風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)的掃描角偏差訂正

官莉,陸文婧

① 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044;② 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044

風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)的掃描角偏差訂正

官莉①②*,陸文婧①

① 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044;② 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044

2013-04-08收稿,2013-06-15接受

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41175034);江蘇省“六大人才高峰”項(xiàng)目(2014JY021)

摘要首先統(tǒng)計(jì)分析了FY-3A衛(wèi)星MWHS(MicroWave Humidity Sounder,微波濕度計(jì)) 2010年1月整月和8月28日—9月6日Level-1b全球觀測(cè)亮度溫度TO和背景場(chǎng)(NCEP GFS 6 h預(yù)報(bào)場(chǎng))用輻射傳輸模式(美國(guó)通用輻射傳輸模式CRTM 2.0版本)模擬的亮度溫度TB隨掃描角的分布特征,發(fā)現(xiàn)通道3和4的觀測(cè)隨儀器掃描角有抖動(dòng)、不連續(xù)現(xiàn)象。同時(shí)沿著儀器掃描線在星下點(diǎn)兩測(cè)存在觀測(cè)不對(duì)稱現(xiàn)象,而且權(quán)重函數(shù)峰值越接近地面的通道該不對(duì)稱現(xiàn)象越明顯。在統(tǒng)計(jì)觀測(cè)增量TO-TB隨掃描角和緯度變化的基礎(chǔ)上,定量給出了不同緯度帶內(nèi)(每隔5個(gè)緯度)MWHS通道3、4和5的掃描角偏差訂正系數(shù),該系數(shù)可直接提供給各種資料同化系統(tǒng)同化FY-3A MWHS資料時(shí)使用。

關(guān)鍵詞

FY-3A衛(wèi)星

MWHS

掃描角偏差

訂正

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ),是提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和服務(wù)水平的核心技術(shù)和最根本科學(xué)途徑;同時(shí),數(shù)值預(yù)報(bào)的水平是氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)水平的綜合反映,是反映一個(gè)國(guó)家氣象現(xiàn)代化水平和在國(guó)際氣象界中地位的重要標(biāo)志。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是一個(gè)數(shù)學(xué)中的初值問題,初值天氣條件的正確性對(duì)預(yù)報(bào)有決定性的影響,而初值天氣條件是通過觀測(cè)資料同化而獲得的。隨著氣象衛(wèi)星新遙感資料的不斷出現(xiàn),衛(wèi)星遙感資料在數(shù)值預(yù)報(bào)中的有效應(yīng)用(包括資料同化和模式檢驗(yàn))一直以來都是資料同化的研究熱點(diǎn),氣象衛(wèi)星遙感資料在業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用已被公認(rèn)是提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)水平的主要原因之一(薛紀(jì)善,2009)。

目前許多數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(NWP,Numerical Weather Prediction)業(yè)務(wù)中心都采用變分資料同化系統(tǒng)產(chǎn)生初始場(chǎng),變分同化理論要求模式和觀測(cè)誤差是無偏的且滿足高斯分布(趙延來等,2013)。但實(shí)際上,由于觀測(cè)儀器的定標(biāo)、定位誤差,傳感器的響應(yīng)特性隨時(shí)間的改變,輻射傳輸模式(觀測(cè)算子)的系統(tǒng)偏差,基于模式短期預(yù)報(bào)的背景場(chǎng)的偏差,受到云(尤其是降水)污染的觀測(cè)資料的影響等多種誤差來源的綜合效應(yīng),造成觀測(cè)輻射值與根據(jù)模式背景場(chǎng)廓線模擬計(jì)算的輻射值之間的統(tǒng)計(jì)偏差是系統(tǒng)的而非隨機(jī)的,這些系統(tǒng)偏差在資料同化前必須去除,必須對(duì)觀測(cè)的輻射值與根據(jù)模式初始場(chǎng)模擬計(jì)算的輻射值之間的偏差進(jìn)行訂正。

輻射偏差問題已經(jīng)發(fā)展了一些經(jīng)驗(yàn)訂正方案。Harris and Kelly(2001)的訂正方案可以看作是Eyre(1992)方案的改進(jìn)版(最初采用了全球掃描角訂正和線性氣團(tuán)訂正),首次考慮了掃描角訂正對(duì)緯度的依賴性。這些方案都已作為NWP數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的一部分在不同時(shí)期的ECMWF業(yè)務(wù)系統(tǒng)中運(yùn)行。美國(guó)NCEP(National Centers for Environmental Prediction)GDAS(Global Data Assimilation System)也曾使用掃描角和氣團(tuán)偏差訂正方案(Okamoto and Derber,2006)。劉志權(quán)等(2007)在ECMWF原全球TOVS輻射偏差訂正方案基礎(chǔ)上,在中國(guó)的全球與區(qū)域模式和資料同化系統(tǒng)(GRAPES,Global-Regional Assimilation and Prediction System)中建立了適用于區(qū)域NOAA-15/16/17極軌氣象衛(wèi)星ATOVS(Advanced TIROS Operational Vertical Sounder)輻射資料的偏差訂正方案。該方案偏差訂正分兩步進(jìn)行:首先進(jìn)行掃描偏差訂正,然后進(jìn)行氣團(tuán)偏差訂正(王葉慧等,2013)。掃描偏差是臨邊測(cè)量相對(duì)于星下點(diǎn)測(cè)量的系統(tǒng)偏差,統(tǒng)計(jì)顯示該種偏差具有一定的緯度依賴性,所以訂正時(shí)按每10°的緯度帶分別進(jìn)行訂正。上述的這種離線off-line偏差訂正方法是在極小化處理過程之前完成的對(duì)輻射資料的訂正,是一種靜態(tài)的經(jīng)驗(yàn)訂正方法,需要提前統(tǒng)計(jì)好訂正系數(shù)。變分偏差訂正方法的研究,主要集中在發(fā)達(dá)國(guó)家氣象中心。2004年ECMWF首先實(shí)現(xiàn)了變分偏差訂正的業(yè)務(wù)運(yùn)行(Dee,2006;Auligne et al.,2007)。變分偏差訂正方法優(yōu)點(diǎn)明顯:能夠在極小化過程中自動(dòng)感應(yīng)到給定傳感器特定通道的偏差的變化,并給出相應(yīng)的訂正,是一種動(dòng)態(tài)調(diào)整方法(李剛等,2016)。

我國(guó)自主開發(fā)的全球與區(qū)域模式和資料同化系統(tǒng)GRAPES是一個(gè)三維變分資料同化系統(tǒng),同化的衛(wèi)星資料有NOAA系列的微波AMSU-A、AMSU-B(MHS)輻射觀測(cè),對(duì)這些微波儀器觀測(cè)采用的是劉志權(quán)等(2007)開發(fā)的離線的偏差訂正,考慮了掃描訂正對(duì)緯度的依賴性,按每10°緯度將全球分為18個(gè)緯度帶進(jìn)行掃描角偏差訂正。目前GRAPES中對(duì)FY-3A微波溫度計(jì)MWTS的資料只建立了初步的同化試驗(yàn)系統(tǒng),還沒有直接同化濕度計(jì)MWHS(MicroWave Humidity Sounder,微波濕度計(jì))資料,因此本文在統(tǒng)計(jì)觀測(cè)TO、背景場(chǎng)模擬的亮度溫度TB和觀測(cè)增量TO-TB隨掃描角和緯度變化的基礎(chǔ)上,定量給出了不同緯度帶內(nèi)(每隔5個(gè)緯度)MWHS的掃描角偏差訂正系數(shù)。

1風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星及其有效載荷的簡(jiǎn)介

衛(wèi)星遙感資料空缺歷來是長(zhǎng)期制約我國(guó)數(shù)值預(yù)報(bào)發(fā)展的第一難題。中國(guó)在氣象衛(wèi)星遙感探測(cè)技術(shù)方面近年來取得了很大進(jìn)展,分別于2008年5月和2010年11月發(fā)射成功風(fēng)云三號(hào)A星和B星兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星。風(fēng)云三號(hào)系列衛(wèi)星是我國(guó)新一代極軌氣象衛(wèi)星,共包括7顆衛(wèi)星,計(jì)劃平均每隔兩年發(fā)射一顆,具體要求是解決三維大氣探測(cè),大幅度提高全球資料獲取能力,進(jìn)一步提高云區(qū)和地表特征遙感能力,從而能夠獲取全球、全天候、三維、定量、多光譜的大氣、地表和海表特性參數(shù)。FY-3A和FY-3B是前兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星,共有11個(gè)有效載荷:可見光紅外掃描輻射計(jì)VIRR、紅外分光計(jì)IRAS(InfraRed Atmospheric Sounder)、微波溫度計(jì)MWTS(MicroWave Temperature Sounder)、微波濕度計(jì)MWHS(MicroWave Humidity Sounder)、中分辨率光譜成像儀MERSI、微波成像儀MWRI、地球輻射探測(cè)儀ERM、太陽輻射檢測(cè)儀SIM、紫外臭氧垂直探測(cè)儀SBUS、紫外臭氧總量探測(cè)儀TOU、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器SEM。衛(wèi)星軌道高度為850～900 km,軌道周期為102 min,每天對(duì)同一個(gè)地區(qū)觀測(cè)兩次,一天可以獲取兩次全球覆蓋資料(兩顆衛(wèi)星可獲得4次),首次上載了大氣探測(cè)儀器(Dong et al.,2009)。

我國(guó)發(fā)射的風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星具有的綜合遙感數(shù)值觀測(cè)能力為開展衛(wèi)星資料同化研究提供了契機(jī)。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)NWP尤其感興趣的是風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星上的紅外分光計(jì)IRAS、微波溫度計(jì)MWTS和微波濕度計(jì)MWHS這三個(gè)探測(cè)儀器,主要用于大氣溫度、濕度的垂直探測(cè),由于微波對(duì)云的穿透性,使MWTS和MWHS這兩個(gè)微波儀器幾乎適應(yīng)于所有非降水云的大氣條件下。

FY-3 MWHS有5個(gè)水汽探測(cè)通道,星下點(diǎn)分辨率約15 km,掃描幀幅寬度為2 700 km,對(duì)地掃描張角±48.95°,每條掃描線上有98個(gè)掃描點(diǎn)(Zhang et al.,2009)。通道1至通道5中心頻率分別在150 GHz(V垂直極化)、150 GHz(H水平極化)、(183.3±1) GHz、(183.3±3) GHz和(183.3±7) GHz。如圖1所示,圖1a—c為美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下溫度、水汽混合比和臭氧的垂直分布,圖1d則為該大氣狀態(tài)下微波濕度計(jì)MWHS各個(gè)通道的權(quán)重函數(shù)隨高度的分布,從圖1d可以看出,通道1和通道2為窗區(qū)通道,由于通道1和通道2中心頻率相同,只是極化的差異,權(quán)重函數(shù)的分布是重合的,主要用于探測(cè)地表。通道3、通道4、通道5的峰值能量貢獻(xiàn)高度分別為400、600和800 hPa,主要用于探測(cè)相應(yīng)高度層的大氣濕度。

圖1　美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下溫度(a)、水汽混合比(b)、臭氧濃度(c)和FY-3A MWHS的權(quán)重函數(shù)(d)隨高度的變化(Guan et al.,2011)Fig.1　Vertical distributions of (a)temperature,(b)water vapor mixing ratio and (c)ozone of the U.S. standard atmospheric profile;(d)Weighting functions of the FY-3A MWHS calculated from the profiles in (a—c)(Guan et al.,2011)

2FY-3A MWHS掃描角偏差訂正

Lu et al.(2010)的研究發(fā)現(xiàn)由于微波探測(cè)器是跨軌跡橫掃描儀器,在ECMWF的同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)中針對(duì)FY-3A的微波探測(cè)器資料即使經(jīng)過變分偏差訂正后掃描角偏差(觀測(cè)增量隨掃描角的變化)依然很顯著,尤其是微波濕度探測(cè)器,因此著重對(duì)MWHS的掃描角偏差分緯度帶、對(duì)每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)(每條掃描線有98個(gè)掃描視場(chǎng))進(jìn)行統(tǒng)計(jì),進(jìn)行掃描角偏差訂正。由于FY-3A MWHS通道1和通道2是地表窗區(qū)通道,觀測(cè)受地面比輻射率影響較大,因此本文重點(diǎn)研究用于資料同化的通道3、4和5。

研究所使用的資料:2010年1月整月和8月28—9月6日10 d的FY-3A MWHS的Level-1b觀測(cè)資料;背景場(chǎng)用的是NCEP GFS(Global Forecast System)6 h預(yù)報(bào)場(chǎng),水平分辨率為1°×1°格點(diǎn),時(shí)間分辨率為6 h(00時(shí),06時(shí),12時(shí),18時(shí);世界時(shí),下同)。

輻射傳輸模式即觀測(cè)算子采用的是美國(guó)衛(wèi)星資料同化聯(lián)合中心JCSDA開發(fā)的通用輻射傳輸模式CRTM(Community Radiative Transfer Model)2.0版本,該版本綜合考慮了吸收氣體的輻射,各種類型水成物和氣溶膠粒子的吸收和散射,海洋、陸地及冰雪覆蓋地表的發(fā)射和輻射效應(yīng),因此可以快速、準(zhǔn)確的模擬各種大氣和地表?xiàng)l件下(包括云、雨區(qū)的模擬)微波和紅外的衛(wèi)星觀測(cè)輻射值。該輻射傳輸模式除了常規(guī)的前向算子,還具備相應(yīng)的切線性算子及其伴隨和K矩陣(Han et al.,2006)。

2.1輻射傳輸模式中衛(wèi)星掃描角的重要性

圖2　2010年9月2日00—12時(shí)覆蓋一次全球的FY-3A MWHS通道3　　a.衛(wèi)星觀測(cè)亮度溫度;b.輻射傳輸模式?jīng)]有考慮掃描角時(shí)模擬的亮度溫度;c.輻射傳輸模式考慮衛(wèi)星掃描角時(shí)模擬的亮度溫度;d.考慮了衛(wèi)星掃描角時(shí)觀測(cè)增量TO-TB的分布Fig.2　Global cover of FY-3A MWHS channel 3 during 0000—1200 UTC 2 September 2010:(a)observed brightness temperature;(b)simulated brightness temperature by CRTM without the scan angle considered;(c)simulated brightness temperature by CRTM with scan angle considered;(d)the distribution of observation increment(TO minus TB) with scan angle considered

由于微波探測(cè)器是跨軌跡橫向掃描儀器,觀測(cè)隨掃描角度θ變化,隨θ增大到最大天底角θ=48.95°(FY3),大氣總吸收增加,透過率隨高度變化加快,造成權(quán)重函數(shù)蜂值高度增高(張培昌和王振會(huì),1995),而MWHS的三個(gè)水汽通道(通道3、通道4和通道5)權(quán)重函數(shù)峰值高度都在對(duì)流層,權(quán)重函數(shù)蜂值高度增高造成臨邊變暗效應(yīng)。因此用觀測(cè)算子模擬衛(wèi)星觀測(cè)值時(shí)要考慮衛(wèi)星掃描角,將衛(wèi)星觀測(cè)掃描角作為輻射傳輸模式計(jì)算時(shí)的輸入值,盡可能減小跨軌跡掃描天底角增大時(shí)帶來的誤差。圖2以2010年9月2日覆蓋一次全球的12 h FY-3A MWHS通道3觀測(cè)為例(00—12時(shí)),圖2a為衛(wèi)星的實(shí)況觀測(cè)亮度溫度,圖2b為輻射傳輸模式?jīng)]有考慮掃描角(即每個(gè)視野點(diǎn)都做為星下點(diǎn)處理)時(shí)模擬的亮度溫度,圖2c輻射傳輸模式考慮衛(wèi)星掃描角的亮度溫度,圖2d考慮了衛(wèi)星掃描角時(shí)觀測(cè)增量TO-TB的分布。由于MWHS通道3是高頻通道,云的散射作用相對(duì)于云的發(fā)射效應(yīng)占主導(dǎo),因此有云時(shí)觀測(cè)到的亮溫比晴空時(shí)低。圖中亮溫較高的為晴空觀測(cè),亮溫低的則為有云影響視野。比較圖2a與圖2b可看出,實(shí)況觀測(cè)有臨邊變暗效應(yīng),衛(wèi)星掃描角度相對(duì)星下點(diǎn)增大時(shí)觀測(cè)亮溫變低,但圖2b中沒有出現(xiàn)該特征,說明輻射傳輸模式中不考慮掃描角使臨邊的視場(chǎng)模擬的亮溫偏高,與觀測(cè)事實(shí)不符。圖2c為輻射傳輸模式考慮衛(wèi)星掃描角時(shí)模擬的亮度溫度,可以看出模擬亮溫整體比觀測(cè)偏低4～7 K(該系統(tǒng)偏差可以訂正掉),但有臨邊變暗效應(yīng),說明觀測(cè)算子模擬是合理的,因此在模擬時(shí)一定要有衛(wèi)星觀測(cè)掃描角作為必需的輸入?yún)?shù)。圖2d為考慮了衛(wèi)星掃描角時(shí)觀測(cè)增量TO-TB的分布,整體而言該通道全球TO-TB存在正偏差,即觀測(cè)亮溫比模擬亮溫高,負(fù)偏差則出現(xiàn)在有降水區(qū)域或深厚云區(qū),比較大的正偏差出現(xiàn)在觀測(cè)亮溫較高的區(qū)域。從圖中還可看出沿著衛(wèi)星飛行方向右側(cè)的偏差略大于左側(cè),同時(shí)觀測(cè)增量分布是隨掃描角和緯度變化的,為使觀測(cè)增量滿足無偏的要求,必需進(jìn)行掃描角偏差訂正。

2.2掃描角偏差訂正系數(shù)

從圖2d中可直觀看出觀測(cè)增量是隨掃描角變化的,因此統(tǒng)計(jì)了2010年1月共3 d和8月28日—9月6日10 d FY-3A MWHS通道3～5全球平均的觀測(cè)亮度溫度(實(shí)線)與模擬的亮度溫度(虛線)隨掃描角的變化,兩個(gè)時(shí)間段給出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果類似,而8月28日—9月6日是一個(gè)臺(tái)風(fēng)過程,就以該時(shí)段為例給出了統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。模擬的亮度溫度普遍比觀測(cè)偏低,通道3相差最大,通道4次之,而通道5模擬和觀測(cè)的亮度溫度數(shù)值接近,但觀測(cè)亮度溫度隨掃描角的變化形式與模擬不同。觀測(cè)算子考慮掃描角后衛(wèi)星的模擬亮溫與實(shí)況觀測(cè)吻合,出現(xiàn)臨邊變暗現(xiàn)象,尤其通道3臨邊亮溫大約比星下點(diǎn)低5～7 K。從圖3中還可以看出通道3和4的觀測(cè)隨儀器掃描角的抖動(dòng)、不連續(xù)現(xiàn)象,出現(xiàn)周期性抖動(dòng)的原因有可能是因?yàn)镕Y-3上搭載大量?jī)x器,共11個(gè),儀器之間相互有干擾。盡管通道5觀測(cè)存在明顯條紋現(xiàn)象,即觀測(cè)空間不連續(xù),因此對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行了濾波、以消除條紋現(xiàn)象(與衛(wèi)星中心該儀器的研發(fā)人員交流),但圖3中揭示通道3和4也同樣存在抖動(dòng)現(xiàn)象,因此將亮溫隨掃描視場(chǎng)點(diǎn)進(jìn)行了15點(diǎn)平滑,如圖3b、3d、3f所示。

圖3　2010年8月28日—9月6日全球平均的FY-3A MWHS觀測(cè)亮度溫度(實(shí)線)與模擬的亮度溫度(虛線)隨掃描角的變化(b、d、f對(duì)觀測(cè)進(jìn)行了15點(diǎn)平滑)　　a,b.通道3;c,d.通道4;e,f.通道5Fig.3　Global mean brightness temperatures from FY-3A MWHS(solid line;a,c,e) and 15-point smoothed(solid line;b,d,f) from 28 August to 6 September 2010(corresponding model simulations are shown as dashed lines):(a,b)channel 3;(c,d)channel 4;(e,f)channel 5

從圖3中還發(fā)現(xiàn)沿著同一條掃描線相對(duì)于星下點(diǎn)兩測(cè)左右觀測(cè)存在不對(duì)稱現(xiàn)象,即最左邊第1個(gè)視場(chǎng)的觀測(cè)亮溫略高于右側(cè)第98個(gè)觀測(cè)視場(chǎng),而且權(quán)重函數(shù)峰值越接近地面的通道該不對(duì)稱現(xiàn)象越明顯,通道5最嚴(yán)重,觀測(cè)亮溫和模擬亮溫同時(shí)存在該不對(duì)稱現(xiàn)象。如何解釋微波垂直跨軌跡探測(cè)儀器觀測(cè)沿著衛(wèi)星掃描線隨星下點(diǎn)分布兩側(cè)不對(duì)稱呢?FY-3A衛(wèi)星的軌道傾角是98.81°,圖4給出了一段FY-3衛(wèi)星(左)升軌和(右)降軌MWHS每條掃描線及每個(gè)視場(chǎng)位置的分布圖(箭頭方向?yàn)樾l(wèi)星飛行方向),每條掃描線上有98個(gè)視場(chǎng),沿著衛(wèi)星飛行方向最右側(cè)為第1個(gè)視場(chǎng),掃描過星下點(diǎn)到最左側(cè)為第98個(gè)視場(chǎng)。從圖4可看出每條掃描線上第1個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)的緯度總是高于第98個(gè)的(大約高3～4個(gè)緯度),8、9月全球的近地面溫度分布總體是緯度高的地區(qū)溫度高于緯度低的,因此就解釋了為什么第1個(gè)視場(chǎng)的觀測(cè)亮溫要高于衛(wèi)星飛行方向右側(cè)第98個(gè)觀測(cè)視場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了不同水汽通道2010年8月28日到9月6日觀測(cè)增量TO-TB的全球平均值對(duì)掃描角的依賴,對(duì)每個(gè)視野點(diǎn)都減去了星下點(diǎn)的偏差,因?yàn)槊織l掃描線上有98個(gè)視場(chǎng),將第49和50個(gè)視場(chǎng)的平均作為星下點(diǎn)的值,結(jié)果如圖5所示,實(shí)線為通道3,虛線為通道4,點(diǎn)劃線為通道5。掃描角偏差訂正對(duì)通道有依賴性,對(duì)不同通道最大掃描角偏差訂正值會(huì)達(dá)到約±2 K。掃描角偏差訂正量相當(dāng)于星下點(diǎn)也是非對(duì)稱的,在第1個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)側(cè)訂正量較大,在第98個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)側(cè)訂正量相對(duì)較小。圖5中觀測(cè)增量都減去了星下點(diǎn)的值,圖6則分別給出了通道3、4和5在60°S～60°N范圍內(nèi)每隔5°緯度帶內(nèi)的星下點(diǎn)觀測(cè)增量的平均值,橫坐標(biāo)為緯度值,顏色代表偏差的大小。通道3和4在星下點(diǎn)是明顯的正偏差,通道3的正偏差相對(duì)通道4稍大,通道5在星下點(diǎn)全球?yàn)樨?fù)偏差,至于偏差出現(xiàn)的原因及大小在以往的研究中已做詳細(xì)解釋(Guan et al.,2011)。從圖6還可看出所研究通道在星下點(diǎn)的偏差都隨緯度帶明顯變化。

圖4　FY-3A衛(wèi)星升軌(a)和降軌(b)MWHS每條掃描線及每個(gè)視場(chǎng)位置的分布(箭頭方向?yàn)樾l(wèi)星飛行方向)Fig.4　Observation locations(dots) for the (a)ascending and (b)descending nodes for FY-3A(the flight-track direction is indicated by the arrows)

圖5　觀測(cè)增量2010年8月28日—9月6日的全球平均值對(duì)掃描角的依賴(星下點(diǎn)的偏差已減去)Fig.5　Scan-angle dependence of global TO minus TB averages from 28 August to 6 September 2010(nadir biases are subtracted)

圖6　2010年8月28日—9月6日星下點(diǎn)觀測(cè)增量對(duì)緯度帶的依賴(每間隔5個(gè)緯度)Fig.6　Latitudinal dependence of biases calculated at nadir within 5° latitudinal bands from 28 August to 6 September 2010

掃描角偏差訂正對(duì)緯度有依賴性,公式(1)給出了掃描角偏差訂正系數(shù)具體的計(jì)算公式(劉志權(quán)等,2007):

(1)

2.3偏差訂正后效果分析

以上給出了每個(gè)緯度帶掃描角偏差訂正系數(shù),將該系數(shù)應(yīng)用于獨(dú)立于統(tǒng)計(jì)樣本的9月15日時(shí)間窗06時(shí)和12時(shí),如圖8所示,圖8a為偏差訂正前MWHS通道3觀測(cè)增量,圖8b則為掃描角偏差訂正后的觀測(cè)增量分布,其余通道4和5結(jié)果類似(圖略)。左圖中觀測(cè)和模擬亮度溫度值相差較大,主要是正偏差,經(jīng)過掃描角偏差訂正后,觀測(cè)增量大大減小,除個(gè)別局部區(qū)域外兩者的差值接近零,說明經(jīng)過掃描角偏差訂正后使觀測(cè)增量越來越接近高斯分布。

圖7　每隔5°緯度帶內(nèi)觀測(cè)增量隨掃描角的變化(每個(gè)緯度帶內(nèi)星下點(diǎn)的偏差已減去)　　a.通道3;b.通道4;c.通道5Fig.7　Scan-angle and latitudinal-dependence of observation increment within 5° latitudinal bands (nadir biases are subtracted):(a)channel 3;(b)channel 4;(c)channel 5

圖8　偏差訂正前(a)和掃描角偏差訂正后(b)9月15日MWHS通道3同化窗06—12時(shí)的觀測(cè)增量Fig.8　Observation increment of MWHS channel 3 on during 0600—1200 UTC 15 September windows (a)before and (b)after scan-bias correction

3結(jié)論

本文應(yīng)用FY-3A微波濕度計(jì)2010年8月28—9月6日共10 d的Level-1b觀測(cè)亮度溫度TO,用NCEP GFS 6 h時(shí)間分辨率的預(yù)報(bào)場(chǎng)(水平分辨率為1°×1°格點(diǎn))作為背景場(chǎng),輻射傳輸模式即觀測(cè)算子采用的是美國(guó)通用輻射傳輸模式CRTM 2.0版本。首先統(tǒng)計(jì)分析了全球觀測(cè)亮度溫度TO和背景場(chǎng)用輻射傳輸模式模擬的亮度溫度TB隨掃描角的分布特征,發(fā)現(xiàn)通道3和4的觀測(cè)隨儀器掃描角有抖動(dòng)、不連續(xù)現(xiàn)象。同時(shí)沿著儀器掃描線在星下點(diǎn)兩側(cè)存在觀測(cè)不對(duì)稱現(xiàn)象,而且權(quán)重函數(shù)峰值越接近地面的通道該不對(duì)稱現(xiàn)象越明顯,這主要是由于極軌衛(wèi)星軌道傾角不是嚴(yán)格的90°,如FY-3A衛(wèi)星的軌道傾角是98.81°,造成了跨軌跡橫掃儀器每條掃描線上觀測(cè)視場(chǎng)的緯度不同引起的。在統(tǒng)計(jì)觀測(cè)

增量TO-TB隨掃描角和緯度變化的基礎(chǔ)上,定量給出了不同緯度帶內(nèi)(每隔5°)MWHS通道3、4和5的掃描角偏差訂正系數(shù),該系數(shù)可直接提供給各種資料同化系統(tǒng)同化FY-3A MWHS資料時(shí)使用。

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Meteorological satellites have become an irreplaceable weather and ocean observing tool in China.Recently,much progress has been made in direct assimilation of satellite radiance measurements in numerical weather prediction(NWP).The Microwave Atmospheric Humidity Sounder(MWHS),carried onboard the Chinese new generation of polar-orbiting weather satellites,the Feng-Yun(FY-3) series,provides passive measurements of the radiation emitted from Earth’s surface and throughout the atmosphere.MWHS is similar to AMSU-B and the Microwave Humidity Sounder of NOAA,with a primary purpose of moisture sounding in cloudy regions,designed to obtain information on atmospheric humidity profiles,water vapor,rainfall,cloud liquid water,and so on.

Several operational NWP centers currently rely on a variational analysis system to define the initial state for their NWP models.From the point of view of variational assimilation,errors from observations and models should have normal and unbiased distributions.However,statistical errors of radiance between observation and prediction from the NWP model are usually not random but systemic.MWHS is a cross-track scanning microwave radiometer.A feature of a cross-track sounder is that the measurements vary with scan angle because of the change in the optical path length between Earth and the satellite.This feature is called the limb effect.Cross-track scan bias correction is a key part of an NWP assimilation system.In order to use radiances from MWHS,biases between the observed radiances and those simulated from the model first guess must be corrected.The bias of global FY-3A MWHS observed brightness temperature(TO) and simulated brightness temperature(TB) by the Community Radiative Transfer Model(CRTM) based on 6 h forecast fields of the NCEP GFS from 28 August to 6 September 2010 are calculated in this study.

The statistical features of observation increment(TOminusTB) in channels 3,4 and 5 of MWHS are analyzed.The scan angle bias of channels 3—5 varying along scan position reveal that the scan angle bias generally increases with the scan position far away from the nadir,but does not increase in a strictly progressive manner.Large positive scan biases are present at large scan angles at all latitudes for channels 3 and 4 on both sides of the scan lines.Relatively large negative scan biases for channel 5 are seen at most scan angles and are highly asymmetric on both sides of nadir.The closer to the surface the peak height of the channel weighting functions,the more serious the asymmetry.All of this further verifies the importance of scan angle bias correction.

Analysis of radiance data shows a significant residual scan bias that depends strongly on latitude for these channels.The scheme applies a latitudinally dependent scan correction to take this into account.In this study,the correction coefficients are calculated within every 5° latitudinal band for each scan position.Moreover,nadir biases are subtracted.These biases will be subtracted fromTOminus-values in the formulation of data assimilation.Therefore,a constant scan bias for each channel needs be removed before MWHS radiance assimilation.The statistical distribution of brightness temperature bias(the departures ofTOminusTB) after correction locates mostly in the vicinity of zero,with a more Gaussian distribution.The bias and standard deviations ofTOminusTBdifferences between observations and model simulations are reduced after bias correction.

The scan-angle and latitudinal-dependence of the observation increment for the MWHS channels 3 to 5 within 5° latitudinal bands are given quantitatively.This scan-bias correction coefficient can be used directly for MWHS data assimilation.This work can be extended to the FY-3 MWHS series.The methodology will be incorporated into the Global/Regional Assimilation and Prediction System,operational NWP data assimilation systems in China,or other NWP modeling systems.

FY-3A satellite;MWHS;scan correction

(責(zé)任編輯：張福穎)

Scan correction scheme of FY-3A microwave atmospheric humidity sounder radiance for data assimilation

GUAN Li1,2,LU Wenjing1

1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130408002

引用格式:官莉,陸文婧.2016.風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)的掃描角偏差訂正[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(3):400-408.

GuanL,LuWJ.2016.ScancorrectionschemeofFY-3Amicrowaveatmospherichumiditysounderradiancefordataassimilation[J].TransAtmosSci,39(3):400-408.doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130408002.(inChinese).

*聯(lián)系人，E-mail:liguanlily@189.cn