機(jī)載微波大氣溫度探測(cè)儀多高度飛行觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果分析

崔新東，湯鵬宇，姚志剛,4，趙增亮，孫澤中，譚泉

（1.北京應(yīng)用氣象研究所，北京100029；2.地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710054；3.北京航空氣象研究所，北京100029；4.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029；5.解放軍96833部隊(duì)，湖南懷化418099）

1 引 言

由于機(jī)載微波大氣溫度探測(cè)儀具有在目標(biāo)區(qū)域機(jī)動(dòng)探測(cè)的特點(diǎn)[1]，可用于災(zāi)害天氣的高時(shí)空分辨率探測(cè)，也可用于大氣輻射傳輸模型的驗(yàn)證[2]，以及星載探測(cè)器觀測(cè)的對(duì)比檢驗(yàn)。

國(guó)外機(jī)載大氣微波溫濕度探測(cè)儀的研究已經(jīng)開(kāi)展多年，英國(guó)MetOffice和法國(guó)LMD研制的機(jī)載掃描微波輻射計(jì)系統(tǒng)（MARSS），在1989年使用C-130飛機(jī)作為機(jī)載平臺(tái)開(kāi)展試驗(yàn)研究。系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)為兩個(gè)通道（89 GHz和157 GHz），主要用于晴空下微波輻射傳輸模型的驗(yàn)證[3]、云中液態(tài)水測(cè)量[4]、降水測(cè)量[5]，以及表面發(fā)射率特性的測(cè)量[6]、冰雪測(cè)量[7]和陸地表面測(cè)量[8]。1999 年，英國(guó)的Rutherford Appleton Laboratories和MetOffice對(duì)MARSS進(jìn)行了改進(jìn)，增加了183 GHz中心頻率水汽吸收譜線處的三個(gè)通道，并開(kāi)展了飛行試驗(yàn)[9]。美國(guó)MIT研制的機(jī)載微波大氣溫濕度探測(cè)器NAST-M，整個(gè)系統(tǒng)安裝在NASA ER-2飛機(jī)上，探測(cè)高度為0～20 km，每條掃描線包含19個(gè)掃描點(diǎn)，由50.3～56.02 GHz的8個(gè)單邊帶系統(tǒng)和118.75±0.120 GHz到 118.75±3.5 GHz間的 9個(gè)雙邊帶系統(tǒng)共17個(gè)大氣溫度探測(cè)通道組成，并將其應(yīng)用到了大氣的溫度廓線以及降水的反演[10-11]。國(guó)內(nèi)針對(duì)星載微波觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量的研究[12-15]，譚泉等[16]采用機(jī)載微波模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫濕度反演試驗(yàn)，但是針對(duì)機(jī)載微波大氣溫度探測(cè)儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的研究卻鮮有報(bào)道。

目前，輻射傳輸模式主要有綜合輻射傳輸模式、逐線積分模式、快速輻射傳輸模式。綜合輻射傳輸模式主要包括 libRadtran[17]、SCIATRAN[18]、MODTRAN[19]等，這些模式適用于非常寬的電磁波譜范圍及多種可變氣象要素。逐線積分模式主要包括4A、LBLRTM、KOPRA等，這些模式計(jì)算精度高但是計(jì)算速度慢?？焖佥椛鋫鬏斈Ｊ街饕?6Sand6SV1[20]、RTTOV[21]、CRTM[22]等，這些模式在滿足一定精度要求下，計(jì)算速度較快。

反演溫濕廓線的方法主要有統(tǒng)計(jì)反演法[23-24]、物理反演方法[25-27]、物理統(tǒng)計(jì)反演方法[28]。統(tǒng)計(jì)反演方法的本質(zhì)是尋找一種統(tǒng)計(jì)回歸模型。該算法計(jì)算簡(jiǎn)單，時(shí)效性強(qiáng)，但對(duì)于物理過(guò)程描述較差。Churnside等[29]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于較大的溫度逆溫層，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的反演能力優(yōu)于線性統(tǒng)計(jì)方法。Motteler等[30]同時(shí)對(duì)比線性統(tǒng)計(jì)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，結(jié)果表明：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的反演結(jié)果與多元線性統(tǒng)計(jì)的反演結(jié)果相當(dāng)。Chédin等[31]對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演算法與物理迭代反演算法比較，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演方法在處理非性線性問(wèn)題時(shí)，并不需要考慮背景以及亮溫觀測(cè)的誤差協(xié)方差矩陣。物理反演方法的本質(zhì)是通過(guò)對(duì)大氣輻射傳輸方程直接求逆得到大氣參數(shù)信息，其物理概念意義清晰，但是其反演過(guò)程復(fù)雜，且反演性能受到多個(gè)因素的影響。2001年Rosenkranz[32]利用最小方差迭代算法進(jìn)行大氣溫濕廓線反演，在海洋和陸地上空均能得到較高的反演精度。2005年Liu等[33]利用一維變分反演算法對(duì)AMSU觀測(cè)資料同時(shí)反演了大氣溫度、濕度和云水廓線。2015年Aires等[34]利用物理迭代的方法計(jì)算晴空條件下60 GHz吸收帶附近的模擬亮溫，反演結(jié)果表明了模擬觀測(cè)數(shù)據(jù)能改善數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)場(chǎng)。物理統(tǒng)計(jì)反演法的本質(zhì)是物理反演方法和統(tǒng)計(jì)反演方法的組合，但是其相比于統(tǒng)計(jì)反演方法的劣勢(shì)就是計(jì)算效率問(wèn)題。2000年Li等[35]開(kāi)發(fā)了反演軟件包IAPP，該反演軟件以非線性物理迭代反演方法為核心算法。2007年黃靜等[36]發(fā)展了一個(gè)物理統(tǒng)計(jì)反演方法，理想實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明該方法對(duì)溫度廓線的反演結(jié)果不夠理想，對(duì)水汽廓線的反演結(jié)果較好。

針對(duì)2017年4月在陜西華陰區(qū)域開(kāi)展的機(jī)載觀測(cè)與地面探空的同步觀測(cè)試驗(yàn)，本文的主要目的是分析自主研制的機(jī)載微波大氣溫度探測(cè)儀的觀測(cè)性能。利用低空飛行觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析地表敏感通道地表比輻射率，并分析不同探測(cè)高度對(duì)大氣溫度廓線反演性能的影響。文中第二部分對(duì)試驗(yàn)、觀測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制進(jìn)行介紹，第三部分建立正演模型并計(jì)算地表比輻射率，第四部分分析觀測(cè)亮溫正演和反演結(jié)果，第五部分是結(jié)論與討論。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

2.1 試驗(yàn)和數(shù)據(jù)介紹

本次試驗(yàn)的機(jī)載平臺(tái)搭載一臺(tái)中國(guó)航天科技集團(tuán)五院研制的包含8通道的大氣微波溫度探測(cè)儀，其每條掃描線包含90個(gè)掃描點(diǎn)，相較于國(guó)外機(jī)載大氣微波溫度探測(cè)儀具有更高的水平分辨率，有利于探測(cè)更小范圍內(nèi)大氣變化。機(jī)體中部機(jī)腹處有可開(kāi)啟艙門(mén)，探測(cè)儀天線反射面位于機(jī)體艙門(mén)處并垂直于機(jī)體平面指向地面，探測(cè)時(shí)艙門(mén)打開(kāi)，天線反射面逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一周用時(shí)2.67 s，系統(tǒng)工作頻段為50～60 GHz，各通道參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)區(qū)域位于陜西華陰（110.155～110.200°E，34.05～34.90°N），機(jī)載平臺(tái)飛行區(qū)域?yàn)檎险钡木匦慰沼颍囼?yàn)共飛行三個(gè)高度層，按時(shí)間順序依次是3 200 m、4 200 m和2 500 m高度層，共獲得2小時(shí)22分的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要包含平飛、爬升、下降和轉(zhuǎn)彎階段數(shù)據(jù)。機(jī)載平臺(tái)飛行速度約為120 km/h，平飛區(qū)域長(zhǎng)度約10 km。試驗(yàn)過(guò)程中每半小時(shí)釋放探空氣球，探空區(qū)域位于飛行區(qū)域南側(cè)。試驗(yàn)當(dāng)天為雨后，天空全部為層積云。

表1 大氣微波溫度探測(cè)儀通道特性參數(shù)

2.2 觀測(cè)亮溫質(zhì)量控制

選取3 200 m高度層觀測(cè)數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，圖1為3 200 m高度層第5通道觀測(cè)亮溫。如圖1所示，縱坐標(biāo)為99～232和287～447的區(qū)域分別對(duì)應(yīng)圖2綠色平飛階段和黃色平飛階段，這些區(qū)域亮溫的角度分布較合理，其機(jī)載平臺(tái)俯仰角絕對(duì)值為0～5°。此外，圖1中縱坐標(biāo)為50～98、233～286和448～498區(qū)域亮溫隨角度分布異常，其機(jī)載平臺(tái)俯仰角絕對(duì)值為5～20°；對(duì)比機(jī)載平臺(tái)飛行軌跡(圖2)可以看出，上述區(qū)域均位于機(jī)載平臺(tái)轉(zhuǎn)彎階段，左側(cè)亮溫值偏低右側(cè)亮溫值偏高的區(qū)域?qū)?yīng)俯仰角為正值，左側(cè)亮溫值偏高右側(cè)亮溫值偏低的區(qū)域?qū)?yīng)俯仰角為負(fù)值。分析表2可知，此時(shí)大氣整層相對(duì)濕度較大，因此觀測(cè)亮溫隨角度分布異常原因可能為：在長(zhǎng)時(shí)間穿云飛行過(guò)程中會(huì)在探測(cè)儀天線反射面附著一層水膜，當(dāng)俯仰角較大時(shí)會(huì)使得水膜的覆蓋范圍和厚度發(fā)生變化從而影響觀測(cè)亮溫分布。

分析兩段平飛區(qū)域可知，由北向南平飛過(guò)程中，亮溫逐漸減小，而由南向北平飛過(guò)程中，亮溫逐漸增大，其南側(cè)區(qū)域較北側(cè)區(qū)域亮溫偏低，最大差值超過(guò)2.0 K，這說(shuō)明大氣狀態(tài)在南北之間存在較為明顯的變化；此外，在往復(fù)飛行的相同位置，各通道觀測(cè)亮溫均存在0.5～1.0 K的差值，由于單程飛行時(shí)間約為10分鐘，因此在較短時(shí)間內(nèi)不同平飛階段亮溫存在一定的變化。其他高度層觀測(cè)亮溫特點(diǎn)與3 200 m高度層類似。

由于探空廓線每半小時(shí)獲得一條，而觀測(cè)亮溫隨時(shí)間、空間以及飛行姿態(tài)存在明顯的變化，因此在進(jìn)行大氣溫度廓線反演時(shí)，需要對(duì)觀測(cè)亮溫進(jìn)行一定的質(zhì)量控制。選取平飛階段靠近南側(cè)的60條掃描線（占該平飛階段數(shù)據(jù)量的1/3～1/2）作為反演過(guò)程所用數(shù)據(jù)，其中南側(cè)50條掃描線用于溫度廓線反演，其余10條掃描線用于建立訂正算式。

圖1 3 200 m高度層第5通道觀測(cè)亮溫

圖2 3 200 m高度層機(jī)載平臺(tái)的飛行軌跡

表2 不同時(shí)次對(duì)應(yīng)的探空數(shù)據(jù)

3 正演模型和地表比輻射率

3.1 正演模型

首先，采用歐洲中期預(yù)報(bào)中心專用廓線集—diverse_52profiles_101L.dat和參考廓線，針對(duì)機(jī)載微波探測(cè)通道的中心頻率、帶寬，將氣壓、溫度和水汽值代入Liebe的MPM逐線積分模式，得到各通道的吸收系數(shù)k。對(duì)特定的吸收系數(shù)進(jìn)行高度積分并離散化，由靜力方程dp=ρgdz和理想氣體狀態(tài)方程pM=ρRT可得dz=RTd(lnp)/(gM)，考慮天頂角θ的變化，則各大氣薄層光學(xué)厚度τ為，

式中，k(z)為薄層的吸收系數(shù)；p1和p2為薄層的上下邊界氣壓值；R為干空氣氣體常數(shù)；T為溫度；θ為天頂角；g為重力加速度；M為干空氣平均摩爾質(zhì)量。

其次，將專用廓線集中氣壓、溫度、水汽值代入RTTOV預(yù)報(bào)因子中，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的預(yù)報(bào)因子X(jué)ki；根據(jù)各薄層的光學(xué)厚度和預(yù)報(bào)因子進(jìn)行多元線性回歸，采用含有k個(gè)自變量的多元線性回歸模型：

式中，τi為計(jì)算所得的光學(xué)厚度，βk為所求的快速計(jì)算系數(shù)，Xki為計(jì)算所得的預(yù)報(bào)因子，i為專用廓線集第i條廓線。

由最小二乘法可求得參數(shù) β1，β2，……，βk的估計(jì)量β?1，β?2，……，β?k即為所求得的快速計(jì)算系數(shù)。

再次，對(duì)于機(jī)載平臺(tái)而言，大氣向下的輻射需考慮整層大氣，大氣向上的輻射、經(jīng)海（地）表反射的大氣輻射以及海（地）表的輻射只需考慮機(jī)載平臺(tái)以下的部分大氣，因此機(jī)載微波輻射計(jì)的輻射傳輸方程為，

式中Ip(v*,θ)為晴空條件下到達(dá)機(jī)載平臺(tái)的輻射，B(v*,Ts)為在溫度為T(mén)s時(shí)海表或地表的平均Planck函數(shù)，B（v*，T（p））為在溫度為 T 時(shí)氣壓層 p 的平均Planck函數(shù)，pp為機(jī)載平臺(tái)高度處的氣壓值，ps為海表或地表的氣壓值，P∞為大氣層上邊界，εv為波數(shù)v*的地表比輻射率，v*為通道中心波數(shù)，τp為從氣壓層p到機(jī)載平臺(tái)的透射率，τs為從氣壓層p到海表或地表的透射率，θ為天頂角。

采用飛機(jī)高度處氣壓值判斷飛機(jī)所在氣壓層，重構(gòu)海（地）表到飛機(jī)層的透過(guò)率，海（地）表到飛機(jī)層的透過(guò)率τp公式為，

式中τ為大氣透過(guò)率，τplane為飛機(jī)所在薄層下邊界到大氣層頂?shù)耐高^(guò)率，τplane+1為飛機(jī)所在薄層的上一薄層下邊界到大氣層頂?shù)耐高^(guò)率，pp為飛機(jī)高度處氣壓值，pplane為飛機(jī)所在薄層下邊界處氣壓值，pplane+1為飛機(jī)所在薄層上邊界處氣壓值。

最后，基于RTTOV快速輻射傳輸模式，將得到的快速計(jì)算系數(shù)βk、和海（地）表到飛機(jī)層的透過(guò)率τp輸入RTTOV快速輻射傳輸模式得到模擬亮溫。

3.2 地表比輻射率

對(duì)于機(jī)載微波輻射計(jì)在陸地上空的觀測(cè)資料，其反演應(yīng)用受到了很大限制，其原因主要是因?yàn)殛懙氐乇肀容椛渎孰y以準(zhǔn)確獲得[37]。本次試驗(yàn)通過(guò)探空氣球獲得大氣溫濕度廓線，地表溫度采用近地表大氣溫度。本文地表比輻射率采用公式（5）計(jì)算所得。

地表比輻射率的公式為

式中εv為波數(shù)v的地表比輻射率，Ip（v*，θ）為到達(dá)機(jī)載平臺(tái)的輻射，B(v*,Ts)為在溫度為T(mén)s時(shí)海表或地表的平均 Planck 函數(shù)，B（v*，T（p））為在溫度為T(mén)時(shí)氣壓層p的平均Planck函數(shù)，pp為機(jī)載平臺(tái)高度處的氣壓值，ps為海表或地表的氣壓值，P∞為大氣層邊界，v*為通道中心波數(shù)，τp為從氣壓層p到機(jī)載平臺(tái)的透射率，τs為從氣壓層p到海表或地表的透射率，θ為天頂角。

為了減小大氣和云對(duì)地表比輻射率計(jì)算的影響，只計(jì)算2 500 m高度層的地表比輻射率。表3為2 500 m高度層計(jì)算所得的地表敏感通道地表比輻射率。2 500 m高度層前三通道地表比輻射率一致性較好，兩者之間的差異分別為0.001 6、0.002 9和0.004 5。后文中采用上述地表比輻射率作為正演和反演過(guò)程的輸入量。

表3 2 500 m高度層不同通道計(jì)算所得的地表比輻射率

4 正演和反演結(jié)果

4.1 觀測(cè)亮溫正演結(jié)果

圖3～圖5分別為3 200 m、4 200 m和2 500 m高度層模擬亮溫和觀測(cè)亮溫的偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，圖a為建立訂正算式的10條掃描線計(jì)算得到的偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，圖b為利用圖a建立的訂正算式對(duì)50條掃描線進(jìn)行訂正后計(jì)算得到的偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差。由圖3～圖5中圖a可以看出，在各高度上，受地表影響顯著的1～3通道偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差較大；4～8通道偏差較小，其標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.6 K，低于1.5 K的儀器定標(biāo)精度；由圖3～圖5中圖b可知，采用圖a中建立的訂正算式訂正后，其偏差均小于0.5 K。對(duì)比不同高度層偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差可知，快速輻射傳輸模型模擬結(jié)果誤差最小的是2 500 m高度層，其次為4 200 m高度層，最大的是3 200 m高度層，分析其可能的原因是3 200 m高度層機(jī)載平臺(tái)穿云飛行時(shí)云中水滴附著在探測(cè)儀天線反射面上形成水膜，從而影響觀測(cè)亮溫，而4 200 m高度層和2 500 m高度層分別位于云層上部和下部，受水膜的影響相對(duì)較小。

圖3 3 200 m高度層偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差

圖4 4 200 m高度層偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差

圖5 2 500 m高度層偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差

4.2 大氣溫度廓線反演結(jié)果

NAST-M反演結(jié)果[10]顯示，多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演結(jié)果在各層均比線性最小二乘法反演結(jié)果要好；姚志剛等[14]的研究表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演大氣參數(shù)廓線的結(jié)果與傳統(tǒng)的物理迭代反演算法的結(jié)果相當(dāng)，因此本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)觀測(cè)亮溫進(jìn)行溫度廓線反演。這里采用歐洲中期預(yù)報(bào)中心模擬廓線數(shù)據(jù)庫(kù)60L-SD作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和驗(yàn)證廓線庫(kù)。60L-SD數(shù)據(jù)庫(kù)共有13 495條廓線資料，共將大氣分為60層，廓線資料包含溫度、水汽和臭氧及地面高度等信息。廓線庫(kù)全球樣本分布較均勻，海面、陸面資料均具有較好的全球代表性。選取其中5 000條廓線訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，1 813條廓線作為反演效果驗(yàn)證廓線。

本文采用3層前饋BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反演，設(shè)置隱節(jié)點(diǎn)數(shù)使用高大啟[38]擬合分析后得到的公式:

其中h為隱節(jié)點(diǎn)數(shù)，n為輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)，m為輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)。

采用文中建立的正演模型，按照不同觀測(cè)角度、不同飛行高度以及不同地面高度計(jì)算亮溫并與對(duì)應(yīng)的大氣廓線進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，然后將觀測(cè)亮溫、地表高度和飛行高度帶入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中反演亮溫，從而使建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有依據(jù)不同觀測(cè)角度、不同飛行高度以及不同地面高度進(jìn)行反演大氣溫度廓線的能力。建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要包含以下幾個(gè)步驟：首先將所選廓線帶入正演模型，分別以天頂角從0～50°每間隔10°取值，觀測(cè)高度從500～800 hPa每間隔10 hPa取值，計(jì)算不同條件下各通道亮溫；其次，在模擬亮溫中加入高斯隨機(jī)噪聲來(lái)模擬各通道噪聲，統(tǒng)一將通道噪聲設(shè)置為均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為0.5 K的高斯噪聲；再次，采用公式（6）計(jì)算隱節(jié)點(diǎn)數(shù)，對(duì)不同天頂角和高度分別訓(xùn)練和驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖6為610.6 hPa高度處不同天頂角反演誤差圖，不同天頂角反演偏差均小于0.1 K，均方根誤差在900 hPa達(dá)到最大，最大值為1.6 K，650 hPa最小，最小值為0.5 K，其近地表層均方根誤差相對(duì)較大，高層均方根誤差相對(duì)較小。

圖6 不同角度對(duì)反演溫度的影響 橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為氣壓。

以4.1節(jié)中不同高度建立的訂正算式對(duì)反演所用的50條掃描線對(duì)應(yīng)的觀測(cè)亮溫進(jìn)行訂正，利用建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大氣溫度廓線反演。圖7～圖9分別為不同高度溫度廓線反演的偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，各高度層溫度偏差最大值均小于0.5 K。4 200 m高度層采用2～8通道反演大氣溫度廓線效果最好，除近地層外的其他各層均方根誤差均小于1.5 K，整體小于1.0 K；3 200 m高度層使用3～8通道反演大氣溫度廓線效果最好，近地層均方根誤差為1.3 K，其余各層均小于1.0 K；2 500 m高度層使用3～8通道反演大氣溫度廓線效果最好，各層均方根誤差均小于1.0 K。

進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，各高度層反演的大氣溫度廓線在高層與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最吻合，其偏差為0.2 K，均方根誤差為0.6 K。低層均方根誤差相對(duì)較大，其原因一方面是由于包含大氣底層信息的1～3通道的亮溫標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)較大；另一方面是由于反演模型的誤差，由圖6可知，建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于高層反演結(jié)果較好，而低層反演結(jié)果較差。此外，當(dāng)采用全通道或只采用高層通道反演大氣溫度時(shí)，低層反演結(jié)果均變差，這主要是由于采用全通道反演大氣溫度廓線時(shí)，1～3通道觀測(cè)亮溫的誤差相對(duì)較大，從而對(duì)反演結(jié)果具有較大的影響；而不采用近地表通道進(jìn)行大氣溫度廓線反演會(huì)使得大氣底層信息缺失，從而影響大氣低層溫度場(chǎng)反演。

圖7 觀測(cè)亮溫訂正后4 200 m高度層不同通道數(shù)對(duì)反演溫度的影響 橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為氣壓。

圖8 觀測(cè)亮溫訂正后3 200 m高度層不同通道數(shù)對(duì)反演溫度的影響 橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為氣壓。

圖9 觀測(cè)亮溫訂正后2 500 m高度層不同通道數(shù)對(duì)反演溫度的影響 橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為氣壓。

表4為各高度層不同通道數(shù)反演所得的均方根誤差整層平均值。由表可見(jiàn)，4 200 m、3 200 m和2 500 m高度對(duì)應(yīng)最優(yōu)反演結(jié)果分別為0.90 K、0.86 K和0.73 K，對(duì)應(yīng)的通道數(shù)分別為7、6和6。由此可見(jiàn)，隨著機(jī)載平臺(tái)高度降低有利于溫度反演誤差減小，且最優(yōu)反演通道數(shù)也相應(yīng)減少。此外，各高度層最優(yōu)通道反演所得的均方根誤差整層平均值均小于1 K，這說(shuō)明機(jī)載微波溫度探測(cè)儀觀測(cè)可以反演得到較高精度的大氣溫度廓線，這與譚泉等[16]針對(duì)不同高度的模擬反演結(jié)果相一致。美國(guó)MIT研制的機(jī)載微波大氣溫度探測(cè)器NAST-M飛行高度為20 km，大氣溫度反演誤差在 100～800 hPa高度區(qū)間為 1.5～2.0 K，在 800～1 000 hPa高度區(qū)間為2～3 K[10]。因此，盡管相對(duì)較低的飛行高度限制了大氣廓線的垂直探測(cè)范圍，但可以進(jìn)一步提高近地層大氣溫度的反演精度。

表4 大氣溫度反演均方根誤差（K）整層平均值

4.3 誤差原因分析

本文反演得到的反演誤差的可能原因：（1）正演模式計(jì)算誤差以及微波儀器觀測(cè)誤差；（2）地表比輻射率非均勻性的影響；（3）探空數(shù)據(jù)的探測(cè)誤差；（4）反演算法誤差；（5）數(shù)據(jù)處理時(shí)的時(shí)空匹配誤差等。

5 結(jié)論與討論

本文采用機(jī)載微波溫度探測(cè)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)和探空數(shù)據(jù)，結(jié)合快速輻射傳輸模式及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演算法，開(kāi)展了利用機(jī)載微波溫度探測(cè)儀反演大氣溫度廓線的研究。

（1）利用較低飛行高度計(jì)算的地表敏感通道地表比輻射率之間具有較好的一致性，這一結(jié)果可以為后續(xù)近地面大氣溫度廓線反演算法的改進(jìn)提供參考。

（2）針對(duì)不同高度觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析表明，亮溫訂正后的模擬亮溫與觀測(cè)亮溫具有較好的一致性，訂正后不同飛行高度各通道偏差均小于0.5 K，除受地表影響顯著1、2通道，第3通道標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1.5 K，4～8通道標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.6 K。

（3）由于本文探測(cè)區(qū)域的地面溫度和地表比輻射率可以合理獲得，因此可以使用機(jī)載微波大氣溫度探測(cè)儀觀測(cè)亮溫反演大氣溫度廓線。對(duì)于機(jī)載微波溫度探測(cè)儀觀測(cè)亮溫反演大氣溫度，4 200 m、3 200 m和2 500 m高度層，最優(yōu)通道組合分別為第2～8通道、第3～8通道和第3～8通道，反演均方根誤差范圍分別為0.5～1.8 K、0.5～1.3 K和0.4～1.0 K；此外，降低飛機(jī)平臺(tái)的高度可以改進(jìn)近地表大氣溫度的反演結(jié)果。

與以往國(guó)內(nèi)外星載或機(jī)載微波大氣探測(cè)系統(tǒng)比較，該系統(tǒng)可以提供更高水平分辨率的大氣溫度廓線探測(cè)，可用于分析衛(wèi)星無(wú)法識(shí)別的小尺度天氣現(xiàn)象。需要注意的是，本研究針對(duì)云中水滴對(duì)探測(cè)儀天線反射面的影響缺乏必要的試驗(yàn)對(duì)比。下一步工作中，將對(duì)不同速度、不同飛行姿態(tài)水膜對(duì)微波觀測(cè)亮溫的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期進(jìn)一步減小反演結(jié)果誤差。