DOTLRT微波辐射传输模型改进与验证

论文摘要

星载被动微波遥感在大气探测和气象应用中发挥着日益重要的作用,一方面从观测的大气辐射率数据中可以反演获得覆盖全球的大气温度、湿度、云水、降雨和冰雪等重要的气象参数产品,另一方面卫星微波资料也可以直接同化到NWP（Numerical Weather Prediction）数值模式中提升数值天气预报性能。无论是在大气参数反演还是资料同化应用中,辐射传输模式都发挥着重要作用。辐射传输模式作为观测算子,将大气物理参数和卫星观测辐射率资料联系起来,其模拟计算大气辐射的精度直接影响同化性能和反演精度,是大气微波遥感应用中的基础理论和关键技术。目前在强对流天气条件下,例如台风、暴雨、降雪等,大气中多相态水凝物粒子的散射效应对卫星观测微波亮温会产生最为重要的影响,这是大气微波辐射传输计算中最复杂的部分。DOTLRT（Discrete Ordinate Tangent Linear Radiative Transfer）是美国NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）的两位科学家Gasiewski和Voronovich开发的一种微波辐射传输模式,采用离散纵标法和层叠法实现对微波辐射传输方程的快速解析求解和雅可比矩阵计算。该模式包括了多相态水凝物粒子的散射效应,可以用于云雨天气的辐射传输计算。然而DOTLRT模式在大气吸收计算中只考虑了水汽、氧气、氮气的吸收作用而没有考虑其它大气痕量气体成分,在大气散射计算中只实现了HG（Henyey-Greenstein）近似公式计算散射相矩阵而没有实现完整的MIE相矩阵计算。此外DOTLRT模式的计算精度也一直缺乏详细的定量研究,限制了它的应用。本文在深入理解大气微波辐射传输方程和DOTLRT模式中大气吸收模块和散射模块的实现过程基础上,分别针对这两个模块进行了改进,提升了DOTLRT模式对大气辐射传输计算的精度,并通过与卫星真实观测数据的对比对DOTLRT辐射传输计算精度进行了定量分析与验证。对于大气吸收计算,本文从HITRAN数据库获取痕量气体谱线参数数据,采用逐线积分法将各种大气痕量气体对微波辐射的吸收谱线添加到DOTLRT模式的气体吸收模块中;对于大气散射,由米氏散射理论计算了MIE散射相矩阵,并添加到了散射模块中,相对于原有的HG散射相矩阵,MIE散射相矩阵在大部分情况下的散射计算精度更好。最后使用微波载荷ATMS的观测亮温数据,以目前美国业务数值天气预报系统使用的CRTM（Community Radiative Transfer Model）快速辐射传输模式为参考,对DOTLRT模型进行验证与精度评估。结果表明DOTLRT模式的辐射传输计算精度在微波大气探测仪ATMS的大部分频率通道都优于CRTM模式,尤其是在窗区通道和水汽吸收通道;DOTLRT模式在通道1722的模拟误差相对CRTM模式最高降低达25%以上,在对流层温度探测通道的大部分通道模拟性能相当,充分证明了DOTLRT模式在辐射传输计算中的准确性。

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及其意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要工作

2 DOTLRT辐射传输模型

2.1 辐射传输方程的建立

2.2 气体吸收计算——MPM93 模型

2.3 大气散射计算——HG散射近似

2.4 辐射传输方程求解

2.5 小结

3 痕量气体吸收效应计算的实现与验证

3.1 痕量气体吸收系数计算

3.2 痕量气体吸收效应对辐射传输计算的影响分析

3.3 小结

4 DOTLRT模型大气散射模块的改进与验证

4.1 MIE散射相矩阵的计算

4.2 MIE散射与HG散射对亮温的影响比较

4.3 小结

5 DOTLRT模型辐射传输计算精度评估

5.1 辐射传输计算评估精度

5.2 ATMS观测亮温对比DOTLRT模拟亮温

5.3 参考CRTM模型评估DOTLRT辐射传输计算精度

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 韩瑞

导师: 郭伟,陈柯

关键词: 微波辐射传输模型,辐射传输方程,数据库,逐线积分,散射

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 华中科技大学

分类号: P407.7

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.002959

总页数: 77

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