微波遥感可以穿透云顶直接探测对流云内的冰态粒子分布,受冰晶粒子的强烈散射衰减作用,AMSU-B的3个微波水汽吸收波段亮温随冰粒子的增加而降低。由于探测权重高度不同,辐射传输过程中受冰粒子的散射影响也不尽相同,3个水汽通道之间存在亮温差异,这种差异与对流云的强弱密切相关。
利用微波向量辐射传输模式(VDISORT)模拟了云雨粒子对微波水汽通道观测的影响,并利用2005年8月12日华北地区的对流天气过程,分析了AMSU-B通道亮温与对流强弱变化之间的对应关系。在此基础上,建立了一种利用NOAA卫星AMSU-B水汽通道亮温差定量判识深对流云和冲顶对流云的方法。利用该方法对典型对流降水云团进行判识,结果显示,微波识别的对流云区可以较好地表征强降水的分布,其中的冲顶对流区与可见光云系的上冲云顶结构有着很好的对应。
Microwave remote sensing has a unique ability to penetrate the clouds and get the distribution of ice. The brightness temperatures of the AMSU-B three channels near to the water vapor absorption line have high sensitivity to frozen hydrometeors in convective cloud systems. As the ice contents ascend, the brightness temperatures descend due to the ice scattering attenuation. Especially, the brightness temperature differences between the three channels are suggested as a criterion to detect the deep convective clouds.
Based on the simulation of the influence of the water vapor, cloud and precipitation particles on the three microwave brightness temperatures, and by analyzing the convective synoptic process occurred on 12 August 2005. the relationship between the brightness temperatures and the convective intensity is studied. Furthermore, a measurable method is developed to estimate and identify the deep convective clouds and convective overshooting. This method is employed to investigate some typical convective systems. The results show that the convective cloud identified by AMSU-B data well corresponds to the precipitation area, and even the convective overshooting region corresponds to the overshooting clouds structure.
暴雨和强对流天气系统是造成中国大陆气象灾害的重要组成部分。对它们的监测也是当前卫星监测的重点。研究表明,对流云云顶高度超过10km,被称为深对流,如果云顶高度超过14 km,被称为上冲云顶。深对流云占热带辐合带云总量的40%~45%,它们将热量和水汽从对流层低层输送到上层,在全球气候系统中扮演着主要角色。热带对流层顶(距地面大约14~18 km高度)是对流层和平流层之间的重要传输层,其中的深对流云是大气成分交换的主要影响因子,并进而影响到对流层顶和平流层的物理和化学过程。深对流同时又是剧烈降水产生的重要载体,深对流区往往对应着剧烈的雷雨大风和冰雹。
监测对流云首先要确定它的位置和发展高度,由于对流往往最初发生在海洋和山区等测站稀少地区,包括可见光、红外、微波、主动雷达在内的多种卫星资料成为深对流研究的主要手段。目前,红外资料探测深对流主要采用云顶亮温阈值法,如刘峰等利用FY2C红外云顶亮温资料阈值分析了华南典型的MCC演变过程[
通过对Nimbus-7卫星SMMR (Scanning Multichannel Microwave Radiometer)的辐射观测信息分析,Spencer等发现产生降水的云的微波亮温较其它云为低,且每一个极低亮温个例都与大暴雨相联系。大降水常常与大量的冰粒子有关,冰粒子散射了冰下雨滴发出的微波辐射,因此空中所测量的微波亮温随降雨率成比例降低。根据这个事实,Spencer等利用SMMR数据测量陆地降水率,最大可到90mm·h-1[
为了更好地理解微波辐射与大气属性(包括云结构和雨强)的关系,根据地基雷达测得的水汽廓线,Yeh等利用微波辐射传输模式模拟了不同频率(18~183GHz)向上辐射亮温。模拟结果显示,冰水的混合属性,包括相态、形态和尺度分布对高低频亮温的变化都非常重要,在92和181GHz波段的向上辐射亮温对风暴上部的云结构非常敏感[
本文利用微波向量辐射传输模式(VDISORT)模拟了云雨粒子对微波水汽通道观测的影响,并利用2005年8月12日华北地区的对流天气过程,分析了AMSU-B通道亮温与对流强弱变化之间的对应关系。在此基础上,建立了一种利用NOAA卫星AMSU-B水汽通道亮温差定量判识深对流云和冲顶对流云的方法, 并利用可见光云图和降水资料对判识结果进行了检验。
先进的微波探测器(AMSU)是搭载在新一代NOAA极轨气象卫星上的仪器,第一台AMSU仪器于1998年5月13日随NOAA-15卫星发射升空。AMSU包括两部分:AMSU-A主要用于探测大气温度分布,并可获得整层大气中各种形式的水的信息,由15个通道组成;AMSU-B主要用于大气湿度分布,有5个通道。
AMSU-B光谱特征
通道序号 | 中心频率/GHz | 主要吸收成分 | 主要探测目的 | 权重函数的峰值高度 | 等效噪声/K | 极化特性* |
1 | 89.0 | H2O | 地表特征、可降水等 | 地表 | V | |
2 | 150.0 | H2O | 地表特征、可降水等 | 地表 | 0.68 | V |
3 | 183.31±1.0 | H2O | 大气水汽 | 400hPa | 0.57 | |
4 | 183.31±3.0 | H2O | 大气水汽 | 600hPa | 0.35 | |
5 | 183.31±7.0 | H2O | 大气水汽 | 850hPa | 0.30 | V |
AMSU-B通道的权重函数[
对流云是由不同种类的液态粒子构成的,这些粒子包括云冰、云液态水、雨水、雪和霰等,不同的粒子对AMSU-B的观测有着不同的影响。大气中的水汽、氧气以及液态云滴对于微波辐射表现为吸收作用,在局地热平衡状态下大气的发射辐射使AMSU观测亮温增加,大于0.5mm的雨滴的散射作用在10~300GHz频段超过了吸收作用,使观测的亮温降低;冰晶粒子在微波各个频段的散射作用超过吸收作用,使卫星观测辐射减少。为了更好地了解云雨粒子对AMSU观测特别是水汽通道观测的影响,本文用Weng[
雨水(a)、云水(b)、冰晶(c)粒子对于AMSU水汽通道观测的影响模拟
云冰通常指的是大气上层水汽含量较低时形成的卷云,因为冰晶吸收较弱,以散射作用为主,云冰粒子尺度较小,对于AMSU探测微波辐射频段,云冰几乎完全透明,这里不作分析。
雪团和霰粒子是指降水云中的冰态粒子,特别是在对流过程中,剧烈的上升运动使云顶高度更高,生成的冰态粒子数量更多,尺度更大。对于强对流过程,伴随着上升运动生成大量的雪团及霰粒子。由于这两种粒子尺度较大,对于地表及大气的微波辐射具有较强的散射作用,使观测亮温明显降低。
综上所述,对于AMSU探测水汽吸收频段的微波辐射,云水及雨水主要表现为吸收作用,使权重高度较低的水汽吸收通道亮温降低;云冰由于粒子尺度小,对微波辐射几乎没有影响;雪团和霰粒子表现为散射作用,使卫星观测的亮温降低。
对流系统发展旺盛时,上升运动很强,将海面及低层大气中的水汽输送到对流层中上部,经过凝结及冻结过程,形成冰粒子,上升愈强,冰粒子含量愈高。深厚的对流结构必然伴随着浓度较高的冰粒子。AMSU-B各通道的微波辐射受云雨大气影响明显,特别是183.3GHz附近的微波水汽通道,冰粒子的散射作用要强于云中液态水对微波辐射的吸收作用,这些通道对冰水含量的变化比液态水更为敏感[
微波湿度计的183.3GHz频点处3个通道权函数峰值高度位置不同,其中183.3±7GHz通道特征层高度最低,183.3±1GHz通道特征层高度最高,对深对流而言,183.3±7GHz通道能穿透对流云上部的冰晶层,到达其下部的液态水成物区域;而183.3±1GHz通道只能探测到对流层上部的冰晶层。各通道对冰物质不同的敏感性,为利用多通道组合反演对流云带来可能。
为了解深对流云对AMSU-B微波亮温的影响,本文选择2005年8月12日06:14(GMT)的卫星资料进行分析(
2005年8月12日06:14NOAA-16云图
2005年8月12日06:14 AMSU-B水汽单通道亮温与通道亮温差的散点图
为了更好地了解亮温变化,选取穿过对流云区的一条扫描线资料进行微波亮温分析(
NOAA-16 AMSU-B探测器5通道亮温分布图
进一步分析通道亮温的变化发现,在进入对流云区后,3个水汽通道的亮温分布出现了更为明显的变化(
NOAA-16 AMSU-B探测器水汽通道亮温分布图
进入云区后,3个通道的水汽亮温都出现了下降,下降幅度由183.3±1至183.3±7逐渐增大, 但仍保持
微波对流识别结果与云图叠加图
因此,我们可以得到对流云的微波亮温判据:
对流云:
Δ
对流上冲云顶:
Δ
前文所讨论的微波对流判定方法是假设观测发生在星下点的位置。在实际观测中,微波仪器会进行大范围的扫描,AMSU-B的扫描角度范围大约在±48.95°之间,因此,在深对流判定中,还需要考虑卫星扫描角的影响,通过VDISORT辐射传输模式,可以模拟出不同扫描角情况下的亮温差异,根据模拟结果,我们可以建立卫星扫描角与亮温之间的统计关系,进而获得不同扫描角下的深对流判据。
根据上述研究结果,得到如下微波对流云判识算法:
其中
由于缺乏常规观测,只能采用间接判据来验证对流云判识结果。这里使用的判据包括与卫星同时次的AVHRR云图和24小时资料。
强降水往往由对流系统所引起,强对流系统的发展往往会造成较强降雨,本文选取了6月19日和8月12日3次降雨过程分析微波识别的对流区与降水的匹配情况,通过将深对流识别结果叠加到24小时降水量等值面图(
微波对流识别结果与雨量叠加图
对流的识别是卫星应用的重点,常用的红外通道阈值法可以给出对流的强度信息,但阈值的选取受很多因素影响,很难十分精确,且红外通道仅能提供云顶信息,而密卷云和积云的云顶亮温有时很难区分,仅用红外通道,可能会出现误判。微波通道具有穿透云的独特能力,可以探测到对流云的一些内部特征,定量识别深对流云和冲顶对流云,反映的对流信息也最为精确。
本文建立了一种利用NOAA卫星AMSU-B水汽通道亮温差定量判识深对流云和冲顶对流云的方法。本文方法对典型对流降水云团的判识结果显示,微波识别的对流云区可以较好的表征强降水的分布,其中的冲顶对流区与可见光云系的上冲云顶结构有着很好的对应。
虽然目前只有极轨卫星可以进行微波探测,探测时效和空间分辨率也较红外通道为低,但微波的对流探测可以作用静止卫星对流探测的重要验证和补充,利用相近时次的探测结果可以有效修正红外对流判识结果。我国第二代静止气象卫星(风云4号)将会搭载微波探测仪器,微波对流的监测能力将会得到进一步增强。
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