2012, 23 (2): 223-230
2. 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室 国家卫星气象中心，北京 100081;
3. 世界气象组织综合观测与信息系统司，瑞士日内瓦 C.P.2300
2. Key Lab of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites, National Satellite Meteorological Center, CMA, Beijing 100081;
3. Observing and Information Systems Department, World Meteorological Organization, Geneva, Switzerland C.P. 2300
大范围降水的定量测量，对于数值预报的同化应用[1]及气候变化研究[2]均有重要意义。可见光与红外技术间接反映云的特性参数，而微波能够在一定程度上穿透云体直接反映云体内部的降水信息[3]，近年来星载被动微波探测技术受到重视并得到迅速发展。最初微波反演降水时多采用窗区通道[4-5]，如成像的微波辐射计SSM/I设置了19.4，37.0 GHz和85.5 GHz，TMI增加了10.65 GHz，AMSR又增加了6.9 GHz，星载降水遥感技术得到发展。尽管一般意义上，微波探测载荷的最初应用目的不是为了反演降水，但是近年来一些学者对探测通道反演降水的能力进行了初步研究。
Staelin等[6]利用AMSU的183.31±1 GHz和183.31±7 GHz通道用一个简单的神经网络方法反演降水；Staelin等[7]依然用神经网络方法反演降水，但除了AMSU的183.31±1 GHz和183.31±7 GHz通道外，还应用了54 GHz附近的通道；Gasiewski等[8]用数值模拟方法研究了50 GHz和118.75 GHz通道对降水的响应；Schwartz等[9]利用珊瑚海的飞机观测数据，用微波成像仪的118.75 GHz通道研究台风；Bauer等[10]利用NPOESS (National Polar-Orbiting Operational Environmental Satellite System) 的机载微波探测仪 (NAST-M) 观测数据，首次用50 GHz和118.75 GHz探测通道进行了定量降水反演试验；Bauer等[11]的研究结果表明：相对于窗区通道而言，探测通道的反演结果更稳定、更精确、偏差更小；Pinori等[12]研究了温度探测通道 (54，118 GHz和425 GHz) 和湿度探测通道 (183 GHz和340/380 GHz) 反演降水的能力。这些学者的研究表明，探测通道对降水粒子也很敏感，可以用于反演降水。
风云三号 (FY-3) 卫星是我国第2代极轨气象卫星，用于大气探测的微波有效载荷包括微波湿度计和微波温度计。其中风云三号 (02) 批卫星上将装载的微波湿度计Ⅱ，是在保留风云三号 (01) 批卫星微波湿度计150 GHz和183 GHz两个探测频点的基础上，又增加了89 GHz和118.75 GHz两个探测频点，其中118.75 GHz将是国际上大气业务探测首次使用的氧气吸收线温度探测频点，与183 GHz水汽探测频点结合将提高大气湿度层结的探测能力；同时与工作频点在50~60 GHz的微波温度计结合，也将近一步提升大气温度层结的探测能力。本文将对风云三号 (02) 批卫星上微波探测器50~60 GHz和118.75 GHz两个频点的降水特性进行初步研究，为未来新型微波探测资料业务降水反演算法的建立奠定基础。
1 模式、数据及反演方法介绍 1.1 微波辐射传输模式介绍本工作所用的微波辐射传输模式是Weng等[13]利用离散纵标方法开发的向量形式的辐射传输计算模式，简称VDISORT (Vector DIScrete Ordinate Transfer)，算法可以模拟在稀疏介质 (例如云、雨) 中存在多次散射效应的极化微波辐射传输过程。VDISORT模型中对大气中氧气、水汽吸收特性的描述与Liebe等[14]提出的模式相同。模型既适用于吸收无散射晴空大气的微波辐射传输模拟分析，同时也适用于散射介质云雨条件下的大气微波辐射传输模拟分析，是理论分析大气及地表微波辐射影响的有利工具[15]。
1.2 基础数据集介绍本文采用美国威斯康星大学的非流体静力学中尺度模式系统 (University of Wisconsin-Non-hydrostatic Model System) 简称UWNMS[16]模拟的Katrina飓风结果作为基础数据集，输入微波辐射传输模式，计算上行的微波辐射亮温，研究各微物理量和亮温之间的关系。Katrina飓风是2005年大西洋飓风季第4个飓风，UWNMS对其进行模拟的起始时刻是2005年8月27日18:00(世界时，下同)，每6 h输出1次，共8个时次的数据，水平分辨率为2 km×2 km，垂直分辨率为200 m，模式输出量包括各层温度 (T)、水汽混合比 (q)、6种微物理量的混合比 (云水、雨水、霰、聚合体、雪和冰晶) 等大气层结和云参数数据。由于聚合体的含量较少且特性与霰相近，因此分析时将聚合体与霰相加作为霰粒子。
1.3 贝叶斯反演方法介绍本文降水反演所用的方法为Kummerow等[17]采用的贝叶斯反演方法，基本思想是采用UWNMS的云结构廓线库，利用VDISORT求解辐射传输方程，建立云-辐射数据集，然后根据贝叶斯方法利用式 (1) 对云-辐射数据集中的廓线进行加权平均，最终得到需要反演的物理量。以x描述算法中所有需要反演的物理量，y0描述一组传感器的观测量，根据云模式和前向辐射传输模式建立的云-辐射数据集，E(x) 可近似为
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(1) |
相应地变量N为
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(2) |
其中，xj代表廓线库中的每一条廓线，ys(xj) 代表相应的亮温矢量，O为观测误差协方差矩阵，S为模式误差协方差矩阵，在本文的计算中将O+S的值记为对角线为1的对角矩阵，原理及公式的详细推导可参考Kummerow等[17]。本文云辐射数据集的建立利用的是2005年8月28日18:00所有奇数列的像元。
2 通道匹配风云三号 (02) 批卫星微波探测器在50~60 GHz间设计了13个通道，在118.75 GHz频点设计了8个通道，新增加的118.75 GHz频点探测通道设计时，通道晴空权重函数曲线应尽量与微波温度计匹配通道保持一致，这样可以将大气温度层结对反演造成的误差降到最低。
利用晴空条件下的权重函数可以确定50~60 GHz与118.75 GHz频点的匹配通道，选择时采用美国1976标准大气模式，最后选择出的4对匹配关系较好的通道分别为50.3 GHz与118.75±5.0 GHz，51.76 GHz与118.75±3.0 GHz，52.8 GHz与118.75±2.5 GHz，54.40 GHz与118.75±1.1 GHz，权重函数曲线如图 1所示 (图中τ为透过率，p为压强)。
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| 图 1. 权重函数曲线 (a)50.3 GHz与118.75±5.0 GHz, (b)51.76 GHz与118.75±3.0 GHz, (c)52.8 GHz与118.75±2.5 GHz, (d)54.40 GHz与118.75±1.1 GHz Fig 1. Weighting functions at 50.3 GHz and 118.75±5.0 GHz (a), 51.76 GHz and 118.75±3.0 GHz (b), 52.8 GHz and 118.75±2.5 GHz (c), 54.40 GHz and 118.75±1.1 GHz (d) | |
从图 1中可以看出，4对匹配通道的权重函数峰值高度基本一致，分别对应地面，900，850 hPa和300 hPa；而50.3 GHz与118.75±5.0 GHz权重函数曲线有一定程度的偏离，主要是由于这两个通道的权重函数峰值高度较低，在低层受水汽影响较大所致；而权重函数峰值高度较高的通道则受水汽影响较小，匹配关系一致性更好。为了考察匹配结果在其他地区和季节的适用性，又分别选择热带地区 (不分季节)、中纬度地区 (冬、夏季) 和极地地区 (冬、夏季) 的廓线数据进行了分析 (图略)，发现中纬度及极地地区的匹配结果也比较好，而热带地区118.75 GHz权重函数峰值高度升高，这可能是因为在相同海拔高度上热带对流层大气密度 (即氧气密度) 较低所致，且热带地区水汽较多，因此水汽的影响也使权重函数发生了一定偏离，总的来说，两个频点对应通道的匹配结果具有一定代表性。
3 水凝物粒子敏感性分析首先需要分析模拟的亮温与各种水凝物粒子之间的关系，因此本文对2005年8月28日18:00，y=120的过台风眼的一条竖剖线共252个点进行模拟，模拟的计算条件为0°观测角，此剖线上的水凝物柱总量及通道亮温如图 2所示。
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| 图 2. 剖线上的通道亮温及水凝物粒子柱总量 Fig 2. The bright temperature and columnar water content for the hydrometeor species | |
从图 2可以看出，由于粒子的散射作用，与晴空区相比，非晴空区亮温降低幅度的极大值点 (85 km及130 km附近) 与霰粒子含量的最大值点相对应，亮温降低幅度的次极大值点与雪粒子含量的最大值点相对应，另外一些亮温相对于晴空区的扰动是由雨粒子引起的，由此可以看出各通道的亮温对各种水凝物粒子很敏感，可用于改进现有业务降水反演算法，且亮温对霰粒子的敏感性大于雪粒子，又大于雨粒子。从图 2还可以看出，118.75 GHz通道亮温最大降幅较大，可达100 K；50~60 GHz通道的亮温最大降幅较小，约30 K，这与频率越高散射作用越强的原理相一致。
4 反演试验结果分析将模拟的2005年8月28日18:00，y=120的剖面亮温作为观测亮温，利用建立的云-辐射数据集，代入式 (1) 进行反演，选取了50~60 GHz 4个通道、118.75 GHz 4个通道、50~60 GHz及118.75 GHz全部通道3种不同的通道组合分别进行了反演试验，并将UMNMS基础数据集作为真值，与反演结果进行对比，雨粒子及霰粒子的反演结果如图 3所示。
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| 图 3. 3种不同通道组合反演的雨粒子及霰粒子的垂直分布及真值分布 Fig 3. Vertical distribution of rain and graupel liquid/ice water content retrieval for three different sets of frequencies | |
从图 3可以看出，50~60 GHz通道对雨粒子的垂直分布的反演结果比118.75 GHz通道更接近于真值，118.75 GHz通道对霰粒子的垂直分布的反演结果比50~60 GHz通道更接近于真值，而无论是雨粒子还是霰粒子的垂直分布，全部通道都应用时的反演结果与真值最接近，因此将50~60 GHz及118.75 GHz通道联合起来进行降水反演可提高降水反演的精度。
为了定量比较3种不同通道组合反演结果的优劣，本文采用了相关系数和均方根误差这两个参数来进行分析，3种不同通道组合反演的雨、雪、霰粒子柱总量，降水率与真值之间的相关系数及均方根误差如表 1所示。
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表 1 3种不同通道组合反演的雨、雪、霰粒子柱总量、降水率与真值之间的相关系数及均方根误差 Table 1 Correlation coefficient and root mean square between the truth and the retrieved water/ice water paths of three hydrometeors (rain, snow and graupel) and the rain rate for the three different sets of frequencies |
从表 1中可以看出对于雨、雪粒子，50~60 GHz通道比118.75 GHz通道反演的相关系数高而均方根误差小，说明50~60 GHz通道对雨、雪粒子的反演能力比118.75 GHz通道好，而对于霰粒子，118.75 GHz通道比50~60 GHz通道反演的相关系数高而均方根误差小，说明118.75 GHz通道对霰粒子的反演能力比50~60 GHz通道好。而对于3种不同的通道组合，均有反演的霰粒子的相关系数大于雪粒子，雪粒子又大于雨粒子，此结果与前面的敏感性分析中各通道的亮温对霰粒子的敏感性大于雪粒子，又大于雨粒子的结果相一致。
需要进一步指明的是，由于118.75 GHz反映的主要是冰相粒子的散射信息，而50~60 GHz则可以反映出液态粒子的吸收再发射作用，这种吸收再发射作用比散射作用更能直接地表现出降水的物理机制，因此对降水率的反演118.75 GHz通道的相关系数明显偏小，误差较大，而50~60 GHz通道的相关系数及均方根误差与全部通道都应用时的结果相差不大，不像对雨粒子柱总量的反演那样有明显的改善 (相关系数从0.86提升到0.93，均方根误差从0.84 kg·m-2下降到0.60 kg·m-2)。
在3种不同的通道组合中，全部通道都应用时反演的水凝物粒子的相关系数总是最高的，相应的均方根误差也总是最小的，说明全部通道都应用时比仅用50~60 GHz或118.75 GHz通道的反演效果要好，这与从图 3中定性分析出的结果相一致。
为了评估3种不同通道组合的降水探测能力，即区分降水及非降水区的能力，本文引进了另外一组统计参数分别为RC(正确率)、ICS(统计量临界成功指数)、DPO(检验概率)、RFA(虚警率)，其公式分别为
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(3) |
其中，A为正确地估计为降水点的数目，B为错误地估计为非降水点的数目，C为错误地估计为降水点的数目，D为正确地估计为非降水点的数目。对于完全正确的结果，RC=1，ICS=1，DPO=1，RFA=0。本文降水阈值的选择为降水率0.1 mm·h-1。3种不同通道组合的统计参数结果如表 2所示。
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表 2 3种不同通道组合反演降水的统计参数结果 Table 2 Results in term of statistical analysis on the rain retrieval for three different sets of frequencies |
从表 2中可以看出在3种不同的通道组合中，虽然118.75 GHz通道的DPO值比其他两种通道组合稍高，但是全部通道都应用时的RC和ICS值更接近于1，RFA值更接近于0，因此综合比较认为全部通道都应用时可以更好地区分降水区与非降水区。
5 结论与讨论1) 通过晴空权重函数匹配，选择出了50~60 GHz与118.75 GHz频点匹配关系较好的4对通道，分别为50.3 GHz与118.75±5.0 GHz，51.76 GHz与118.75±3.0 GHz，52.8 GHz与118.75±2.5 GHz，54.40 GHz与118.75±1.1 GHz。
2) 水凝物粒子的敏感性分析表明：各通道对各种水凝物粒子均很敏感，且对霰粒子的敏感性大于雪粒子，又大于雨粒子，且118.75 GHz通道亮温降幅大于50~60 GHz，这与频率越高散射作用越强的原理相一致。
3) 50~60 GHz通道对雨、雪粒子的反演能力更好，118.75 GHz通道对霰粒子的反演能力更好，而将50~60 GHz及118.75 GHz通道联合起来进行降水反演可提高降水反演的精度，且可更好地区分降水区与非降水区。
风云三号 (02) 批卫星发射后，新的星载微波探测资料将会极大地促进降水反演技术的进一步发展。但是需要指出的是，本研究结果是针对洋面台风个例得到的，对不同下垫面结果会有所不同，且对于不同的降水类型，需要建立相应的云-辐射数据库，来研究其在微波氧气吸收通道的降水特性。另外，本文是利用仿真模拟数据进行反演，而当利用实际的卫星观测数据进行反演时应考虑测量误差和波束不均匀充塞等问题，因此本方法的实际应用价值还有待进一步检验和验证。
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