微波真實(shí)光譜響應(yīng)對(duì)快速輻射模擬影響分析

陳 昊,王 皓,韓 威,谷松巖,張 鵬,康志明

1. 江蘇省氣象臺(tái),江蘇 南京 210008 2. 中國(guó)氣象局交通氣象重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008 3. 中國(guó)氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心,北京 100081 4. 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081

引 言

微波在云雨等復(fù)雜氣象條件下具有一定的穿透性,因而星載微波遙感器具有全天候多時(shí)相工作的特點(diǎn),其被廣泛應(yīng)用于災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域,同時(shí)也在全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中發(fā)揮著重要作用。

風(fēng)云三號(hào)D星(FengYun-3D,FY-3D)是我國(guó)最新一顆極軌氣象衛(wèi)星,其上搭載有諸多微波遙感器,包含微波成像儀(MicroWave Radiation Imager,MWRI)、微波溫度探測(cè)儀(MicroWave Temperature Sounder-2,MWTS-2)、微波濕度探測(cè)儀(MicroWave Humidity Sounder-2,MWHS-2)等[1]。其中MWTS-2主要用于對(duì)大氣溫度狀態(tài)的三維探測(cè),其觀測(cè)資料可被應(yīng)用于短時(shí)臨近災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)及全球/區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

對(duì)于全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)而言,為得到更加精確的初始場(chǎng),常常需要同化大量觀測(cè)資料。在諸多觀測(cè)資料中,衛(wèi)星遙感觀測(cè)資料由于其具有覆蓋面廣、觀測(cè)頻次高、觀測(cè)要素豐富等特點(diǎn),在全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中發(fā)揮著重要作用,衛(wèi)星遙感觀測(cè)資料在眾多被數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)同化的觀測(cè)資料中占比也最高。而在眾多衛(wèi)星遙感資料中,微波溫度計(jì)對(duì)于全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率貢獻(xiàn)最大[2]。

在全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)中同化微波溫度計(jì)資料,一般直接同化微波溫度計(jì)觀測(cè)到的微波輻射。在同化流程中,核心是快速準(zhǔn)確地模擬微波溫度計(jì)觀測(cè)到的微波輻射。目前,國(guó)際上主流的快速輻射傳輸模型主要有RTTOV(radiative transfer for TOVS)、CRTM(community radiative transfer model)等[3]。在主流的全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)中,歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)研發(fā)的ECMWF-IFS(ECMWF-Integrated Forecasting System)全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)的同化模塊采用RTTOV作為快速輻射傳輸模型,美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)研發(fā)的NCEP-GFS(NCEP-Global Forecast System)全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)的同化模塊中采用CRTM作為快速輻射傳輸模型。

快速輻射傳輸模型被用于快速模擬微波溫度計(jì)的過(guò)程中,需要依賴(lài)于微波溫度計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)通帶上的光譜響應(yīng)函數(shù)和大氣吸收模型來(lái)預(yù)先計(jì)算基準(zhǔn)大氣狀態(tài)下測(cè)量到的大氣微波光學(xué)厚度,而后計(jì)算不同大氣狀態(tài)相比于基準(zhǔn)大氣狀態(tài)的微波光學(xué)厚度變化量,進(jìn)而模擬逐層大氣微波輻射及消光作用,最終模擬出微波溫度計(jì)觀測(cè)到的大氣整層微波輻射[4]。光譜響應(yīng)函數(shù)準(zhǔn)確與否,直接關(guān)系到微波輻射模擬的精確度。

光譜響應(yīng)函數(shù)是微波遙感器的重要硬件參數(shù)特征,通常由中心頻點(diǎn)、頻帶寬度等參數(shù)定義,反映了微波遙感器在設(shè)計(jì)通道內(nèi)對(duì)電磁波的響應(yīng)能力。通常情況下,微波遙感器在設(shè)計(jì)過(guò)程中光譜響應(yīng)被設(shè)計(jì)成方波響應(yīng),即在設(shè)計(jì)通帶范圍內(nèi),各頻點(diǎn)對(duì)電磁波能量的測(cè)量響應(yīng)能力均勻一致。目前國(guó)際上主要的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)ECMWF-IFS和NCEP-GFS等的同化模塊中,均采用理想方波響應(yīng)作為包括微波溫度計(jì)在內(nèi)的微波遙感器的光譜響應(yīng)函數(shù)[4]。

近些年隨著對(duì)微波遙感器響應(yīng)測(cè)量及特征分析的研究深入,已有部分針對(duì)微波遙感真實(shí)光譜響應(yīng)的研究工作開(kāi)展,例如搭載在S-NPP(Suomi-National Polar-orbiting Partnership)衛(wèi)星上的與MWTS-2同類(lèi)型儀器ATMS(Advanced Technology Microwave Sounder)其微波光譜響應(yīng)特征對(duì)微波輻射模擬影響已經(jīng)得到部分分析[5],但針對(duì)風(fēng)云三號(hào)的微波遙感器的光譜響應(yīng)分析的詳細(xì)研究還較為少見(jiàn),筆者針對(duì)大氣完全吸收通道已開(kāi)展部分分析工作[4]。但是,針對(duì)同時(shí)反映地表和大氣吸收作用的混合通道分析工作少見(jiàn)開(kāi)展,真實(shí)光譜響應(yīng)對(duì)微波輻射模擬誤差的海陸分布特征如何等問(wèn)題還缺乏相關(guān)研究。本文以同時(shí)反映地表和大氣輻射特征的FY-3D MWTS-2第四通道為例,對(duì)其光譜響應(yīng)特征在國(guó)產(chǎn)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)中對(duì)微波輻射模擬影響開(kāi)展相關(guān)研究,揭示地表和大氣混合微波輻射通道的真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)中對(duì)微波輻射模擬的影響,并分析這種影響的海陸差異,從而為相關(guān)通道輻射資料的同化工作提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

中國(guó)氣象局全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)(China Meteorological Administration-Global Forecast System,CMA-GFS)是中國(guó)氣象局自主研發(fā)的全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng),其自帶有基于四維變分(4DVar)技術(shù)的同化模塊。本研究采用CMA-GFS作為模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。

CMA-GFS與ECMWF-IFS類(lèi)似,均采用RTTOV作為快速輻射傳輸模擬內(nèi)核。RTTOV模擬誤差大小決定了CMA-GFS同化資料的能力。在RTTOV中采用預(yù)先訓(xùn)練好的光學(xué)厚度擬合系數(shù),結(jié)合大氣實(shí)際狀態(tài)曲線和光學(xué)厚度擬合預(yù)測(cè)函數(shù)集,來(lái)實(shí)現(xiàn)微波輻射的快速模擬。光學(xué)厚度擬合預(yù)測(cè)函數(shù)自RTTOV v7開(kāi)始一直使用固定函數(shù)集,本研究中沿用自RTTOV v7以來(lái)一直使用的擬合預(yù)測(cè)函數(shù)集。預(yù)測(cè)函數(shù)集是一組以大氣狀態(tài)參數(shù)為自變量的函數(shù)組合。

光學(xué)厚度擬合系數(shù)反映了需要模擬的遙感器的光譜響應(yīng)特征,其計(jì)算流程如圖1所示。本研究中,分別用真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)和理想光譜響應(yīng)函數(shù)分別輸入進(jìn)圖1所示的流程中,計(jì)算真實(shí)光譜響應(yīng)的光學(xué)厚度擬合系數(shù)和理想光譜響應(yīng)的光學(xué)厚度擬合系數(shù)。通過(guò)這兩組不同的光學(xué)厚度擬合系數(shù)再輸入進(jìn)CMA-GFS的同化系統(tǒng)中,可以分別計(jì)算得到真實(shí)光譜響應(yīng)和理想光譜響應(yīng)在相同時(shí)空區(qū)間內(nèi)的觀測(cè)背景差(observation minus background,OMB)。OMB通常在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)的同化模塊中,用于對(duì)同化模塊中的快速輻射傳輸模型模擬微波輻射能力的評(píng)估。OMB的絕對(duì)值越大,說(shuō)明快速輻射傳輸模型的模擬值相比衛(wèi)星遙感觀測(cè)值的偏移量越大,模擬精度較差;而當(dāng)OMB的絕對(duì)值越小,則說(shuō)明快速輻射傳輸模型模擬的輻射值越接近于衛(wèi)星觀測(cè)值,則快速輻射傳輸模型的準(zhǔn)確性越高。

圖1 光學(xué)厚度擬合系數(shù)計(jì)算流程Fig.1 Calculation process of optical depth fitting parameters

大氣吸收模型主要采用毫米波傳播模型(millimeter propagation model,MPM)來(lái)計(jì)算大氣中各類(lèi)氣態(tài)分子成分對(duì)微波的吸收作用,大氣廓線集合采用ECMWF的54層大氣廓線訓(xùn)練集,該訓(xùn)練集可有效表征全球各類(lèi)典型的大氣狀態(tài),確保訓(xùn)練獲得的光學(xué)厚度擬合系數(shù)具有全球區(qū)域代表性,能夠適用于各類(lèi)典型的大氣狀態(tài)下微波輻射的快速計(jì)算[6-7]。擬合方法采用最小二乘法對(duì)預(yù)測(cè)函數(shù)值集和典型氣壓層的大氣光學(xué)厚度進(jìn)行擬合,并獲得擬合系數(shù)(圖1)。

在CMA-GFS采用的RTTOV快速微波輻射模擬模塊中,分別使用真實(shí)光譜響應(yīng)和理想光譜響應(yīng)獲得的擬合系數(shù),使用NCEP GFS分析場(chǎng)作為本研究中采用FY-3D MWTS-2的真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)作為輸入,計(jì)算典型氣壓層的光學(xué)厚度值。預(yù)測(cè)函數(shù)采用RTTOV中使用的針對(duì)微波遙感器的預(yù)測(cè)函數(shù)。訓(xùn)練集采用ECMWF的54層訓(xùn)練集。

FY-3D MWTS-2是典型的星載微波溫度探測(cè)儀,其具有13個(gè)探測(cè)通道,工作頻率、工作帶寬、極化方式等如表1所示。

表1 FY3D MWTS-2 通道參數(shù)Table 1 Channel parameters of FY3D MWTS-2

根據(jù)FY-3D MWTS-2各通道權(quán)重函數(shù)模擬,其第4通道所接收到的微波輻射既有大氣層的微波輻射也有地表發(fā)射的微波輻射貢獻(xiàn),本研究以FY-3D MWTS-2第4通道為例,開(kāi)展真實(shí)光譜響應(yīng)對(duì)CMA-GFS中微波輻射模擬影響分析,并分析在海上和陸地上的影響特征。本文所采用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為2019年FY-3D MWTS-2觀測(cè)數(shù)據(jù)。

如圖2所示,為FY-3D MWTS-2第4通道的光譜響應(yīng)函數(shù),紅色實(shí)線為表1中通道參數(shù)所對(duì)應(yīng)的理想光譜響應(yīng),即MWTS-2第4通道設(shè)計(jì)的目標(biāo)狀態(tài)。藍(lán)色實(shí)線為測(cè)量?jī)x器實(shí)測(cè)到的MWTS-2第4通道真實(shí)的光譜響應(yīng)。對(duì)比紅色和藍(lán)色實(shí)線可以發(fā)現(xiàn),真實(shí)光譜響應(yīng)在低頻端具有一定的帶寬溢出,同時(shí)在通帶內(nèi),響應(yīng)并不呈現(xiàn)完全平坦的狀態(tài),在低頻段有一定的衰減,而在接近通帶的高頻端出現(xiàn)迅速衰減。

圖2 FY-3D MWTS-2第4通道理想光譜響應(yīng)(方波響應(yīng))與真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)Fig.2 Ideal spectral response and real spectral response function of the forth channel of FY-3D MWTS-2

2 結(jié)果與討論

利用真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)和理想光譜響應(yīng)函數(shù)分別模擬出的RTTOV快速微波輻射模擬模型,分別嵌入進(jìn)CMA-GFS的四維變分同化系統(tǒng),計(jì)算兩種模擬模型的OMB。

(1)

圖3 FY-3D MWTS-2第4通道理想光譜響應(yīng)微波輻射模擬誤差分析Fig.3 Microwave radiance simulation error analysis of the forth channel of FY-3D MWTS-2 by using ideal spectral response

圖4 FY-3D MWTS-2第4通道真實(shí)光譜響應(yīng)微波輻射模擬誤差分析Fig.4 Microwave radiance simulation error analysis of the forth channel of FY-3D MWTS-2 by using real spectral response

通過(guò)分析真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)模擬得到的OMB與理想光譜響應(yīng)函數(shù)模擬得到的OMB的正態(tài)分布特征可見(jiàn),真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)模擬得到的OMB其正態(tài)分布的數(shù)學(xué)期望和方差相比理想光譜響應(yīng)函數(shù)模擬結(jié)果更小,顯示真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)的應(yīng)用可以有效降低模擬輻射亮溫與真實(shí)值之間的差距(如圖5所示)。通過(guò)分析兩種光譜響應(yīng)情況下,模擬得到的OMB值隨緯度變化特征可見(jiàn),除了在南半球靠近極地的極少部分地區(qū)外,真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)模擬OMB結(jié)果均小于理想光譜響應(yīng)函數(shù)模擬結(jié)果(見(jiàn)圖6),幾乎所有的真實(shí)光譜響應(yīng)與理想光譜響應(yīng)模擬OMB差都小于0,樣本點(diǎn)絕大多數(shù)分布于零值虛線的下方。

圖5 FY-3D MWTS-2第4通道理想光譜響應(yīng)(方波響應(yīng))與真實(shí)光譜響應(yīng)模擬OMB正態(tài)分布擬合Fig.5 Normal distribution fitting of OMB by ideal and real spectral responses of the forth channel of FY-3D MWTS-2

圖6 FY-3D MWTS-2第4通道真實(shí)光譜響應(yīng)與理想光譜響應(yīng)(方波響應(yīng))模擬微波輻射OMB差緯向分布特征Fig.6 Latitudinal distribution of microwave radiance OMB of the forth channel of FY-3D MWTS-2 by ideal and real spectral response

由于FY3D MWTS第四通道同時(shí)反映大氣和地表輻射的特征,因此,針對(duì)樣本點(diǎn)模擬得到的真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)模擬得到的OMB與理想光譜響應(yīng)函數(shù)模擬得到的OMB,按照全球(表2)、海洋(表3)、陸地(表4)及海陸交界地區(qū)(表5)等不同地表情況分類(lèi),統(tǒng)計(jì)分析不同海陸類(lèi)型下OMB分布的均方根誤差(root mean square error,RMSE)[式(2)]、標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation,STDV)[式(3)]、平均絕對(duì)誤差(mean absolute error,MAE)[式(4)]。定義如式(2)—式(4)所示

表2 全球真實(shí)光譜響應(yīng)影響OMB統(tǒng)計(jì)Table 2 Global statistical characteristics of OMB by ideal and real spectral responses

表3 陸地地區(qū)真實(shí)光譜響應(yīng)影響OMB統(tǒng)計(jì)Table 3 Terrestrial region statistical characteristics of OMB by ideal and real spectral responses

表4 海洋地區(qū)真實(shí)光譜響應(yīng)影響OMB統(tǒng)計(jì)Table 4 Oceanic region statistical characteristics of OMB by ideal and real spectral responses

表5 海陸交界地區(qū)真實(shí)光譜響應(yīng)影響OMB統(tǒng)計(jì)Table 5 Land-sea border region statistical characteristics of OMB by ideal and real spectral responses

(2)

(3)

(4)

其中N為總樣本數(shù)量,其余定義同式(1)。

針對(duì)全球總體而言,采用真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)模擬得到的OMB相對(duì)于理想光譜響應(yīng),無(wú)論是RMSE、STDV還是MAE均有所改善,其中RMSE減小約2.17%,MAE減小約4.6%,STDV減小約0.75%,可見(jiàn)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)中采用真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)代替理想光譜響應(yīng)函數(shù)來(lái)計(jì)算微波光學(xué)厚度擬合系數(shù),可以改善快速微波輻射傳輸模型對(duì)輻射亮溫的模擬能力。

在陸地地區(qū),采用真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)來(lái)計(jì)算快速微波輻射傳輸模型的觀測(cè)算子后,RMSE誤差減小約1.80%,STDV減小約0.95%,MAE減小約1.91%;在海洋地區(qū),采用真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)來(lái)計(jì)算快速微波輻射傳輸模型的觀測(cè)算子后,RMSE誤差減小約2.6%,STDV減小約0.54%,MAE減小約3.64%;在海陸交界地區(qū),采用真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)來(lái)計(jì)算快速微波輻射傳輸模型的觀測(cè)算子后,RMSE誤差減小約4.72%,STDV減小約0.79%,MAE減小約6.25%?？梢?jiàn),采用真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)后對(duì)海陸交界地區(qū)的微波輻射模擬誤差改善效果最為明顯,海洋地區(qū)其次,陸地地區(qū)最小,但總體均有改善效果。

3 結(jié) 論

真實(shí)光譜響應(yīng)作為微波遙感器的重要探測(cè)特征,相比于傳統(tǒng)的中心頻率和工作帶寬等理想描述參數(shù),更能反映微波遙感器在整個(gè)響應(yīng)通帶上的連續(xù)探測(cè)性能。在國(guó)產(chǎn)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)中,真實(shí)光譜響應(yīng)尚未被業(yè)務(wù)應(yīng)用,相關(guān)研究也較少。筆者通過(guò)在中國(guó)氣象局自主研發(fā)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)CMA-GFS中,采用國(guó)產(chǎn)FY-3D MWTS-2真實(shí)光譜響應(yīng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的理想光譜響應(yīng),計(jì)算新的代表微波遙感器探測(cè)特征的微波光學(xué)后續(xù)擬合系數(shù),經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在CMA-GFS中,基于真實(shí)光譜響應(yīng)的快速微波輻射模擬模塊對(duì)于全球微波輻射的模擬能力有明顯提升,其中在海陸交界地區(qū)提升最明顯,海洋地區(qū)次之。研究結(jié)果顯示真實(shí)光譜響應(yīng)函數(shù)可改善數(shù)值天氣預(yù)報(bào)初始場(chǎng)精度。未來(lái)在CMA-GFS中采用真實(shí)光譜響應(yīng)對(duì)預(yù)報(bào)能力改善的試驗(yàn)工作有待進(jìn)一步開(kāi)展。