[发明专利]地表温度观测信息约束的静止卫星陆上红外亮温模拟方法

说明书

本发明公开一种地表温度观测信息约束的静止卫星陆上红外亮温模拟方法，包括如下步骤：S1、采集数值天气模式预报的数据和基准台站实况观测的地表温度数据，并进行预处理；S2、对数据进行质量控制；S3、将两类数据进行同化；S4、提取每个水平空间格点对应的大气要素和地表要素，并采用逐月变化的地表发射率数据集，作为辐射传输模型的输入，模拟静止卫星红外成像仪的红外通道的亮温，然后将水平空间格点对应的模拟亮温值转换到静止卫星红外成像仪像素点，完成静止卫星陆上红外亮温模拟。本发明能够提高静止卫星红外成像仪资料的红外亮温模拟水平，尤其是在陆地区域的模拟水平。

技术领域

本发明涉及大气科学研究领域，具体是涉及一种考虑地表温度观测信息约束的静止卫星陆上红外亮温模拟方法。

背景技术

随着气象卫星观测技术和数值天气预报的不断发展，卫星资料已被广泛应用于全球和区域数值天气预报模式，其中静止卫星发挥了重要作用。相比传统的卫星红外观测仪器，以中国FY-4A/AGRI、美国GOES-R/ABI和日本Himawari-8/AHI为代表的新一代静止卫星红外成像仪，其水平探测分辨率最高可达2km，时间分辨率可达10分钟，且观测通道对不同高度层大气和地表信息敏感。其高时空分辨率和通道优势使其成为数值天气预报中的重要观测信息来源。不过为了在数值模式中有效同化这些通道观测，首先需要基于大气要素来模拟卫星红外成像仪的通道亮温，这个过程被称之为红外亮温模拟。

晴空大气条件下卫星亮温模拟采用的方式是将大气温度、水汽、气压、地表信息和卫星视场对应的几何参数等输入辐射传输模型，计算大气辐射效应，地表辐射效应和太阳短波辐射效应等，并由辐射传输方程来模拟通过大气层顶向上进入卫星传感器的辐射，进而转化为亮温。以Himawari-8卫星AHI成像仪为例，其8.60μm，10.45μm，11.20μm，12.35μm和13.30μm等通道的权重函数在近地面，对地表状态敏感，在陆地上亮温模拟的性能很大程度上取决于辐射传输模型对地表发射率和地表温度的描述，其一方面决定于辐射传输模型中对于不同下垫面类型红外波段地表发射率的表征能力，另一方面也强烈依赖于输入辐射传输模型的地表温度信息。

回顾现有的红外成像仪亮温模拟方案，国内外学者们常采用CRTM(Weng etal.2007)和RTTOV(Hocking etal.2020)和ARMS(Wenget al.2021)等快速辐射模式作为模型，通过数值模式预报的大气和地表要素作为模型输入量，建立红外辐射模拟方案。Zou和Zhuge(2016)由ECMWF模式数据作为输入场，利用CRTM和RTTOV来模拟晴空条件下的Himawari-8/AHI红外成像仪通道亮温；Tang等(2021)由GFS模式数据作为输入场，利用ARMS来模拟FY-4A/AGRI红外成像仪在洋面上的通道亮温；Zhang等(2016)由WRF中尺度数值模式数据作为输入场，利用CRTM来模拟GOES-R/ABI红外成像仪的通道亮温。

不过以上的这些研究尚存在局限性，较为突出的是，由于数值天气模式预报的地表温度分布特征较观测存在很大的不确定性(Zheng et al.2012)，辐射传输模型由此计算的地表辐射会存在较大误差，导致受地表影响显著的近地面通道红外辐射模拟效果不理想，陆面相比洋面的模拟准确度明显较低。鉴于此，相比海洋区域的卫星红外亮温模拟，陆地上的卫星红外亮温模拟方案有待进一步改进。

提升陆地上卫星地表敏感通道亮温模拟的途径之一是改进输入辐射传输模型的地表温度信息，一种理论上比较有效的方式是在现有方案中结合实况观测信息来修正数值模式预报的地表温度结构。比如我国约有2400多个基准台站，在中东部地区分布较密，除了常规的2米高度地面气温观测之外，还具备对下垫面地表温度的实时观测，采集时间频率达5分钟，其直接测量的方式相比数值模式预报具有精度上的绝对优势。因此，台站实况地表温度观测数据即可为静止卫星AHI成像仪的红外亮温模拟提供有力支撑。