文摘

卫星遥感大气水汽分布在海洋对天气和气候的研究至关重要。卫星机载微波辐射计的测量在各种天气条件下海洋水汽。本研究评估的精度可沉淀的水蒸气(采集)产品在南海与东海来自全球降水测量微波成像仪(GMI),使用无线电探空仪和GNSS(全球导航卫星系统)位于岛屿和沿海地区为真理。采集测量来自14个无线电探空仪和5 GNSS站2014 - 2017年在此期间被包括在评估。结果表明,GMI公司为期3天的复合材料具有更好的精度超过5毫米。进一步评估表明,均方根误差(均方根)GMI公司为期3天的复合材料有很大区别在3∼14毫米的范围不同的无线电探空仪/ GNSS网站。GMI公司为期3天复合材料与无线电探空仪显示很好的协议和GNSS测量采集相关系数为0.896和0.970,分别。GMI公司产品的应用表明,可以揭示天气面前,水分平流,梅雨降水期间交通和收敛。这项工作表明,GMI采集产品可以导致各种研究诸如气候变化、水文循环和天气预报。

1。介绍

大气水汽代表总数的一小部分大气质量,但是气候变化密切相关,天气模式、大气辐射和水文循环(1- - - - - -5]。准确了解水蒸气不仅可以导致一个增强的理解在所有这些领域,也更好的校正湿延迟了许多空间大地测量观测。因此多种水汽观测技术已经发展在过去的几十年。例如,无线电探空仪一直本金原位观察整个对流层水汽测量工具(6]。湿度的最长记录概要文件从无线电探空仪网络提供了一个良好的气候变化研究数据源(7- - - - - -9]。此外,非凡的GNSS(全球导航卫星系统)气象学的进展取得了在过去几十年取得了GNSS作为一个强有力的方法观察高时空分辨率的水蒸气(10- - - - - -13]。此外,空基传感器系统是公认的唯一有效的方法监测大气水蒸气在全球范围内(14]。

准确的信息海洋的水汽对天气预报的研究具有十分重要的科学价值,全球变暖,和水文循环。由于缺乏原位在海洋,从星载辐射计遥感成为主要技术评估在海洋大气水蒸气。卫星机载辐射仪利用水蒸气检索可以分为四组(15]。他们是传感器在近红外波段操作的中分辨率成像光谱仪(MODIS)等(16等),红外波段大气红外探测器(播出)17),可见波长等全球臭氧监测实验二(18等)和微波波长的特殊传感器微波成像仪(SSMI) [19]地球观测系统和先进的微波扫描辐射计(amsr - e) (20.]。因为它更有可能知道在海洋表面温度和发射率,通常采用红外和微波传感器。的极限测量红外辐射计在无云地区的水汽导致偏好对微波辐射计、微波可以穿透云层(21]。遥感水汽的重要意义的科学研究,例如,水文循环和气候变化,以及同化成数值天气预报(数值天气预报)模型,例如,ECMWF(欧洲中期天气预报中心)22),有合理的各种任务在实施卫星微波辐射计。

水蒸气量在海洋不断与几个星载微波测量仪器(例如,SSMI仪器由DMSP卫星(国防气象卫星计划),amsr - e传感器发射机上,NASA(国家航空和宇宙航行局)Aqua卫星,微波成像仪由TRMM(热带降雨测量任务),等等)可以追溯到1970年代末。最近,美国国家航空航天局和JAXA(日本宇宙航空研究开发机构)发起的全球降水测量(GPM)卫星任务与目标统一,推进全球降水测量从空间23]。国际卫星星座进行微波辐射计是利用这个任务提供下一代的大气参数如降水、水蒸气和风力。多年来,许多评估了微波传感器提取采集(可沉淀的水蒸气)。在这里,采集被定义为总气态水的垂直列中包含大气和被广泛用于测量大气水汽含量。Sajith等人评估了TRMM-derived针对无线电探空仪数据采集值在印度洋沿海地区(24]。他们获得了均方根误差(均方根)复合采集TRMM为期3天的8.1毫米。施罗德等人所进行的研究和陈和刘都表明HOAPS(汉堡海洋大气参数和通量从卫星数据)采集数据,生成基于SSMI观察,同意和ECMWF再分析产品与均方根误差小于2毫米(25,26]。评估报告的Du et al .,他们比较了AMSR2采集检索SuomiNet北美GNSS的采集测量网络,实现了整体4.7毫米的均方根误差27]。然而,罕见的工作已经完成对采集的评价检索从GMI (GPM微波成像仪)在海洋。

在本文中,我们评估GMI-derived采集关于无线电探空仪和GNSS测量在南海与东海。这项工作的一个动机是检查的有效性GMI调查大气湿度采集数据流在海洋与梅雨有关。本文的结构如下。采集的数据集的描述从GMI、无线电探空仪和GNSS节中给出2。部分3提出了评价结果的GMI采集数据通过无线电探空仪和GNSS。GMI三天复合材料的应用在探测水汽变化在梅雨锋也部分所示3。最后,总结本研究的部分4。

2。数据描述和方法论

2.1。GMI采集数据集

建立在TRMM的成功,截至2015年4月8日任务设计测量降雨和能量交换的世界的热带和亚热带地区,美国国家航空航天局JAXA发起流量统一任务和推进全球降水测量从空间23,28]。流量核心天文台于2014年2月的non-sun-synchronous轨道407公里65°的倾向。这个轨道设计允许广泛纬度的报道没有被锁到在太阳同步极轨道和提供了一个完整的抽样的天的小时重复大约每两周。它带有Ka / ku波段双频降水雷达(DPR)和多频微波辐射计,即。GMI公司。GMI双极化,锥形扫描,被动微波辐射计13辐射渠道范围从10.65到183.31 GHz的频率29日]。过热保护从太阳入侵,流量平台发生偏航动作大约每40天。更详细的流量的技术和科学目标可以在找到29日]。

在目前的研究中,为期3天的复合材料的采集在南海与东海进行评估对平均为期3天的无线电探空仪和GNSS观察期间2014 - 2017。此外,《每日采集产品同时进行的无线电探空仪和GNSS测量肋和岛电台。为期3天的复合材料和日常采集数据的空间分辨率为0.25°×0.25°。GMI的采集产品提供的网站http://www.remss.com/missions/gmi/在近乎实时的。

2.2。无线电探空仪

无线电探空仪能够观测的大气参数包括压力、温度和湿度与气球各种高度提升。通过使用无线电探空仪测量资料,可以计算采集(7]: 在哪里 重力加速度(单位:米/秒2), 是压力(单位:hPa), 是水蒸气压力(单位:hPa)可以从[估计30.]: 在哪里 和 指的是相对湿度(无单位)和温度(单位:度),分别。为了确保采集来自无线电探空仪的质量,只有无线电探空仪数据包含完整的大气资料的高度压力等于或少于300 hPa在我们的研究中使用。使用300 hPa是因为水蒸气内容可以超出这个水平可以忽略不计。无线电探空仪中采集精度可以达到几毫米,因此常采用水蒸气作为评估标准精度观测从其他独立的技术2,31日]。

在这项工作中,我们采用质量有保证的无线电探空仪一体化的全球无线电探空仪提供的数据归档(IGRA) [32)评价GMI-derived采集值在南海与东海。受制于有限的岛,海岸电台还包括扩大无线电探空仪的参考数据库。水蒸气是高度集中在地表附近;因此,任何错误的修正将是不成比例的大部分的采集15]。出于这个原因,我们选择排除站高度大于100 m,而不是试图应用自定义采集校正。此外,一个标准的10公里距离无线电探空仪站到最近的海岸。因此,总共14个无线电探空仪站(含8岛和6肋站)在这项研究中,选择及其位置(蓝色方块)显示在图中1。


图1
地理分布的14无线电探空仪和5 GNSS站选择在这项研究中。所选车站位于沿海地区或岛屿。
2.3。GNSS

GNSS信号的存在影响对流层时穿过对流层。天顶总延迟独特之处(ZTD希望)的影响在GNSS信号来自对流层天顶。独特之处自ZTD希望是天顶流体静力延迟的总和(ZHD)和天顶湿延迟(ZWD),可以提取的独特之处从ZTD希望ZWD ZHD的减法。可以获得准确ZHD使用ZHD模型与地面气象参数(31日]。然后可以从ZWD检索采集的转换因子(10] 在哪里 , 物理常数。 加权平均温度(33] 在哪里 GNSS站的高度, 温度高吗 在开尔文( )。 根据方程(通常是计算从无线电探空仪简介4)或经验模型与表面温度。在大量研究的基础上,GNSS-inferred采集可能有1∼2毫米的精度34- - - - - -36]。

国际GNSS服务(IGS)定期出版《每日GNSS-derived对流层产品在其官方网站(http://www.igs.org/)。这些产品包括独特之处的估计ZTD希望和北部和东部地区对流层梯度组件。德国地球科学研究中心生成的对流层产品(GeoForschungsZentrum)使用Berenese软件(37)在本研究利用。ZHDs为每个站点计算使用ECMWF再分析数据,有两个原因:(1)表面气象数据不可用在许多IGS站,和(2)ECMWF优于经验ZHD模型报道(31日]。此外,加权平均温度为每个GNSS网站也来源于ECMWF再分析产品。无线电探空仪的选择标准后,5 GNSS电台被确定,如图1红色的三角形。

2.4。验证方法

比赛GMI网格采集值根据每个无线电探空仪/ GNSS产品获得网站的位置。因为没有location-matched采集数据可用于一些沿海站点,在这种情况下,采集的数据最近的细胞这个网站将被采纳。质量控制,只采集值小于80毫米用于评估。评估前,离群值,可能是由于仪器误差,记录错误,从数据集或处理错误被拒绝。局外人决定当之间的绝对差值和平均值大于三倍标准偏差。执行统计数据来推导出偏差,均方根(RMS)错误,相关系数为每个单独的网站。学生的t以及被用来确定相关系数的意义。散点图构造和分析比较GMI-derived的变化与无线电探空仪和GNSS数据采集。

3所示。结果与讨论

评估前,采集来自无线电探空仪和GNSS的比较进行了检查他们的差异。两个并列的radiosonde-GNSS站发现与他们的距离小于30公里的比较。由于水汽变化很大在垂直方向尤其是低对流层,采集计算从无线电探空仪配置文件调整的高度集中的GNSS网站。图2显示与无线电探空仪采集GNSS的比较。GNSS采集显示了良好的协议与无线电探空仪采集的回归线非常接近1:1线高的相关系数为0.976。的概率密度函数(PDF)采集区别如图2 (b)表明有更高的概率发生的负面采集不同。图2 (c)进一步显示了相对误差百分比的无线电探空仪采集箱5毫米。当采集值小于20毫米,GNSS采集具有明显的湿偏差相对于无线电探空仪。尤其是对0∼5毫米本无线电探空仪的采集,−70%的相对误差。此外,干燥的偏差相对于无线电探空仪时采集值大于70毫米。一般来说,高质量的比较结果证实GNSS采集,也可以使用一个好的数据源来评估水蒸气从其他独立测量系统。

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图2
(一)散点图的无线电探空仪采集与GNSS采集,采集的(b) PDF无线电探空仪和GNSS的区别,和(c)相对误差百分比的无线电探空仪采集箱5毫米。
3.1。评估GMI采集数据

在这项研究中,我们首先进行为期三天的复合的GMI采集对为期3天平均无线电探空仪和GNSS测量在2014年到2017年的时期。图3显示比较结果和表1显示了评估统计数据。数据的散点图3(一个)和3 (b)展示一个好的协议GMI为期3天的综合采集数据和无线电探空仪/ GNSS测量。见表1,高相关系数的0.896和0.970获得了radiosonde-GMI GNSS-GMI,分别。有更高的概率很大负面比GNSS-GMI radiosonde-GMI(数据采集不同3 (c)和3 (d)),这也是明显的相对误差。与无线电探空仪相比,GMI公司为期3天的组合超过10%的误差,干燥偏见当采集值大于65毫米。同时采集值小于20毫米,可以观察到一个明显的湿的偏见。对于GNSS的比较,然而,部分误差保持在5%的误差界。

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图3
散点图(a)的无线电探空仪采集与GMI公司为期3天的采集和(b) GNSS采集与GMI公司为期3天的采集,采集的pdf (c)无线电探空仪和GMI公司三天的区别和(d) GNSS GMI公司为期3天,和部分错误百分数(e)无线电探空仪采集箱(f) 5毫米。
表1
统计结果之间的比较(单位:毫米)无线电探空仪和GMI公司为期3天的GNSS和GMI公司为期3天。

下表1、采集的差异都是负的,建议整体GMI复合无线电探空仪和GNSS湿偏见。此外,均方根(RMS)无线电探空仪采集的误差差异和GMI复合是8.3毫米,这是近两倍GNSS-GMI的均方根误差比较。图4进一步展示了所有无线电探空仪的均方根误差和GNSS电台。均方根误差radiosonde-GMI采集差异很大程度上取决与6毫米至14毫米在不同的网站,而均方根值小于5毫米GNSS站。由于无线电探空仪(通常一天两次)具有较低的时间分辨率多GNSS(5分钟),为期三天的平均无线电探空仪的采集显示较大的差异与GMI公司为期3天的复合。因此,GMI三天综合的评价结果GNSS更可靠。


图4
均方根误差采集GMI三天之间的差异和无线电探空仪(大圈)和GMI之间为期3天,GNSS(小圆圈)。

GMI每日采集数据的对比无线电探空仪和GNSS也显示在图5。比较GMI每日测量无线电探空仪和GNSS,主机托管标准2 h和30分钟的时间选择,分别。由于无线电探空气球一般需要1 - 2 h提升穿过大气层,我们确定一个更大的时间范围选择无线电探空仪测量。如数据所示5(一个)和5 (b)很高,相关系数的0.971和0.986是比较了GMI每日采集GNSS无线电探空仪。无线电探空仪评价的偏见−1.90毫米和5.17毫米的均方根误差。评价GNSS达到规模小得多的偏见和RMS值的−0.17毫米和3.12毫米,分别。此外,部分错误保持在15%和5%误差范围内评估通过无线电探空仪和GNSS,分别。总的来说,GMI采集数据显示令人满意的性能评估,从而将非常有用的研究海洋上空的水汽变化。

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图5
散点图(a)的无线电探空仪采集与GMI每日采集和(b) GNSS采集与GMI日常采集,采集的pdf (c)无线电探空仪和GMI的区别每天和(d) GNSS和GMI日报》和部分错误百分数(e)无线电探空仪采集箱(f) 5毫米。
3.2。分布和变化在南海与东海的采集

图6显示的空间分布的意思是采集来自GMI为期3天的复合材料在2014 - 2017年的时期。他们的标准差(STD)也计算显示采集的变化。平均采集不同的范围在南海与东海13-55毫米。大的意思是采集发生在南海,和平均采集减少随着纬度的增加。图6 (b)表明,水蒸气7-19毫米内变异。与采集,采集的性传播疾病会增加纬度低于30°N。可以观察到东海海域29°N∼31°N之间最大的采集变异与性病∼19毫米。这是归因于典型的季风气候,导致水蒸气发生巨大变化,在这些地区不同季节。

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图6
(a)手段和(b)性病的采集来自GMI公司为期3天的2014 - 2017复合材料。

季节性的地图的采集手段和性病四季春天(December-January-February),夏季(March-April-May),秋天(June-July-August)和冬季(September-October-November)显示在图中7。这表明夏季采集要明显高于其他季节,与平均值大于10毫米。冬天显示了最小采集(小于10毫米)在中国周边海域。性病模式非常相似的意思是采集分布在相应的季节。非常大的水汽变化(性病∼27毫米)可以找到在夏天发生在中国东南部海域。

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图7
(模拟)意味着,(情况)性病采集来自GMI公司为期3天的复合材料对不同季节(2014 - 2017)。(一)意味着春天的采集。(b)的意思是夏天的采集。秋天(c)的采集。(d)的意思是采集的冬天。(e)性病采集的春天。(f)夏季采集的性病。秋天(g)性病的采集。冬天(h)性病的采集。
3.3。探测水汽变化在强降雨事件使用GMI采集

一般来说,梅雨发生中长期春末夏初在仲夏。天气形式面前当温暖潮湿的空气从中国南部和东部海域符合大陆气团降温。前面有时通常会带来长期重对流降雨和洪水中国东部,特别是江南和淮河地区。因此,GMI应该非常有用的用于检测水分采集数据流在海洋暴雨开始之前的法术。

期间2017年6月18 - 23,中国东南部遭受了几个大型梅雨暴雨,造成大洪水和大规模山体滑坡在一些地方。图8显示每日积累沉淀的地理分布在东亚的18 - 23,2017年6月。提供的降水数据TRMM, NASA和JAXA的联合任务测量降雨天气和气候研究[28,38]。2017年6月18日,如图8(一个),长带雨发生在中国东南部的沿海地区。后来,雨带逐渐向北到内陆。2017年6月23日(图8 (f)),暴雨打击下游长江分水岭。

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图8
地图的日常积累沉淀从2017年6月18日至23日。TRMM的降水数据检索空间分辨率为0.25°×0.25°。(一)2017年6月18日。(b) 2017年6月19日。(c) 2017年6月20日。2017年6月21日(d)。2017年6月22日(e)。(f) 2017年6月23日。

研究了水蒸气变化在降雨过程中,人物9展品的进化采集地图来自GMI公司为期3天复合材料好几天2017年6月15 - 23。它可以观察到,采集逐渐增加到∼70毫米(数字9(一个)- - - - - -9 (c))在中国东南部的沿海地区出现大雨前2017年6月18日。我们也可以观察到水蒸气大大减少在南中国海在同一时期,暴露的水汽向东北移动。这是符合垂直整合水汽传输(IWT;公斤/ m / s)信息如图10。大量的水分从南海流入中国大陆IWT的值100∼300公斤/米/秒。此外,一个明显的高低采集区域之间的界限发生在30°N。我们可以推断南方温暖潮湿了这里的寒冷干燥的空气,从而造成了大雨。从数据9 (e)- - - - - -9 (f),可以看出,温暖的湿气流动不断搬到东北,扩大雨带北超过30°N。图10表明强烈的向东北的水分运输行值500∼800公斤/米/秒之间发生20°N∼30°N。总的来说,高采集值大于60 mm发生在毕业典礼之前的活跃的法术。的GMI-derived采集地图能够揭示天气面前,水分平流,极端降水事件期间交通和收敛。

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进化的采集地图来自GMI公司为期3天复合材料从2017年6月15日至23日。(一)2017年6月15日。(b) 2017年6月16日。(c) 2017年6月17日。(d) 2017年6月18日。(e) 2017年6月19日。(f) 2017年6月20日。2017年6月21日(g)。2017年6月22日(h)。(我)2017年6月23日。
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图10
垂直整合水分通量差异(毫米/天)ERA-Interim产品好几天从2017年6月15日至23日。黑色的箭头出现IWT向量(公斤/米/秒),在每个面板的左上角与规模。(一)2017年6月15日。(b) 2017年6月16日。(c) 2017年6月17日。(d) 2017年6月18日。(e) 2017年6月19日。(f) 2017年6月20日。2017年6月21日(g)。2017年6月22日(h)。 (i) 23 June 2017.

4所示。结论

遥感卫星的能力测量大气水汽在海洋为数值天气预报提供进口数据,再分析模型,和气候变化研究。卫星与微波辐射计能够观察水蒸气在所有情况下,最有效的工具水汽观测与大空间覆盖海洋。

在这项工作中,我们验证了测量微波辐射计的采集由GMI公司在南海与东海。采集来自14个无线电探空仪和5 GNSS站位于岛屿和沿海地区被用作参考评估GMI的性能采集的数据集在此期间2014 - 2017。GMI公司为期3天复合材料与无线电探空仪显示很好的协议和GNSS测量采集相关系数为0.896和0.970,分别。在评估通过无线电探空仪,GMI-derived采集湿偏差超过10%的误差,当采集值小于20毫米。采集值大于65 mm时,可以观察到一个明显的干燥的偏见。对于GNSS的比较,然而,部分误差保持在5%的误差界。均方根误差radiosonde-GMI采集差异很大程度上取决与6毫米至14毫米在不同的网站,而均方根值小于5毫米GNSS站。此外,评估GMI日常采集数据的均方根误差为5.17毫米和3.12毫米通过无线电探空仪和GNSS,分别。

我们进一步应用GMI三天复合材料研究采集的变化在一个沉重的梅雨降水事件发生在2017年6月18 - 23。的GMI-derived采集地图能够揭示天气面前,水分平流,极端降水事件期间交通和收敛。本研究表明,GMI采集数据将会非常有利于检测水分流动在海洋暴雨出现之前的法术。未来的研究将集中在使用GMI-derived采集量化水分平流与梅雨锋和采集的使用在中国东南部降雨量的预测。

数据可用性

GMI的遥感系统提供的采集数据http://www.remss.com/。网上的ECMWF ERA-Interim再分析产品(http://apps.ecmwf.int/datasets/)。TRMM降雨数据提供的https://pmm.nasa.gov/data-access/downloads/trmm。干扰素释放无线电探空仪的数据得到https://www.ncdc.noaa.gov/data-access/weather-balloon/integrated-globalradiosonde-archive国家海洋和大气管理局。独特之处再加工GPS ZTD希望产品的访问ftp://cddis.gsfc.nasa.gov。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的研究资助专门聘请中南大学副教授(项目号202045005)。Zhizhao刘感谢香港理工大学(项目152149/16E 152103/14E 152168/15E, 1-BBYH)和关键项目的拨款支持中国国家自然科学基金(项目没有。:41730109)。GMI采集数据是由遥感系统。数据是可用的http://www.remss.com/。美国国家海洋和大气管理局(NOAA)感谢提供IGRA无线电探空仪的数据。我们非常感谢国家航空和宇宙航行局(NASA)提供TRMM降雨数据。欧洲中期天气预报中心欣赏提供ECMWF再分析数据。作者还要感谢IGS提供的独特之处GNSS ZTD希望产品。