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1、用 SSM/ I 微波遥感图像分析海上台风的螺旋云带?游 ? 然 ? 许健民 ? 张文建( 国家卫星气象中心, 北京, 100081)摘? 要? ? 文中介绍了美国国防气象卫星专用微波成像仪(SSM/I) 上各通道的特性, 分析了大气中各种粒子(尤其是云滴和降水滴)对各通道辐射的吸收和散射效应。通过对 SSM/ I 图像上台风单通道剖面、 双通道散点图的分析, 揭示了台风在微波图像上表现形式的内在物理原因。在此基础上, 设计了一个降水指数, 方法是: 将 85. 5 GHz 的吸收段对称拉伸到散射段的延长线上, 然后求归一化后的 19. 35, 37. 0 GHz 和经拉伸处理的 85. 5
2、GHz 图像 3 者的平均值。3个通道合成降水指数克服了37. 0 GHz对大雨滴不敏感, 和 85. 5 GHz 对中等大小雨滴不敏感的缺点, 比原始单通道微波图像更清楚地显示了台风的螺旋云带结构。关键词: SSM/ I, 微波遥感, 台风螺旋云带。1? 引? 言? ?台风是影响中国的主要灾害性天气系统之一。 目前中国气象业务工作中对台风的定位主要依赖于光学遥感图像, 即可见光和红外图像。可见光和红外辐射仪分别探测云顶的反照率和温度。这两种方 法获得的都是降水云系的外观。尽管降水云系的外观与降水强度有一定的关系, 这两种方法毕竟还没有直接对降水云系内部的降水粒子进行探测。当台风眼被卷云罩遮住
3、的时候, 可见光和红外辐射仪看 到的只是台风云系顶部的云罩, 它们无法穿透云层看到存在于云罩下面的螺旋云带和眼。因此, 用光学遥感图像对无眼弱台风的定位往往不准确。台风 定位不准, 必然对台风路径的预报有影响。因此对台风螺旋云带和眼的观测是卫星遥感的一项重要任务。大气介质中云滴和降雨滴与微波辐射的相互作 用, 是微波遥感降雨的物理基础?。和光学遥感测量技术一样, 微波辐射仪所测量的也是观测目标物所发射的电磁辐射强度。各种波长的辐射与大气介 质中各种尺度的粒子尤其是云滴和降水雨滴粒子存在相互作用。相对于可见光和窗区红外波段, 微波波长较长, 它与大气介质的相互作用不同于可见光或红外辐射; 与可见
4、光不同, 大气介质对微波的散射可忽略( 有雨时除外) ; 与红外辐射不同, 地表发射微波辐射中的一部分可以穿过多数非降水云而只受到较小的衰减, 甚至中等程度的液水云也不会完全将 地物挡住。因为微波辐射仪可以穿透云层观测到云中降水雨滴的情况, 从可见光和红外图像上看不见的弱台风的眼, 在微波图像上却可以看到, 这就为无 眼弱台风的定位问题开辟了一个新的观测途径。国际上已发表了很多微波反演降水的算法。算法大都是在微波辐射传输物理机制的基础上设计的。有的基于统计方法, 回归出待反演参数和观测 值之间的关系, 如 NOAA 卫星研究实验室所用的Grody 1的算法。它通过散射指数确定陆面和海洋上的雨区
5、。在雨区, 降雨率与散射指数之间有线性 关系。有的基于物理方法, 在模式模拟的基础上进行反演, 如 Ferriday 和 Avery2用大气云模式确定主要影响向上微波辐射的大气和表面参量的大小及分布, 通过辐射传输计算, 导出用下垫面、 大气和实 际卫星亮温数据估计降水率的算法。也有的基于混合的统计?物理降水反演算法, 其中云辐射模式是其中的一部分, 如 Mugnai3。但是, 由于在对待信号 的衰减和散射、 解释视场中降水的不均匀性、 以及区分暖雨和非降水云等方面存在的差异, 算法结果也大不相同。文中通过分析一个台风云系的 SSM/ I 微波图第 60 卷第 4 期 2002 年 8 月?
6、? ? ? ? ? ? ? ? ?气? 象? 学? 报 ACTA MET EOROLOGICA SINICA? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Vol. 60, No. 4 August 2002? 初稿时间:2000 年 4 月 7 日; 修改稿时间: 2001 年8 月 21 日。 资助课题:863- 308 对地观测, 国家重点基础研究发展规划项目( G1998040912) ? ? ? ? Grant W Petty. AMS short course on passive microwave satellite radiomety ( retrieval of atmosp
7、heric parameters) , Long Beaeh.像, 说明采用微波图像为什么能分析出卷云罩下面螺旋状降水云带的物理原因。并据此设计了一种降水指数。它比原始微波图像更能清楚地描绘出台风螺旋云带的结构。2? 仪器及资料专用微波探测成像仪 SSM/ I 是搭载于美国国 防卫星计划( DMSP) 系列卫星的被动微波成像仪。DMSP 系列卫星运行在近极地圆形太阳同步轨道上, 每天 12 轨, 高度 860 km, 倾角 98. 8 ?, 轨道周期102. 2 min。SSM/ I 仪器有 7 个观测通道, 频率分别为19. 35, 22. 235, 37. 0 和 85. 5 GHz, 相
8、当于波长分别为 15. 5, 13. 5, 8. 1 和3. 5 mm) ; 除了 22. 235 GHz位于水汽吸收区、 只在垂直极化方向观测外, 其余 3 个频率均位于大气窗区、 在水平和垂直两个极化方向进行观测。表 1?给出了 SSM/ I 各观测通道所在的频率、 极化方向和空间分辨率。为了叙述方便, 把 这 7 个通道分别记为 19V, 19H, 22V, 37V, 37H,85V 和 85H。? 文中所用的微波资料是搭载于美国国防气象卫表 1? SSM/ I 各观测通道的频率、 波长、 极化方向和有效(3dB) 空间分辨率频率( GHz)波长( mm)极化方向积分时间( ms)沿轨道
9、方向地表 分辨率( km)横跨轨道方向地表 分辨率( km)? ? ? 19. 35? ? ? 15. 5V7. 956943 19. 3515. 5H7. 956943 22. 23513. 0V7. 955040 37. 08. 10V7. 953728 37. 08. 10H7. 953729 85. 53. 50V3. 891513 85. 53. 50H3. 891513? ? ? 注: V 为垂直极化,H 为水平极化星f10 上的专用微波成像仪 SSM/ I 所测得的, 已经经过预处理。各个通道的数据均归一化投影在 1/ 3等经纬度网格上。微波图像上 3 个象素对应地球上 1个纬度
10、的宽度。红外图像来自日本静止气象卫星GMS- 5, 分辨率为 5 km。3? 被动微波遥感的物理原理地面发射的微波辐射, 在到达卫星的过程中, 会受到大气中各种成分如氧气、 水汽以及云和降水粒子的吸收、 散射作用而使信号的强度及极化状态发生变化。3. 1? 散射效率与粒子大小的关系 图 1 所示为 SSM/ I 的 4 个观测频率点上散射效率随粒子半径的变化曲线4。任一条曲线 ( 即任一观测波长) 都可以分为 3 段: 第一段雷利散射段, 位于曲线的最左端, 粒子半径远远小于被散射辐射波长, 散射效率很低, 辐射能穿透介质, 介质几乎是透明的; 第二段米散射段, 随粒子半径增大, 散射效图 1
11、? 在 SSM/ I 的 4 个观测频率点上, 散射效率随粒子半径的变化曲线( 4 条曲线对应的频率点分别为 85. 5 GHz( 3. 50 mm, 粗虚线) 、 37. 0 GHz( 8. 10 mm, 细实线) 、22. 235 GHz( 13. 03 mm, 粗实线) 、 19. 35 GHz( 15. 5 mm, 细点线) )478? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 气? 象? ? 学? ? 报? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 60 卷?率大的走向趋势是从峰值逐渐减小, 这一段的粒子大小是可以探测到的; 随
12、粒子半径进一步增大, 散射效率波动地降低, 在粒子远大于观测波长时, 进入第三段, 散射效率趋于常数 2, 散射效率不随粒子大小 变化而变化, 这一段的粒子大小探测不到。3. 2? 气体、 云滴、 降水雨滴对微波辐射的吸收与散射作用表2 列出了几种典型云和降水粒子的半径5。 对照图 1与表 1 和表 2 中的数据, 我们可以定性判断大气介质中各种粒子与微波辐射的相互作用。表 2? 雾、 层状云、 积状云、 降水粒子的半径降水粒子类型粒子半径雾1 10?m层状云10 ?m积状云10 100 ?m降水大于 100 ?m? ? 在 SSM/ I 的 4 个观测频率点, 气体、 雾、 层状云、 积状云
13、粒子都比微波观测波长小得多, 位于雷利 散射段。它们对微波辐射的散射很小。因此在对微波遥感数据进行分析时, 只需考虑它们对微波辐射的吸收再发射效应。其中云滴的吸收再发射效应比气体大得多。 降水粒子半径大于 0. 1 mm, 它们可以变动于0.1 3. 0 mm之间。毛毛雨的雨滴半径为 0. 1 mm 左右, 中到大雨的雨滴半径为 1. 0 1. 5 mm, 较大的雨滴半径可达到 2. 0 3. 0 mm 左右5。一般 2. 0 mm 以上的雨滴会被气流击碎, 只有少数雨滴半径能达3. 0 mm。从图 1 上可以看出, 云中的降水粒子( 半径 0. 1 2. 0 mm) 对于 19. 35 和
14、22. 235 GHz( 波长分别为 15. 5 和 13. 5 mm) 的微波辐射波长而言小得多, 也在雷利散射段, 在这两个频率点上散射效应很小, 可以忽略不计, 只需考虑降水粒子对它们的吸收再发射效应。 85. 5 GHz 观测波长( 3. 5 mm) 与大雨滴的大小( 1. 0 2. 0 mm) 就比较接近了, 大的观测降水粒子对 85. 5 GHz 而言在米散射段, 散射效应不能忽略。对于 37. 0 GHz 而言, 只有少部分特别大的雨滴能到达米散射与雷利散射之间的散射效率迅速随 粒子半径增大的区域, 与 19. 35 GHz 一样, 大部分降水粒子还可以认为是在雷利散射段, 散射
15、效率也是很低的。 总的来说, 微波相对于红外、 可见光而言波长较长, 在没有降水云存在( 即散射作用可以忽略) 的情况下, 受大气介质中云滴的影响, 只需考虑吸收再发射的作用; 在有降水时, 对于 85. 5 GHz 波段, 除了吸收再发射外, 还要考虑大降水雨滴和冰晶对微波 辐射的散射作用。3. 3? 从海面向上的微波辐射与大气介质的相互作用 下垫面发射的微波辐射, 在到达卫星的过程中,会受到大气介质中云和降水粒子( 包括水滴和冰晶)的影响。海洋下垫面的微波发射率很低( 只有 0. 4左右) , 是微波辐射的冷背景, 而云滴和降水雨滴的 微波发射率却接近于 1。因此, 尽管云的温度比海面略低
16、, 云雨滴发射的微波辐射却比海面要强。吸收再发射效应使得从海面发射的微波辐射穿过云以 后辐射强度反而增强。对于 19. 35 和 37. 0 GHz 观测频段而言, 降水滴对微波辐射的散射作用很小, 可以忽略不计, 只需考虑它们对下垫面微波辐射的吸收再发射效应。吸 收再发射效应使微波辐射强度增强, 因此 19. 35 和37. 0 GHz频段在降水区观测到的亮温比无降水的海面高。 85. 5 GHz当雨滴很小的时候, 散射作用也可以忽略不计, 观测亮温随着吸收再发射效应而增大, 但是随降水粒子增大, 由于降水粒子位于米散射段, 能量被散射到其他方向上去, 在散射效应超过吸收效 应后, 下垫面发射的微波辐射穿过降水云以后强度反而减小。另外, 海表发射的微波辐射是极化的, 而云滴和雨滴发射的辐射是非极化的, 因此, 云雨滴的吸收再 发射和散射作用会减弱海表发射辐射的极化程度。4? SSM/ I 微波遥感图像分析台风在红外、 可见光卫星图像上表现为有组织的螺旋状云系。成熟台风的中心有一个眼, 围绕眼区是密蔽云区。密蔽云区对流发展最为旺盛
