典型光譜吸收模型對靜止軌道毫米波輻射分析

陳 昊， 王 皓， 韓 威， 谷松巖， 張 鵬， 康志明

1. 江蘇省氣象臺， 江蘇 南京 210008 2. 中國氣象局交通氣象重點開放實驗室， 江蘇 南京 210008 3. 中國氣象局數(shù)值預(yù)報中心， 北京 100081 4. 國家衛(wèi)星氣象中心， 北京 100081

引 言

星載毫米波遙感作為重要的對地觀測手段， 其在自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、 全球數(shù)值天氣預(yù)報等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1]。 相比可見光、 紅外遙感， 毫米波遙感具有全天候全天時工作等優(yōu)勢， 其在云雨天氣條件下， 可穿透云雨層， 探測大氣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。 但其同時也有空間分辨率較差、 光譜通道較少、 光譜分辨率偏低等缺點。 目前毫米波遙感器只部署在極地軌道衛(wèi)星上， 靜止軌道衛(wèi)星尚未有毫米波遙感器搭載[2]。 相比靜止軌道衛(wèi)星， 極地軌道衛(wèi)星的重返周期要長很多。 極軌衛(wèi)星一天兩次的過境觀測頻率不能滿足對于需要高重復(fù)周期監(jiān)測的目標及自然災(zāi)害等觀測需求。

目前， 國內(nèi)外極地軌道衛(wèi)星上已大量搭載毫米波遙感器[2-3]。 我國自主發(fā)展的長觀測序列毫米波遙感器， 主要從風云三號極軌氣象衛(wèi)星開始。 在風云三號A星(FY3A， FengYun3A)和FY3B上搭載有我國第一代業(yè)務(wù)化的毫米波輻射探測器MWHS， 其工作頻率設(shè)置在183.31 GHz的水汽吸收通道， 用于探測全球大氣水汽的分布信息。 同時我國也已規(guī)劃在后續(xù)風云靜止軌道衛(wèi)星上部署靜止軌道毫米波遙感器[4]。 由于其軌道高度較高， 因此， 在傳統(tǒng)極地軌道衛(wèi)星所選毫米波探測通道基礎(chǔ)上， 靜止軌道毫米波探測擬加入更高頻段的探測通道， 通過縮短遙感器工作波長， 改善遙感器空間分辨率。 目前擬選擇425 GHz的氧氣吸收通道， 主要用于大氣中溫度信息的探測。 相關(guān)研制單位已開展地面樣機試制工作， 試制樣機同時包含183和424 GHz系列毫米波通道[5]。

毫米波輻射傳輸建模是對毫米波遙感觀測資料開展相關(guān)科學研究的基礎(chǔ)。 目前， 毫米波輻射傳輸模型主要有多層毫米波輻射傳輸模型和快速毫米波輻射傳輸模型兩大類。 前者用于分析計算， 后者通常用于數(shù)值天氣預(yù)報模式等應(yīng)用。 兩類毫米波輻射傳輸模型中， 均使用毫米波大氣吸收模型來計算毫米波輻射傳輸模型中晴空大氣對毫米波的吸收及晴空大氣自身毫米波發(fā)射[6]。 因此， 毫米波大氣吸收模型的精確性對毫米波輻射傳輸模型的精度具有決定性作用。 毫米波大氣吸收模型傳統(tǒng)上以逐線吸收模型為主， 常見的主要有MPM模型[7]、 ROS模型[8]、 HITRAN模型[9]等。 逐線吸收模型均基于吸收線庫進行模擬計算。

目前由于靜止軌道毫米波遙感仍在前期探索中， 對靜止軌道所可能使用的毫米波頻段探測通道性能的具體分析較少， 對幾種常見逐線吸收模型的模擬性能分析比較也較少。 本文利用MPM， ROS和HITRAN三種逐線大氣吸收模型， 分析不同吸收模型在擬新增的靜止軌道424 GHz工作頻段處， 大氣吸收模擬特性的差異。 同時， 還利用三種模型對海陸交界地區(qū)的183.31 GHz毫米波輻射模擬性能進行分析。

1 實驗部分

根據(jù)靜止軌道毫米波地面樣機試制所選用的183.31和424 GHz通道， 本研究擬分別對183.31和424 GHz通道毫米波輻射特征進行分析。

針對424 GHz通道， 由于目前沒有相近通道的在軌實際觀測進行數(shù)據(jù)驗證， 因而本研究對424 GHz通道在不同溫度、 氣壓、 濕度條件下的毫米波大氣吸收特征進行分析比較。

針對183.31 GHz通道， 由于FY3B/MWHS上搭載有類似觀測通道， 且其在軌運行時間較長， 積累較多觀測數(shù)據(jù)， 因而選擇其183.31 GHz所在三通道(通道參數(shù)如表1所示)數(shù)據(jù)， 驗證逐線毫米波大氣吸收模型對毫米波輻射模擬的影響。 (衛(wèi)星數(shù)據(jù)來源為中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心數(shù)據(jù)下載網(wǎng)站)

表1 FY3B MWHS通道參數(shù)

183.31 GHz驗證工作需要FY3B衛(wèi)星觀測同時， 地面也有探空儀進行大氣參數(shù)觀測， 利用此大氣參數(shù)輸入進毫米波輻射傳輸模型， 模擬得到毫米波輻射值， 該值與衛(wèi)星觀測差異可反映模擬模型的性能。

海陸交界地區(qū)同時兼具陸地和海洋氣候特征， 其大氣波導(dǎo)特征參數(shù)， 具有一定的代表性。 上海探空站具有下午14點加密觀測能力， FY3B衛(wèi)星的過境時間通常為當?shù)貢r間13:30—14:30， 因而選擇上海探空站觀測可有較多的加密觀測資料與FY3B衛(wèi)星觀測形成時空匹配。 (探空觀測數(shù)據(jù)來源為中國氣象局大氣探測中心數(shù)據(jù)下載網(wǎng)站)

2 424 GHz毫米波大氣吸收模擬分析

毫米波逐線大氣吸收模型用于模擬大氣中各氣態(tài)分子對毫米波輻射的吸收作用。 通過對大氣中各主要氣態(tài)成分分子對毫米波的共振與非共振吸收計算， 綜合得到整個大氣對毫米波輻射的吸收作用。

對于一束頻率為f平面波在大氣中傳播了距離z后， 其電場相位和幅度的綜合響應(yīng)可由式(1)表示

(1)

其中，E(0)為初始電場，k=2πf/c為自由空間中的電磁波傳播波數(shù)，c為電磁波在真空中的傳播速度。 大氣媒質(zhì)的光譜特性由復(fù)折射率式(2)表示

N=N0+N′+iN″

(2)

式(2)中，N0是一個與工作頻率無關(guān)的分量，N′與N″均與電磁波的工作頻率有關(guān)的分量， 前者表示電磁波的傳播延時性質(zhì)， 后者為N的虛部， 表示了其對于電磁波能量的吸收特性。 大氣吸收系數(shù)由式(3)可計算

α=0.182 0fN″

(3)

大氣中的干空氣折射率由式(4)計算得到，

(4)

其中，k為氧氣吸收譜線數(shù)量，Nd為非色散分量，Nn為非共振分量， 式(4)右端中間累加項為依據(jù)微波光譜吸收線庫所計算得到的干空氣共振折射分量。 其中Sk為氧氣譜線強度，F(xiàn)k為氧氣譜線線型函數(shù)。 大氣中水汽引起的復(fù)折射率可由式(5)計算，

(5)

其中，t為水汽吸收譜線數(shù)量，Nv為非色散分量，Nc為水汽貢獻非共振分量， 式(5)右端中間累加項為依據(jù)微波光譜吸收線庫所計算得到的水汽共振折射分量。 其中，St為水汽譜線強度，F(xiàn)t為水汽譜線線型函數(shù)。

對于不同逐線吸收模型， 在選擇吸收線型庫， 計算共振折射分量時不同， 最終計算出的大氣波導(dǎo)中毫米波的吸收效應(yīng)也不同。

MPM模型選用44線的氧氣吸收線庫， 和35線的水汽吸收線庫， ROS模型選用45線的氧氣吸收線庫和15線的水汽吸收線庫， HITRAN模型則分別選擇氧氣和水汽吸收線庫中吸收線強度前50位的吸收線組成吸收線庫， 進行大氣吸收系數(shù)計算。 (具體計算過程見參考文獻[7])

影響毫米波大氣輻射特征的主要因素有大氣溫度、 大氣壓強、 大氣濕度， 通過固定其中兩個參數(shù)， 分析毫米波大氣吸收系數(shù)隨另一參數(shù)的變化而變化。

2.1 毫米波大氣吸收的溫度敏感性分析

三種逐線吸收模型對大氣溫度的敏感性通過固定其他大氣參數(shù)， 模擬大氣吸收系數(shù)隨大氣溫度變化而得到。 設(shè)置模擬工作頻率為424 GHz， 大氣壓強設(shè)定為1 013.25 hPa， 大氣濕度設(shè)定為0 g·m-3， 假設(shè)大氣物理溫度由200 K逐漸增大至310 K。 針對毫米波探測通道， 三種逐線吸收模型模擬出的大氣吸收系數(shù)隨大氣溫度變化如圖1所示。 對于424 GHz通道， MPM與ROS模型較為接近， HITRAN模型在溫度較低(即海拔高度較高)時， 明顯偏低， 隨著大氣溫度增大， HITRAN模型模擬值接近MPM模型， 而ROS模型值略高于其他兩種模型。

圖1 大氣溫度對424 GHz通道大氣吸收系數(shù)模擬影響

2.2 毫米波大氣吸收的氣壓敏感性分析

三種逐線吸收模型對大氣壓強的敏感性通過固定其他大氣參數(shù)， 模擬大氣吸收系數(shù)隨大氣壓強變化而得到。 假設(shè)模擬工作頻率為424 GHz， 大氣物理溫度設(shè)定為273.15 K， 大氣濕度設(shè)定為0 g·m-3， 假設(shè)大氣壓強由1 hPa逐漸增大至1 050 hPa。 針對毫米波探測通道， 三種逐線吸收模型計算出的大氣吸收系數(shù)隨氣壓變化如圖2所示。 對于424 GHz通道， MPM與ROS模型在氣壓較低時模擬結(jié)果較為接近， 隨著氣壓增大二者差異增大， MPM模型逐漸小于ROS模型， HITRAN模型在整個模擬的氣壓范圍內(nèi)均明顯低于另兩種模型， 隨著氣壓增大， 其模擬結(jié)果接近MPM模型。

圖2 大氣壓強對424 GHz通道大氣吸收系數(shù)模擬影響

2.3 毫米波大氣吸收的濕度敏感性分析

三種逐線吸收模型對大氣濕度的敏感性通過固定其他大氣參數(shù)， 模擬大氣吸收系數(shù)隨大氣濕度變化而得到。 假設(shè)模擬工作頻率為424 GHz， 大氣物理溫度設(shè)定為273.15 K， 大氣壓強設(shè)定為1 013.15 hPa， 假設(shè)大氣濕度由0 g·m-3逐漸增大至1 g·m-3。 針對毫米波探測通道， 三種逐線吸收模型模擬出的大氣吸收系數(shù)隨大氣濕度變換如圖3所示。 對于424 GHz通道， 三種模型在濕度較低時， 差異明顯， ROS模型模擬值最大， MPM模型次之， HITRAN模型最小， 隨著大氣濕度增大， MPM模型與ROS模型間的差異減小， 兩者模擬結(jié)果趨于一致， 而HITRAN模型隨著濕度增大， 與另兩種模型間的差異逐漸增大， 模擬值明顯低于MPM模型與ROS模型。

圖3 大氣濕度對424 GHz通道大氣吸收系數(shù)模擬影響

綜上三種情況分析， 在424 GHz頻段， MPM模型與ROS模型計算的毫米波大氣吸收系數(shù)隨大氣溫度、 大氣壓強和大氣濕度的變化特征更相似， 而HITRAN模型的數(shù)值則普遍小于MPM及ROS模型， 但三個模型隨大氣溫度、 大氣壓強和大氣濕度變化的趨勢則相同。

3 183.31 GHz毫米波輻射模擬分析

3.1 毫米波輻射傳輸模型

毫米波輻射傳輸模型主要分為基于物理積分計算的多層毫米波輻射傳輸模型， 和基于先驗?zāi)M的快速毫米波輻射傳輸模型。 模擬靜止軌道衛(wèi)星接收到的毫米波輻射主要采用基于逐線大氣吸收模型的多層毫米輻射傳輸模型， 通過對每一氣壓層的毫米波輻射和吸收作用進行逐層積分， 最終得到整個大氣層的毫米波輻射， 由于大氣吸收頻段地面貢獻較小， 因此忽略電磁波極化影響。 其計算公式如式(6)所示，

(6)

其中，Ta(z)為高度z處的大氣溫度，TC為冷空背景的輻射貢獻，r為地表毫米波反射率，Ts為地表溫度，τ為大氣不透明度， 由式(7)計算得到

(7)

其中，γ(h)為高度h處的大氣吸收系數(shù)， 通過逐線大氣吸收模型結(jié)合相關(guān)大氣波導(dǎo)參數(shù)計算得到。

3.2 多逐線吸收模型毫米波輻射模擬分析

由于尚未有靜止軌道在軌運行的毫米波遙感儀器， 因此采用FY3B/MWHS中183.31 GHz所在第三、 四和五毫米波觀測通道數(shù)據(jù)與相應(yīng)的模擬值進行對比分析。

毫米波輻射模擬采用式(6)所示毫米波輻射傳輸模型， 該模型輸入大氣波導(dǎo)廓線參數(shù)采用上海站無線電高空探測儀觀測資料。 為與衛(wèi)星資料相匹配， 選用與FY3B衛(wèi)星過境上海時間前后0.5 h內(nèi)的探空觀測數(shù)據(jù)， 時間檢索年份為2011年—2017年。

計算時將式(1)中的多層微波輻射傳輸模型按每層1 hPa進行分層， 將探空數(shù)據(jù)線性插值至1 hPa垂直空間分辨率， 分別采用三種逐線吸收模型計算各氣壓層的大氣吸收系數(shù)， 最終可通過式(1)積分得到模擬的毫米波輻射值。

將毫米波輻射模擬值與衛(wèi)星觀測值進行對比， 可分析三種不同逐線吸收模型的不同特征。 如圖4—圖6所示， 分別為FY3B/MWHS第三、 四和五通道的衛(wèi)星觀測值與模擬值對比， 圖中黑色斜線為模擬無偏差時的對角線。 總體上看， MPM模擬效果最好， 偏差最小； ROS模型次之， HITRAN模型偏差最大。

圖4 FY3B/MWHS第三通道毫米波輻射觀測與模擬值對比

圖5 FY3B/MWHS第四通道毫米波輻射觀測與模擬值對比

圖6 FY3B/MWHS第五通道毫米波輻射觀測與模擬值對比

為定量分析不同逐線吸收模型的毫米波輻射模擬性能， 采用均方根誤差(root mean square error, RMSE)方法分析。 RMSE定義如式(8)，

(8)

通過表2分析可見， 相同的毫米波大氣吸收模型， 模擬不同的FY3B/MWHS通道， 均呈現(xiàn)出第三通道模擬的RMSE最大， 第四通道次之， 第五通道最小， MPM模型、 ROS模型和HITRAN模型均符合這一規(guī)律。 對同一通道而言， 采用不同毫米波大氣吸收模型模擬時， 其中MPM模型RMSE最小， ROS模型次之， HITRAN模型模擬誤差最大。

表2 不同大氣吸收模型對MWHS三通道模擬的RMSE

4 結(jié) 論

靜止軌道毫米波觀測是未來對地觀測發(fā)展的重要方向。 筆者引入三種逐線吸收模型， 評估未來擬在靜止軌道應(yīng)用的424 GHz毫米波探測通道對大氣溫度、 濕度、 氣壓的敏感性， 并分析不同逐線吸收模型的變化特征。 同時， 引入多層毫米波輻射傳輸模型， 結(jié)合FY3B/MWHS真實觀測， 評估在多層輻射傳輸模型中， 三種逐線吸收模型模擬毫米波輻射的性能。 MPM模型的模擬效果最優(yōu)， 對FY3B/MWHS的三個毫米波通道均為如此， HITRAN模型的模擬誤差最大， 顯示MPM模型采用的光譜吸收線庫及計算精度最高。 需要指出的是， 183.31 GHz通道為水汽吸收通道， 前述模擬分析結(jié)果更多顯示的是水汽吸收的毫米波通道特征。 同時， 上海地區(qū)水汽含量中等， 對于高濕區(qū)或干旱區(qū)的情況有待進一步討論， 且探空觀測的大氣垂直信息本身及進行的插值運算也帶入誤差。 另外， 對于毫米波氧氣吸收通道的特征分析還有待于后續(xù)進一步開展。