CN108827878B - 一种地表气压的被动微波遥感探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地表气压的被动微波遥感探测方法，所述方法包括：步骤1)确定探测频率，通过被动微波探测器获取所述探测频率的辐射亮温观测值；步骤2)根据地表气压与均匀混合气体气柱总量的关系建立反演算法，基于步骤1)的辐射亮温观测值反演得到地表气压值。本发明的方法能够连续的获取全球地表气压场信息。本发明采用被动微波探测器进行地表气压的遥感探测，能够实现全天时持续工作，受云雨影响小，且在高风速情形下也可以稳定工作。

Description

一种地表气压的被动微波遥感探测方法

技术领域

本发明涉及微波遥感领域，具体而言，涉及一种地表气压的被动微波遥感探测方法。

背景技术

地表气压是指单位面积上所受大气柱的重量，是一个非常重要的气象要素。短时间内的气压变化与冷暖空气的活动密切相关，因此，气压信息在数值天气预报中是必不可少的。气压的季节性以及年际变化，是研究全球气候变化的重要依据。另外，地表气压在热带气旋分析中起关键作用。热带气旋中心气压值是判断热带气旋强度的依据，而热带气旋半径的确定也依赖于热带气旋区域气压的空间分布特征。然而，目前还没有有效的手段实现地表气压的遥感观测。目前，陆地表面气压信息主要来源于气象台站观测。海面气压数据的获取目前仍然依赖于浮标观测、飞机下投探空仪进行观测以及船舶观测。这些观测手段的空间分布非常稀疏，无法提供高分辨率的地表气压信息。因此，实现地表气压的星载遥感观测是非常必要的。

目前提出的地表气压遥感探测手段包括机载差分吸收雷达、光栅光谱仪、GPS掩星探测和散射计。相关技术中，差分吸收雷达使用50-55GHz氧气吸收带两个接近的频率进行探测，从两个频率接收功率比值中获取地表气压信息。光栅光谱仪对氧气A波段两个不同频点的被表面反射后的太阳辐射进行观测，来获取地表气压信息。差分吸收雷达和光栅光谱仪均是通过对地球大气中氧气的垂直柱总吸收的测量来达到地表气压探测的目的。GPS掩星探测是从观测的掩星反射率资料中反演得到地表气压信息。散射计则首先通过对表面后向散射系数的测量得到表面风场，然后利用边界层模型，推导得出地表气压梯度场。

但是，目前提出的地表气压探测手段均无法实现地表气压的连续和高分辨率观测。例如，工作于50-55GHz氧气吸收带的差分吸收雷达，其探测频率与微波辐射计一致，为了避免对辐射计辐射测量的污染，该仪器只能搭载于飞机进行区域性的观测，无法提供全球的连续的地表气压信息；光栅光谱仪不能在云雨天以及夜间工作；GPS掩星探测获取的地表气压场分辨率为几百公里，难以满足数值天气预报和热带气旋分析等应用的需求；散射计由于高风速下后向散射系数饱和的原因，风速反演精度不高，所以只能提供低风速时的气压梯度分布，且需要浮标观测作为边界值生成绝对的气压场，在浮标观测分布非常稀疏的区域，例如南半球以及热带区域，绝对气压场难以生成。

发明内容

本发明的目的在于克服目前无法连续和高分辨率观测地表气压的缺陷，提供了一种地表气压的被动微波遥感探测方法。由于被动微波探测器可以全天时对地表进行高分辨率观测，受云雨影响小，且在高风速情形下也可以稳定工作，因此，本发明的方法可以实现对地表气压的连续高分辨率观测。

为了实现上述目的，本发明一种地表气压的被动微波遥感探测方法，所述方法包括：

步骤1)确定探测频率，通过被动微波探测器获取所述探测频率的辐射亮温观测值；

步骤2)根据地表气压与均匀混合气体气柱总量的关系建立反演算法，基于步骤1)的辐射亮温观测值反演得到地表气压值。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)的被动微波探测器为星载微波探测器或机动微波探测器。

作为上述方法的一种改进，在步骤1)中所述确定探测频率具体包括：

步骤a)主探测频段为：地表气压敏感频段位于氧气吸收带；

步骤b)附加探测频段为：温度廓线探测频段、湿度廓线探测频段和表面温湿度探测频段；

步骤c)通过敏感度和相关度分析，在步骤a)和步骤b)选定的敏感探测频段中，选择出最佳的探测频率组合作为探测频率。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)的通过被动微波探测器获取所需探测频率的辐射亮温观测值具体包括：

步骤1-1)通过系统定标和天线方向图，将被动探测器接收到的电信号转换成大气辐射的亮度温度；

对于无散射平面平行大气，位于大气层顶的被动微波探测器观测到的辐射亮温T_B表示为：

T_B＝T_UP(F,θ)+T_SKY(F,θ)Γγ(0,∞)+T_SEγ(0,∞)

其中，T_UP(f,θ)为大气上行辐射，T_SKY(f,θ)为大气下行辐射，Γ为表面反射率，γ(0,∞)为大气单程透过率；

步骤1-2)通过空间平均使所有通道辐射亮温观测值的空间分辨率一致。

作为上述方法的一种改进，其特征在于，如果探测区域为陆地，所述步骤1-2)之后还包括：

步骤1-3)根据表面粗糙度信息，得到表面后向散射系数信息；然后根据辐射亮温方程，将获取的辐射亮温值订正为后向散射系数一致时的辐射亮温值。

作为上述方法的一种改进，如果利用交轨扫描的星载被动微波探测器进行探测，所述步骤1-2)之后还包括：

步骤1-4)根据辐射传输方程，将不同天顶角的辐射亮温观测值订正为天顶角为0°时的辐射亮温观测值。

作为上述方法的一种改进，如果使用星载被动微波探测器进行地表气压探测，则在微波波段，所述步骤1-1)的大气单程透过率γ(0,∞)具有如下形式：

γ(0,∞)＝exp(-α_oO-A_L-A_V)secθ

其中，A_L、A_V分别为氧气、液水、水汽的垂直积分吸收量，α₀为氧气的质量吸收系数，θ为天顶入射角，O为氧气的垂直柱质量；

M_O为氧气在大气中的混合比，P₀为地表气压；γ(0,∞)进一步表示为：

如果使用机载被动微波探测器进行地表气压探侧，在微波波段，所述步骤1-1)的大气单程透过率γ(0,∞)具有如下形式：

其中，α₀为氧气的质量吸收系数，M_O为氧气在大气中的混合比，p(s)为距离地表高度为s处的气压，T(s)为距离地表高度为s处的温度，R是气体常数。

作为上述方法的一种改进，如果采用统计反演算法，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)获取作为真值的地表气压数据，然后将地表气压数据和辐射亮温观测值进行时空匹配，得到辐射亮温观测值和地表气压值的匹配数据集；

步骤2-2)随机选取部分数据作为训练集A，其余数据作为测试集B；利用训练集A得到自变量辐射亮温观测值和因变量地表气压的反演函数；

步骤2-3)使用测试集B对建立的反演函数进行测试，评估反演函数的性能，获取最优的反演函数；

步骤2-4)将步骤1)获取的实时辐射亮温观测值输入最优的反演函数，得到地表气压。

作为上述方法的一种改进，如果采用物理反演算法，所述步骤2)具体包括：

步骤201)建立前向辐射传输模型：对辐射亮温观测值进行扫描偏差订正和气团偏差订正，减少辐射亮温观测值和模拟值的偏差；

步骤202)调整大气参数，并利用前向模型计算对应的辐射亮温观测值，寻找在给定时间段内实际观测的大气参数解，该大气参数解中包含了地表气压、温度廓线、湿度廓线和表面温湿度。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)之后还包括：

步骤3)当将地表气压用于热带气旋分析，判断反演生成的地表气压场中是否有异常低压区域，并形成了闭合气压曲线，如果有则标定该区域范围，并根据最低气压值确定热带气旋中心位置；

步骤4)根据反演得到的二维气压场，结合辐射亮温观测值中包含的温度廓线信息，通过静力平衡近似，得到三维气压场分布，即

其中，P表示在高度z处大气的压强，P_S指的是地表气压，M表示气体分子量，R表示气体摩尔常量，T表示大气温度，z表示距离地面的垂直高度，g是指重力加速度。

本发明的优点在于：

1、本发明的方法能够连续的获取全球地表气压场信息。本发明采用被动微波探测器进行地表气压的遥感探测，能够实现全天时持续工作，受云雨影响小，且在高风速情形下也可以稳定工作。

2、本发明的方法能够获取高分辨率、宽刈幅覆盖的地表气压场信息。本发明根据被动微波探测器获取的辐射亮温观测值反演得到地表气压值，由于被动微波探测器空间分辨率高、可实现大范围观测，如我国风云三号搭载的微波辐射计，其辐射亮温产品空间分辨率约为20km、刈幅宽度达到1000km以上，因此反演的地表气压场分辨率高、且可实现对天气系统的完整覆盖，这对于热带气旋等中小尺度天气系统的分析非常有利；

3、本发明的方法能够快速获取大范围、高分辨率地表气压场，且能实现云雨以及热带气旋天气条件下地表气压的探测，克服了目前提出的地表气压探测方案无法进行地表气压连续高分辨率观测的缺陷。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的一种地表气压的被动微波遥感探测方法的流程图；

图2是本发明实施例所提供的地表气压的被动微波探测方法中，统计反演算法建立的具体流程图；

图3是本发明实施例所提供的地表气压的被动微波探测方法中，物理反演算法建立的具体流程图。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中附图，分星载探测和机载探测两种方案对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，作进一步的详细说明。

针对现有地表气压遥感探测手段的缺乏，以及提出的探测方案无法实现地表气压的连续高分辨率观测，本发明实施例提供了一种地表气压的被动微波遥感探测方法，能够实现地表气压的连续高分辨率探测。

结合图1，本发明实施例的一种地表气压的被动微波遥感探测方法可具体描述为：

步骤101：根据地表气压与均匀混合气体气柱总量的关系进行地表气压探测。

利用被动微波探测器测量氧气的垂直柱总吸收/辐射，获取氧气的垂直柱总量信息。由于地表气压与均匀混合气体气柱总量成正比，因此被动微波探测器可以实现地表气压探测。

对于无散射平面平行大气，位于大气层顶的星载或者机载被动微波探测器观测到的辐射亮温T_B可以表示为：

T_B＝T_UP(F,θ)+T_SKY(F,θ)Γγ(0,∞)+T_SEγ(0,∞)

其中，T_UP(f,θ)为大气上行辐射，T_SKY(f,θ)为大气下行辐射，Γ为表面反射率，γ(0,∞)为大气单程透过率。

如果使用星载被动微波探测器进行地表气压探测，则在微波波段，γ(0,∞)具有如下形式：

γ(0,∞)＝exp(-α_oO-A_L-A_V)secθ

其中，A_L、A_V分别为氧气、液水、水汽的垂直积分吸收量，α₀为氧气的质量吸收系数，θ为天顶入射角，O为氧气的垂直柱质量。由于氧气在大气中是均匀混合的，因此，

M_O为氧气在大气中的混合比，P₀为地表气压。因此，Υ(0,∞)可以进一步表示为：

因此，可以由星载被动微波探测器获取的辐射亮温观测值反演得到表面气压信息。

如果使用机载被动微波探测器进行地表气压探侧，则在微波波段，Υ(0,∞)具有如下形式：

其中，α₀为氧气的质量吸收系数，M_o为氧气在大气中的混合比，p(s)为距离地表高度为s处的气压，T(s)为距离地表高度为s处的温度，R是气体常数。因此，也可以由机载被动微波探测器获取的辐射亮温观测值反演得到表面气压信息。

步骤102：基于步骤101得到的地表气压探测原理，选择地表气压敏感频段及其它影响因素敏感频段。

该步骤进一步包括如下处理方法：

(a)根据步骤101得到的探测原理，地表气压敏感频段位于氧气吸收带(50-70GHZ)。在氧气吸收带，水汽和液水的吸收相对于氧气吸收非常小，使得亮温信息中包含的气压信息最为显著，因此适合于地表气压测量。

(b)另外，氧气吸收带的辐射亮温观测值也受到水汽吸收、液水吸收、温度廓线分布、表面温湿度分布等的影响。为了估计出这些影响因素对辐射亮温观测值的贡献，需要在原有氧气吸收带探测频率基础上，增加温度廓线探测频段、湿度廓线探测频段、表面温湿度探测频段等。采用多频段联合探测的方式，从多个探测频率的亮温观测信息反演得到地表气压信息。

(c)通过敏感度和相关度分析，在步骤(a)和步骤(b)选定的敏感频段中，选择出最佳的探测频率组合，实现地表气压的高精度探测。

步骤103：根据应用需求以及步骤101得到的探测原理，确定被动微波探测器的地表气压探测方案。

如果需要对全球表面气压场进行连续观测，则应进行星载遥感探测。如果需要对特定区域，如台风区域，进行高分辨率的探测，则应使用机载被动微波探测器进行探测。

如果通过星载被动微波探测器实现表面气压探测，则该步骤进一步包括如下处理方法：

(aa)根据步骤101得到的探测原理，所需星载被动微波探测器应采用下视探测方式，在大气层顶获取辐射亮温观测值，进而反演得到地表气压信息。

(bb)根据气压产品的空间分辨率以及时间分辨率的需求，确定星载被动微波探测器的扫描方式为圆锥扫描体制还是交轨扫描体制。

圆锥扫描体制微波辐射计，使用一个入射角进行观测，其轨道高度与交轨扫描辐射计相比一般较低，空间分辨率则较高。交轨扫描辐射计，如FY-3号卫星搭载的微波温度计，其在垂直于轨道方向进行扫描，采用多个入射角对地表目标进行观测。

(cc)根据气压产品的应用需求，确定所需星载被动微波探测器的空间分辨率、刈幅宽度、天顶入射角、轨道高度以及重复周期。

(dd)进行星载被动微波探测器的系统设计，确定各项系统参数，如天线口径、空间分辨率、极化方式、辐射灵敏度、卫星轨道高度、卫星运行速度、射频带宽、刈幅宽度和天顶入射角等。

如果通过机载被动微波探测器实现表面气压探测，则该步骤进一步包括如下处理方法：

(AA)根据步骤101得到的探测原理，所需机载被动微波探测器应采用下视探测方式，在距离地表固定高度处获取辐射亮温观测值，进而反演得到地表气压信息。

机载被动微波探测器一般以0°的入射角对地表目标进行天底探测。由于机载被动微波探测器观测的辐射亮温观测值受高度变化的影响，因此，应尽量保持飞机飞行高度不变。

(BB)根据气压产品的空间分辨率以及时间分辨率的需求，确定搭载被动微波探测器的飞机的飞行速度和飞行高度。

(CC)进行机载被动微波探测器的系统设计，确定各项系统参数，如天线口径、天线足印大小、辐射灵敏度、射频带宽等。

步骤104：通过被动微波探测器获取所需探测频率的辐射亮温观测值，并对辐射亮温观测值进行传播订正和表面粗糙度订正。

该步骤进一步包括如下处理方法：

(aaa)通过系统定标，并结合天线方向图，将被动探测器接收到的电信号转换成大气辐射的亮度温度。

(bbb)通过空间平均，提升低频通道的空间分辨率，使所有通道辐射亮温观测值的空间分辨率一致。

(ccc)如果探测区域为陆地，则根据表面粗糙度信息，得到表面后向散射系数信息。然后根据辐射亮温方程，将获取的辐射亮温值订正为后向散射系数一致时的辐射亮温值。

(ddd)如果利用交轨扫描的星载被动微波探测器实现表面气压探测，则由于辐射传输路径长度不同需要进行大气传播订正。根据辐射传输方程，将不同天顶角的辐射亮温观测值，订正为天顶角为0°时的辐射亮温观测值。

步骤105：建立反演算法，由步骤104得到的辐射亮温观测值反演得到地表气压值。

该步骤进一步包括如下处理方法：

为了从辐射亮温观测值得到地表气压信息，建立统计反演算法或者物理反演算法。

如图2所示，统计反演算法建立的过程如下：

(aaaa)将步骤104得到的辐射亮温观测值进行分类，对陆地观测和海洋观测分别建立算法。

(bbbb)获取作为真值的地表气压数据。然后将地表气压数据和辐射亮温观测值进行时空匹配，得到辐射亮温观测值和地表气压值的匹配数据集。

(cccc)随机选取75％的数据作为训练集A，其余25％的数据作为测试集B。选择线性或者非线性回归算法，利用训练集A得到自变量辐射亮温观测值和因变量地表气压的函数关系，该函数关系即为建立的反演算法。

(dddd)使用测试集B对建立的反演算法进行测试，评估反演算法的性能。

如图3所示，物理反演算法建立的过程如下：

(AAAA)将步骤104得到的辐射亮温观测值进行分类，对陆地观测和海洋观测分别建立算法。

(BBBB)建立前向辐射传输模型。对辐射亮温观测值进行扫描偏差订正和气团偏差订正，减少辐射亮温观测值和模拟值的偏差。

(CCCC)不断调整大气参数，并利用前向模型计算对应的辐射亮温观测值，寻找在最小二乘意义下尽可能接近于给定时间段内实际观测的大气参数解。该大气参数解中包含了地表气压、温度廓线、湿度廓线和表面温湿度等信息。

统计反演算法或者物理反演算法建立后，便可以根据辐射亮温观测值估计出地表气压值。如果反演结果用于数值天气预报、气候学或者大气动力学研究，则将反演结果插值为全球格点数据。如果反演结果用于热带气旋分析，则判断反演生成的地表气压场中是否有异常低压区域，并形成了闭合气压曲线，如果有则标定该区域范围，并根据最低气压值确定热带气旋中心位置。另外，根据反演得到的二维气压场，结合辐射亮温观测值中包含的温度廓线信息，通过静力平衡近似，可以得到三维气压场分布，即

其中，P表示在高度z处大气的压强，P_S指的是地表气压，M表示气体分子量，R表示气体摩尔常量，T表示大气温度，z表示距离地面的垂直高度，g是指重力加速度。

综上所述，本实施例提供的一种地表气压的被动微波遥感探测与反演方法，是利用被动微波探测器测量氧气的垂直柱总吸收/辐射，获取氧气的垂直柱总量信息。由于地表气压与均匀混合气体气柱总量成正比，因此可以反演得到地表气压场。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种地表气压的被动微波遥感探测方法，所述方法包括：

步骤1)确定探测频率，通过被动微波探测器获取所述探测频率的辐射亮温观测值；

在步骤1)中所述确定探测频率具体包括：

步骤a)主探测频段为：地表气压敏感频段位于氧气吸收带；

步骤b)附加探测频段为：温度廓线探测频段、湿度廓线探测频段和表面温湿度探测频段；

步骤c)通过敏感度和相关度分析，在步骤a)和步骤b)选定的敏感探测频段中，选择出最佳的探测频率组合作为探测频率；

步骤2)根据地表气压与均匀混合气体气柱总量的关系建立反演算法，基于步骤1)的辐射亮温观测值反演得到地表气压值；

所述步骤2)具体包括：

步骤201)建立前向辐射传输模型：对辐射亮温观测值进行扫描偏差订正和气团偏差订正，减少辐射亮温观测值和模拟值的偏差；

步骤202)调整大气参数，并利用前向模型计算对应的辐射亮温观测值，寻找在给定时间段内实际观测的大气参数解，该大气参数解中包含了地表气压、温度廓线、湿度廓线和表面温湿度

步骤3)当将地表气压用于热带气旋分析，判断反演生成的地表气压场中是否有异常低压区域，并形成了闭合气压曲线，如果有则标定该区域范围，并根据最低气压值确定热带气旋中心位置；

步骤4)根据反演得到的二维气压场，结合辐射亮温观测值中包含的温度廓线信息，通过静力平衡近似，得到三维气压场分布，即

其中，P表示在高度z处大气的压强，P_S指的是地表气压，M表示气体分子量，R表示气体摩尔常量，T表示大气温度，z表示距离地面的垂直高度，g是指重力加速度。

2.根据权利要求1所述的地表气压的被动微波遥感探测方法，其特征在于，所述步骤1)的被动微波探测器为星载微波探测器或机动微波探测器。

3.根据权利要求2所述的地表气压的被动微波遥感探测方法，其特征在于，所述步骤1)的通过被动微波探测器获取所需探测频率的辐射亮温观测值具体包括：

步骤1-1)通过系统定标和天线方向图，将被动探测器接收到的电信号转换成大气辐射的亮度温度；

对于无散射平面平行大气，位于大气层顶的被动微波探测器观测到的辐射亮温T_B表示为：

T_B＝T_UP(f,θ)+T_SKY(f,θ)Γγ(0,∞)+T_SEγ (0,∞)

其中，T_UP(f,θ)为大气上行辐射，T_SKY(f,θ)为大气下行辐射，Γ为表面反射率，γ(0,∞)为大气单程透过率；θ为天顶入射角；

步骤1-2)通过空间平均使所有通道辐射亮温观测值的空间分辨率一致。

4.根据权利要求3所述的基于被动微波遥感探测的地表气压反演方法，其特征在于，如果探测区域为陆地，所述步骤1-2)之后还包括：

步骤1-3)根据表面粗糙度信息，得到表面后向散射系数信息；然后根据辐射亮温方程，将获取的辐射亮温值订正为后向散射系数一致时的辐射亮温值。

5.根据权利要求3所述的地表气压的被动微波遥感探测方法，其特征在于，如果利用交轨扫描的星载被动微波探测器进行探测，所述步骤1-2)之后还包括：

步骤1-4)根据辐射传输方程，将不同天顶角的辐射亮温观测值订正为天顶角为0^°时的辐射亮温观测值。

6.根据权利要求2所述的地表气压的被动微波遥感探测方法，其特征在于，如果使用星载被动微波探测器进行地表气压探测，则在微波波段，所述步骤1-1)的大气单程透过率γ(0,∞)具有如下形式：

γ(0,∞)＝exp(-α_oO-A_L-A_V)secθ

其中，A_L、A_V分别为氧气、液水、水汽的垂直积分吸收量，α₀为氧气的质量吸收系数，θ为天顶入射角，O为氧气的垂直柱质量；

M_o为氧气在大气中的混合比，P₀为地表气压；γ(0,∞)进一步表示为：

如果使用机载被动微波探测器进行地表气压探侧，在微波波段，所述步骤1-1)的大气单程透过率γ(0,∞)具有如下形式：

其中，α₀为氧气的质量吸收系数，M_o为氧气在大气中的混合比，p(s)为距离地表高度为s处的气压，T(s)为距离地表高度为s处的温度，R是气体常数。

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