下垫面和云参数对微波湿度计亮温模拟的影响试验

周俊浩孙学金顾成明刘吉军彭洋

（1. 解放军理工大学 气象海洋学院，江苏 南京 211101；

2. 解放军92853部队，辽宁 葫芦岛 125000；3. 解放军95455部队气象台，贵州 遵义 563000）

下垫面和云参数对微波湿度计亮温模拟的影响试验

周俊浩1孙学金1顾成明1刘吉军2彭洋3

（1. 解放军理工大学 气象海洋学院，江苏 南京 211101；

2. 解放军92853部队，辽宁 葫芦岛 125000；3. 解放军95455部队气象台，贵州 遵义 563000）

正演算子的建立是资料同化系统中关键步骤之一，对于卫星资料同化而言，其正演算子由快速辐射传输模式提供。本文以MHS卫星资料为研究对象，选取CRTM快速辐射传输模式作为正演算子来研究各参数对于MHS各通道亮温计算的影响，为MHS卫星资料的同化与改进打下基础。结果表明：1）晴空状态下，地面和近地面通道亮温值受下垫面的性质影响比较明显，高度较高的通道对于下垫面性质的变化不敏感；2）受冰云和雹云影响的通道亮温小于受其他类型云影响的亮温值；3）存在低云时各通道亮温值最大，存在中云时次之，存在高云时最小。当多个高度有云存在时，影响亮温的总是较高层云；4）控制低云云底高度不变，加厚云层，通道1，2，4，5的亮温偏差不会改变。

CRTM；MHS；云类型；云厚度；亮温

气象卫星遥感资料的同化应用极大促进了数值预报的发展和预报准确率的提高，至今先进国家数值预报系统所使用卫星观测数据已成为所用资料的主体，且这些卫星资料对预报效果的贡献超过了常规探空与地面气象观测。微波垂直探测由于具有部分穿透云层的特性，对数值预报效果改善的贡献位居全部观测的首位，一直以来微波遥感探测的发展和应用都是大气科学的重点。

本文运用NOAA-19搭载的MHS仪器参数，利用CRTM快速辐射传输模式正演计算其通道亮温值。通过改变CRTM模式中的各类参数信息，包括下垫面海陆所占比例、下垫面温度、云类型、云高、云厚度等，来研究亮温对这些参数的敏感性，为进一步对MHS资料进行同化打下基础。

1 资料、原理与模式介绍

1.1 MHS资料介绍

微波湿度计MHS（Microwave Humidity Sounder）是一种自校准的微波辐射仪，最早搭载于NOAA-18卫星，用于替代AMSU-B传感器，以±49.4°的角度扫描地表。目前，MHS与AMSU-A是搭载于NOAA系列气象卫星上的业务用微波探测仪。MHS型微波探测器由5个通道组成，主要吸收成分为水汽，用于探测大气高分辨率的湿度廓线以及地表特征信息，MHS中3-5通道的中心频率相对较高，分布在水汽吸收线185GHz附近，峰值能量贡献高度主要在大气中下层，157与183GHz处的两个通道主要用来获取大气的湿度廓线；89GHz处的通道主要提供地表的温度和比辐射率信息，并且分辨受云和降水污染的像元。 MHS属于垂直扫描仪器，完成每条扫描线的时间约2.67s，每条扫描线上的观测视场为90个，视场宽度为1.1°，星下点的扫描角是0°，轨道宽度为2250km，星下点的视场大小在15km左右。表1介绍了MHS光谱通道特征及其主要探测目的。

图1是利用CRTM得出的MHS 5个通道的权重函数垂直分布图，各通道峰值能量高度与表1中介绍的是相对应的。卫星测得的某波长大气辐射是整层大气在该波长的辐射总量，然而，每层大气对辐射总量的贡献是不同的。对于不同波长的辐射，贡献最大的大气层高度不同。哪个高度的大气层对辐射贡献最大由权重函数决定，权重函数最大的高度也就是对总辐射贡献最大的大气层高度，即所谓的有效辐射层。卫星垂直探测的基本原理就是通过改变仪器接收到的频率来改变波长，从而探测不同高度的气象要素。

图1 MHS权重函数

1.2 原理介绍

在平面平行无云大气中及卫星天顶角θ（观测角）不大于75°时，到达卫星天线处的微波视亮温TB（θ）来自4项贡献，即整层大气向上的辐射TUP、地表向上辐射TBS、大气向下被海（地）表反射再经大气衰减后的辐射TDN和宇宙空间进入大气经地表反射再经大气衰减的向上辐射TEXT。

根据辐射传输方程的解，在低频段（f＜100GHz）各项贡献的具体表达式为：

表1 MHS光谱通道特征及其主要探测目的

其中：ka（z）是高度z处大气吸收系数，Ta（ z）是高度z处的大气物理温度；ε（ θ，p）是海（地）表比辐射率，P表示极化方式（水平或垂直）；TSN是海表或地表的物理温度；τ是整层大气的光学厚度；［1-ε（ θ，p）］是海（地）表反射率；Tcos是宇宙微波背景辐射2.7K，经1次海（地）表反射和2次大气透射得到一个可以忽略的小量TEXT，故这里对此项不予考虑。

由以上分析可得天基被动微波遥感方程为

其中大气辐射源项为

权重函数定义为

2 晴空状态下垫面对亮温计算的影响

在CRTM的参数设定中，与下垫面相关的参数主要包括海陆分布比例、海（地）表温度、海（地）表类型。为讨论这些下垫面因素对亮温计算值的影响，在晴空状态下进行了亮温计算对海陆分布和陆地温度的敏感性试验。

2.1 海陆分布比例对亮温计算的影响

图2 海陆分布比例不同时的各通道亮温

改变模式下垫面中海面和陆地所占比例，各通道的亮温变化如图2所示。随着海面所占比例的减小和陆地所占比例的增加，通道1和2亮温出现递增现象，通道3和4的亮温则几乎没有改变，通道5的亮温有微小的增加。这是由于通道1和2是地面通道，通道5是近地面通道，这3个通道受地表性质的变化比较明显，而通道3和4的高度相对较高，受地表性质影响较小。通道1和2亮温之所以随海面所占比例的减小和陆地所占比例的增加而递增则是由于海（地）表比辐射率ε （θ，p）的不同造成的，海面是暗背景，其比辐射率小于陆地。在微波波段影响介质介电常数的主要因素是下垫面介质中的含水量，当介质从纯水变化为理想的干物质时，介电常数虚部会由80变化到5，而地表微波比辐射率的变化范围会从0.5到0.95［15］。海表比例增加，陆面比例递减意味着下垫面总的比辐射率减小，根据（3）、（4）式，TBS减小而TDN增大，但由于同地表辐射TBS相比，反射辐射TDN是一个较小的量，因此最终的亮温TB（θ）是减小的。

2.2 陆地温度对亮温计算的影响

控制其他参数不变，改变全陆面覆盖时的陆地温度，各通道亮温变化如图3所示。地面通道1和2，近地面通道5的亮温随着陆面温度的升高而升高，高度相对较高的通道3和4的亮温则不受陆地温度变化的影响，这种变化都是由通道所处高度决定的。而地面和近地面通道亮温随陆面温度升高而升高则是由于受陆面温度TSN变化的影响，从（3）式可见，随着TSN的增大，TBS上升，最终使得通道亮温随地表温度增加而增加。

图3 陆地温度不同时的各通道亮温

3 结论

3.1 晴空状态下，地面和近地面通道亮温值受下垫面的性质影响比较明显，主要体现在1、2、5通道亮温随陆面温度的升高而升高，并且随着海面所占比例的减小，陆地所占比例的增加，这些通道的亮温值也是增加的。高度较高的3、4通道亮温对于下垫面性质的变化不敏感。

3.2 以低云为例，改变云类型时，受固态粒子性质的云影响的亮温值普遍较低，且均与无云状态下的亮温值比较接近，受液态属性云影响下的亮温值较高。

3.3 不同高度存在云时，各通道亮温都是在存在低云时最大，存在中云时次之，存在高云时最小。并且当多个高度有云存在时，影响亮温的总是较高层云，较低层云对亮温值不产生影响。

3.4 控制低云云底高度不变，加厚云层发现，通道1，2，4，5的亮温偏差不会改变。

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P 458； E915

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1003-5168（2015）11-081-02