道上觀測(cè)的熱帶氣旋區(qū)域的亮溫變化,主要分析了熱帶氣旋觀測(cè)所需的空間分辨率和時(shí)間分辨率,從而為靜止軌道微波輻射計(jì)空間分辨率和成像周期等指標(biāo)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)．

表1　GIMS樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)

1方法及數(shù)據(jù)資料介紹

文中選用FNL(final)再分析資料作為初始場(chǎng)驅(qū)動(dòng)天氣預(yù)報(bào)模式WRF,得到指定時(shí)刻、指定空間分辨率的氣象預(yù)報(bào),提取預(yù)報(bào)輸出的溫度、濕度、氣壓、水汽含量等云雨大氣環(huán)境數(shù)據(jù)作為輻射傳輸模型RTTOV的輸入,對(duì)靜止軌道上氧氣吸收頻帶(53 GHz)和水汽吸收頻帶(183 GHz)的探測(cè)進(jìn)行模擬,從而得到相應(yīng)時(shí)刻和空間分辨率的臺(tái)風(fēng)區(qū)域亮溫分布,由此對(duì)靜止軌道臺(tái)風(fēng)觀測(cè)的時(shí)間和空間分辨率需求進(jìn)行分析．

1.1數(shù)據(jù)資料

FNL資料是逐6 h以1°×1°為單元網(wǎng)格的全球最終分析資料,該數(shù)據(jù)由全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(Global Data Assimilation System, GDAS)采集各種觀測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過再分析得到．試驗(yàn)選取了2013年10月登陸福建沿海的臺(tái)風(fēng)“菲特”進(jìn)行研究,以該時(shí)段FNL資料作為天氣預(yù)報(bào)模式WRF的初始場(chǎng)．

1.2WRF

WRF是美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)等科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)研制的新一代預(yù)報(bào)模式,已被用于氣旋模擬及預(yù)測(cè)中,比如Pattanaik和Rama利用該模式對(duì)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“納爾吉斯”進(jìn)行軌跡預(yù)報(bào)[11],Manion和Evans等利用該模式模擬五個(gè)溫帶氣旋研究氣旋強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法[12],周林等利用該模式模擬分析超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“桑美”[13]．WRF模式采用NCEP 6 h間隔再分析全球氣象資料作為初始場(chǎng),本研究中預(yù)報(bào)輸出的時(shí)間分辨率設(shè)為10 s,空間分辨率分別設(shè)為10、20、50、80 km,云微物理方案使用Purdue Lin方案,該方案考慮水汽、云水、雨、云冰、雪、霰等六種水凝物,是WRF模式中比較成熟的微物理方案,適合研究應(yīng)用[14],其他物理過程包括長(zhǎng)波輻射RRTM方案、短波輻射Dudhia方案、表層Monin-Obukhov方案、Noah地表模型、邊界層YSU方案和積云Kain-Fritsch方案．

1.3RTTOV

RTTOV是由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)開發(fā)的用于模擬衛(wèi)星探測(cè)的地球環(huán)境紅外和微波輻射的快速輻射傳輸模型,能夠在給定大氣溫度、濕度廓線以及表面狀態(tài)等模式初始變量的情況下,沿衛(wèi)星探測(cè)器的觀測(cè)方向,根據(jù)儀器每一探測(cè)通道的平均光譜響應(yīng)函數(shù),得到較高精度的模擬探測(cè)值[15]．針對(duì)受云和降水條件下的模擬,RTTOV中提供了散射模塊,該模塊可以描述為下面的公式:

(1)

2方法驗(yàn)證

選取NOAA衛(wèi)星經(jīng)過臺(tái)風(fēng)“菲特”的時(shí)刻,利用WRF模式對(duì)該時(shí)刻的大氣參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè),從中提取溫度、濕度、壓力、云覆蓋、云水、云冰、降水等廓線信息以及表面溫度、2 m溫度、2 m比濕、10 m 經(jīng)緯向風(fēng)速、地表類型等地面參數(shù),并結(jié)合頻率、天頂角、軌道高度等儀器參數(shù)作為RTTOV的輸入?yún)?shù),然后通過RTTOV輻射傳輸模型模擬微波溫度計(jì)AMSU-A和濕度計(jì)AMSU-B的亮溫,將模擬亮溫與實(shí)際觀測(cè)亮溫進(jìn)行對(duì)比,圖1、2分別給出頻率為54.4 GHz和183.31 GHz時(shí)的亮溫對(duì)比圖,結(jié)果表明模擬亮溫與實(shí)際觀測(cè)亮溫分布一致,能很好地模擬熱帶氣旋的基本結(jié)構(gòu)．表2、3列出了NOAA衛(wèi)星和FY3-B衛(wèi)星上溫度計(jì)AMSU-A/MWTS和濕度計(jì)AMSU-B/MWHS各頻率通道熱帶氣旋區(qū)域模擬亮溫和實(shí)際亮溫的均方根誤差(Root Mean Squared Error, RMSE)．結(jié)果表明:50～56 GHz二者亮溫吻合度極高,尤其在AMSU-A氧氣吸收頻率附近(54 GHz左右)模擬誤差可以達(dá)到0.6 K左右,這是由于氧氣吸收頻率屬于高層探測(cè)通道,受海表面輻射率的影響小[10];而水汽吸收頻率(183 GHz)模擬誤差整體略高于氧氣吸收通道,這主要由于高頻對(duì)水物質(zhì)粒子散射比較敏感,而輻射傳輸模型中水物質(zhì)粒子散射模塊還有待提高．盡管在窗區(qū)頻率上,模擬亮溫與實(shí)際觀測(cè)亮溫在固定時(shí)刻上有一定的偏差,但是在本研究著重分析的氧氣和水汽吸收頻率上,模擬亮溫與實(shí)際觀測(cè)亮溫的偏差較小,且固定時(shí)刻的偏差不影響亮溫在短時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律分析;并且圖1、2也顯示,模擬亮溫能準(zhǔn)確反映觀測(cè)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特性,因而個(gè)別像素點(diǎn)上模擬亮溫的偏差將不影響目標(biāo)的空間分辨率需求分析,表明了WRF和RTTOV方法模擬氣旋區(qū)域微波探測(cè)亮溫進(jìn)行時(shí)空分辨率分析的可行性．

(a) 實(shí)際觀測(cè)亮溫/K　　　(b) 模擬亮溫/K圖1　模擬亮溫與實(shí)際觀測(cè)亮溫對(duì)比圖(頻率54.4 GHz)

(a) 實(shí)際觀測(cè)亮溫/K　　　(b) 模擬亮溫/K圖2　模擬亮溫與實(shí)際觀測(cè)亮溫對(duì)比圖(頻率183.31 GHz)

AMSU-A頻率/GHz23.831.450.352.853.59654.454.9455.5RMSE/K18.8729.7814.523.411.460.650.340.58偏差/%8.6615.625.891.280.560.270.150.27頻率/GHzf0=57.290344f0±0.217f0±0.3222±0.048f0±0.3222±0.022f0±0.3222±0.01f0±0.3222±0.004589RMSE/K2.347.3615.1425.2435.3543.9615.57偏差/%1.153.506.8910.9514.6817.616.01AMSU-B頻率/GHz89150183.31±7.0183.31±3.0183.31±1.0RMS/K18.6823.746.2212.1319.57偏差/%7.248.622.544.717.38

表3　FY3-B衛(wèi)星溫度計(jì)和濕度計(jì)各頻率通道模擬亮溫與觀測(cè)亮溫的RMSE

3臺(tái)風(fēng)觀測(cè)的空間分辨率分析

使用WRF模式和RTTOV輻射傳輸模型模擬得到不同空間分辨率時(shí)靜止軌道觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)區(qū)域(圖3、4),圖3、4分別是50.3 GHz和183.31 GHz的模擬．由于183.31 GHz位于水汽吸收帶上,液態(tài)水吸收特征明顯,且高頻探測(cè)時(shí)水凝物粒子的散射作用明顯,從而使氣旋模擬亮溫降低[15,18],因而水汽吸收通道熱帶氣旋亮溫低于背景亮溫,而50.3 GHz窗區(qū)通道熱帶氣旋亮溫高于背景亮溫．

圖3、4從左至右依次顯示空間分辨率為20 km×20 km,50 km×50 km,80 km×80 km時(shí)的熱帶氣旋區(qū)域模擬亮溫,從上至下氣旋等級(jí)依次增強(qiáng),分別對(duì)應(yīng)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)(相應(yīng)風(fēng)速依次約為28 m/s,35 m/s,42 m/s)．圖中顯示,各組空間分辨率圖像均能反應(yīng)出熱帶氣旋的基本結(jié)構(gòu),但是僅當(dāng)空間分辨率高于或等于50 km×50 km時(shí)才能比較清晰地顯示熱帶氣旋的細(xì)節(jié)信息(如風(fēng)眼及眼壁等結(jié)構(gòu)),當(dāng)分辨率降低至80 km×80 km時(shí),風(fēng)眼等細(xì)節(jié)信息已經(jīng)非常模糊．

對(duì)比圖3、4的每一行可以看出,隨著熱帶氣旋等級(jí)升高,由于空間分辨率降低引起的細(xì)節(jié)信息丟失現(xiàn)象越來越明顯．氣旋為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴時(shí),80 km分辨率圖像(圖3(c))仍保留氣旋基本輪廓,而當(dāng)氣旋演化為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)時(shí),80 km分辨率圖像(圖3(i))風(fēng)眼已模糊為一個(gè)像素點(diǎn),信息丟失情況加重．

(a)　　　分辨率20 km*20 km,熱帶　　(b)　　　分辨率50 km*50 km,熱帶　　(c)　　　分辨率80 km*80 km,熱帶　　　氣旋等級(jí)：強(qiáng)熱帶風(fēng)暴　　　氣旋等級(jí)：強(qiáng)熱帶風(fēng)暴　　　氣旋等級(jí)：強(qiáng)熱帶風(fēng)暴

(d)　　　分辨率20 km*20 km,熱帶　　　(e)　　　分辨率50 km*50 km,熱帶　　　(f)　　　分辨率80 km*80 km,熱　　　氣旋等級(jí)：臺(tái)風(fēng)　　　氣旋等級(jí)：臺(tái)風(fēng)　　　帶氣旋等級(jí)：臺(tái)風(fēng)

(g)　　　分辨率20 km*20 km,熱帶　　(h)　　　分辨率50 km*50 km,熱帶　　(i)　　　分辨率80 km*80 km,熱帶　　　氣旋等級(jí)：強(qiáng)臺(tái)風(fēng)　　　氣旋等級(jí)：強(qiáng)臺(tái)風(fēng)　　　氣旋等級(jí)：強(qiáng)臺(tái)風(fēng)圖3　50.3 GHz時(shí)不同空間分辨率、不同等級(jí)熱帶氣旋的亮溫模擬

(a)　　　分辨率20 km*20 km,熱帶　　(b)　　　分辨率50 km*50 km,熱帶　　(c)　　　分辨率80 km*80 km,熱帶　　　氣旋等級(jí)：強(qiáng)熱帶風(fēng)暴　　　氣旋等級(jí)：強(qiáng)熱帶風(fēng)暴　　　氣旋等級(jí)：強(qiáng)熱帶風(fēng)暴

(d)　　　分辨率20 km*20 km,熱帶　　(e)　　　分辨率50 km*50 km,熱帶　　　(f)　　　分辨率80 km*80 km,熱帶　　　氣旋等級(jí)：臺(tái)風(fēng)　　　氣旋等級(jí)：臺(tái)風(fēng)　　　氣旋等級(jí)：臺(tái)風(fēng)

(g)　　　分辨率20 km*20 km,熱帶　　(h)　　　分辨率50 km*50 km,熱帶　　(i)　　　分辨率80 km*80 km,熱帶　　　氣旋等級(jí)：強(qiáng)臺(tái)風(fēng)　　　氣旋等級(jí)：強(qiáng)臺(tái)風(fēng)　　　氣旋等級(jí)：強(qiáng)臺(tái)風(fēng)圖4　183.31 GHz時(shí)不同空間分辨率、不同等級(jí)熱帶氣旋的亮溫模擬

(a) 強(qiáng)熱帶風(fēng)暴

(b) 臺(tái)風(fēng)

(c) 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)圖5　不同等級(jí)熱帶氣旋各分辨率圖像與理想高分辨率圖像間的RMSE隨頻率的分布直方圖

以10 km高分辨率氣旋模擬亮溫圖像作為基準(zhǔn),將20、50、80 km分辨率圖像插值到基準(zhǔn)圖像坐標(biāo)下并與基準(zhǔn)圖像進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算RMSE,得到圖5中不同等級(jí)不同分辨率圖像RMSE隨頻率的分布直方圖．圖5顯示窗區(qū)通道(50 GHz,150 GHz)附近,由于空間分辨率降低帶來的差異比較明顯,而在氧氣吸收通道(54 GHz)和水汽吸收通道(183 GHz)附近,空間分辨率降低帶來的影響很小,尤其是氧氣吸收通道附近,即便空間分辨率降低至80 km,RMSE依然維持在0.4 K左右．這說明從定量分析的角度而言,氧氣吸收頻率和水汽吸收頻率附近進(jìn)行靜止軌道探測(cè)對(duì)于空間分辨率不敏感,而窗區(qū)頻率靜止軌道探測(cè)對(duì)空間分辨率比較敏感．

4臺(tái)風(fēng)觀測(cè)的時(shí)間分辨率分析

使用WRF模式和RTTOV輻射傳輸模式得到時(shí)間間隔為10 s的一系列熱帶氣旋模擬亮溫,對(duì)其兩兩圖像計(jì)算RMSE,統(tǒng)計(jì)得到亮溫圖像間的差值隨圖像時(shí)間間隔的曲線,如圖6所示．圖中顯示氧氣吸收頻帶53.596 GHz和水汽吸收頻帶183.31 GHz模擬亮溫有相似的結(jié)果:1) 圖中每一條曲線的變化表明,隨著時(shí)間推移,熱帶氣旋模擬亮溫與初始時(shí)刻亮溫之間的差值越來越大,這是由于熱帶氣旋隨著時(shí)間變化不斷進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、位移及演化造成的;2) 對(duì)比不同顏色的曲線可知,不同強(qiáng)度熱帶氣旋對(duì)應(yīng)的RMSE曲線的斜率不同,隨著熱帶氣旋增強(qiáng)(強(qiáng)熱帶風(fēng)暴>臺(tái)風(fēng)>強(qiáng)臺(tái)風(fēng)),曲線斜率的絕對(duì)值減小,即在半小時(shí)內(nèi),熱帶氣旋等級(jí)越低,在相同時(shí)間內(nèi)亮溫的變化越劇烈,可能的原因在于短時(shí)間內(nèi)熱帶氣旋的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)比位移更顯著,而熱帶氣旋等級(jí)越低,結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性越差,因而低等級(jí)熱帶氣旋的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶來的亮溫變化更大,隨著時(shí)間增長(zhǎng),熱帶氣旋的位移給亮溫變化帶來的影響將逐漸顯著．換言之,觀測(cè)不同強(qiáng)度的熱帶氣旋的相同的變化量所需的時(shí)間分辨率不同,且熱帶氣旋等級(jí)越低,短時(shí)間內(nèi)觀測(cè)所需的時(shí)間分辨率越高．

對(duì)比圖6兩個(gè)頻率的曲線可知,以不同頻率觀測(cè)熱帶氣旋亮溫變化相同量所需的觀測(cè)時(shí)間分辨率也不同．定量分析5 min內(nèi)不同頻率、不同強(qiáng)度的熱帶氣旋亮溫變化情況,結(jié)果如圖7所示．對(duì)比不同等級(jí)的熱帶氣旋可知:5 min內(nèi)熱帶氣旋等級(jí)越低,亮溫的變化量越大,這與前面的分析一致;50～57 GHz范圍內(nèi),亮溫變化呈現(xiàn)先降低后增高的趨勢(shì),這是由于氧氣吸收通道54 GHz的接收亮溫主要受氧氣含量影響,而熱帶氣旋區(qū)域氧氣含量在5 min內(nèi)變化不大;而熱帶氣旋區(qū)域水汽含量比氧氣含量變化更明顯,因而整體看來,水汽吸收頻帶亮溫平均變化量高于氧氣吸收頻帶．

(a) 53.596 GHz　　　　　　　　　　　　　　　　(b) 183.31 GHz圖6　熱帶氣旋模擬亮溫圖像間的RMSE隨圖像時(shí)間間隔的變化

圖7　5 min內(nèi)熱帶氣旋區(qū)域亮溫變化的RMSE隨頻率的分布圖

5結(jié)論

使用中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式WRF預(yù)報(bào)輸出的水凝物,通過歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心發(fā)展建立的快速輻射傳輸模式RTTOV,針對(duì)靜止軌道觀測(cè)臺(tái)風(fēng)所需要的時(shí)間分辨率和空間分辨率進(jìn)行了分析,主要得到以下結(jié)論:

對(duì)于每一個(gè)等級(jí)的熱帶氣旋,隨著時(shí)間推移,熱帶氣旋模擬亮溫與初始時(shí)刻亮溫之間的變化越來越大;受氣旋結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性、螺旋運(yùn)動(dòng)和位移運(yùn)動(dòng)的影響,在短時(shí)間內(nèi),熱帶氣旋等級(jí)越低,亮溫的變化越劇烈,觀測(cè)所需的時(shí)間分辨率要求也越高;不同頻率觀測(cè)相同的亮溫變化量所需的時(shí)間分辨率不同,總體而言水汽吸收頻帶觀測(cè)熱帶氣旋的時(shí)間分辨率需求高于氧氣吸收頻帶．

綜合以上靜止軌道熱帶氣旋模擬亮溫的空間分辨率和時(shí)間分辨率分析,能夠?yàn)殪o止軌道微波輻射計(jì)的設(shè)計(jì)提供依據(jù),根據(jù)應(yīng)用需求的側(cè)重點(diǎn)合理設(shè)計(jì)合成孔徑輻射計(jì)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo),以達(dá)到相應(yīng)的時(shí)間分辨率和空間分辨率需求．

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Numerical simulation and temporal-spatial resolution analysis of tropical cyclone observation in GEO microwave satellite:a case study of typhoon “Fitow”

ZHANG Ying1, 2LIU Hao1WU Ji1HE Jieying1

(1.KeyLaboratoryofMicrowaveRemoteSensing,NationalSpaceScienceCenter(NSSC),ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

AbstractTemporal and spatial resolution for tropical cyclone observation play an important role in the design of radiometer used for observing tropical cyclone. In this study, the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) final operational global analysis data prepared operationally every six hours was used as the initial field for mesoscale weather research and forecasting model (WRF) and drove the model to output atmospheric parameters such as hydrometeor content, temperature and humidity profiles at different time. The fast radiative transfer model for TOVS (RTTOV) developed by European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) was used to calculate brightness temperature. Then the simulated brightness temperature maps viewed from geostationary earth orbit at oxygen absorption band and water absorption band for different temporal and spatial resolutions were analyzed. Results indicate that the higher the level of tropical cyclone, the higher the spatial resolution is needed. Sensitivity to spatial resolution is gradually increased among oxygen absorption band, water vapor absorption band and atmospheric window band. In general, for a short observation period, tropical cyclone of lower level needs higher temporal resolution and observation in water vapor absorption band needs higher temporal resolution than that in oxygen absorption band.

Keywordsfast radiative transfer model; RTTOV; tropical cyclone; GEO; microwave satellite observation

收稿日期：2015-05-19

中圖分類號(hào)P407.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1005-0388(2016)02-0253-09

DOI10.13443/j.cjors.2015051901

作者簡(jiǎn)介

張穎(1990-),女,湖北人,現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心中國(guó)科學(xué)院微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生,主要研究方向?yàn)榫C合孔徑輻射計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、大氣探測(cè)與研究．

劉浩(1978-),男,江西人,現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槲⒉ㄟb感機(jī)理、微波遙感器系統(tǒng)研制、信號(hào)處理、綜合孔徑微波輻射計(jì)等．

吳季(1958-),男,北京人,現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槲⒉ㄟb感機(jī)理、電磁場(chǎng)理論、微波天線技術(shù)、空間探測(cè)技術(shù)與衛(wèi)星工程和綜合孔徑微波輻射計(jì)等.

何杰穎(1984-),女,天津人,現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心副研究員,發(fā)表期刊論文8篇,SCI檢索兩篇,EI收錄論文6篇．主要研究方向?yàn)樾禽d和地基微波輻射計(jì)信息反演,主要是大氣水汽、溫度、云液態(tài)水等信息的反演.

張穎, 劉浩, 吳季, 等. 靜止軌道微波衛(wèi)星熱帶氣旋觀測(cè)數(shù)值模擬及時(shí)空分辨率分析:以臺(tái)風(fēng)“菲特”為例[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2016,31(2):253-261.DOI: 10.13443/j.cjors.2015051901

ZHANG Y, LIU H, WU J, et al. Numerical simulation and temporal-spatial resolution analysis of tropical cyclone observation in GEO microwave satellite:a case study of typhoon “Fitow”[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):253-261. (in Chinese). DOI:10.13443/j.cjors.2015051901

資助項(xiàng)目: 國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA122701)； 公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(GYHY201506023)； 中科院國(guó)際合作局對(duì)外合作重點(diǎn)項(xiàng)目(GJHZ201316)； 浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LQ15D060006)

聯(lián)系人： 張穎 E-mail: zy_9085@163.com