高 超，何杰穎，胡艷冰，柳聰亮，4

（1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；2.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；3.北京航空氣象研究所，北京 100085；4.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心天基空間環(huán)境探測北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

0 引言

青藏高原位于我國西部地區(qū)（北緯25°～40°，東經(jīng)75°～105°），作為全球氣候系統(tǒng)中的一個(gè)敏感地區(qū)，對全球氣候變化的響應(yīng)具有敏感性［1-2］。目前，青藏高原地區(qū)地面探測站點(diǎn)稀少，觀測資料缺乏，限制了該地區(qū)氣候變化研究以及短時(shí)氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，是影響全球氣候變化研究的一個(gè)不利因素。

風(fēng)云三號(hào)（FY-3）C/D 星搭載的新一代微波濕度計(jì)（MWHS-II）［3］和微波溫 度計(jì)（MWTS-II）［4］在FY-3A/B 星的基礎(chǔ)上，探測性能方面有較大改進(jìn)，微波濕度計(jì)在原來的150 GHz 和183.31 GHz 探測通道的基礎(chǔ)上，增加了89 GHz 和118.75 GHz 探測通道。其中，118.75 GHz 是世界首次在極軌氣象衛(wèi)星上使用，包含了118.75 GHz 附近的8 個(gè)氧氣吸收通道，用來獲取大氣不同高度的溫度分布數(shù)據(jù)。183.31 GHz為中心的探測通道由原來3 個(gè)增加為5個(gè)探測通道，工作在水汽吸收頻段，用來獲取大氣層不同高度的濕度分布的數(shù)據(jù)。

大氣窗區(qū)150 GHz 和89 GHz 通道還可用來探測云中含水量和強(qiáng)降雨、卷云等大氣參數(shù)。微波溫度計(jì)由設(shè)置在50～60 GHz 氧氣吸收帶的4 個(gè)通道增加為13 個(gè)通道，其權(quán)重函數(shù)峰值高度均勻地分布在從地面到大氣上層2 HPa 的整層大氣，通道中心頻率的設(shè)置越接近氧氣吸收帶中心，其權(quán)重函數(shù)峰值高度越高。窗區(qū)通道函數(shù)峰值位于地表，可以用來獲取地表信息。本文星星標(biāo)定選取微波濕度計(jì)見表1，微波溫度計(jì)通道見表2。多星多通道聯(lián)合組網(wǎng)工作，可有效提高觀測性能和觀測時(shí)效［5-8］。

表1 微波濕度計(jì)通道特性參數(shù)Tab.1 Channel characteristic parameters of MWHS-II

表2 微波溫度計(jì)通道特性參數(shù)Tab.2 Channel characteristic parameters of MWTS-II

全球?qū)Ш叫l(wèi)星掩星探測儀（GNSS Occultation Sounder，GNOS）是風(fēng)云三號(hào)C/D 星主要載荷之一，可接收GPS 和北斗掩星信號(hào)進(jìn)行大氣臨邊觀測。它利用GNSS 掩星觀測數(shù)據(jù)反演獲得大氣折射率、溫度、壓力和濕度廓線等物理參數(shù)，以及電離層電子密度廓線和電子總含量等數(shù)據(jù)［9］，其具有高精度、高垂直分辨率、長期穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但GNOS掩星數(shù)據(jù)產(chǎn)品水平分辨率較差，掩星事件的經(jīng)緯度具有一定的隨機(jī)性，且數(shù)據(jù)量有限。國際上有多個(gè)GNSS 掩星探測任務(wù)，掩星數(shù)據(jù)處理鏈較長，從原始數(shù)據(jù)預(yù)處理至信號(hào)附加相位延遲之后，可得到彎曲角、折射率和大氣溫度、濕度等不同級別的產(chǎn)品。

無線電掩星氣象衛(wèi)星應(yīng)用設(shè)施（ROM SAF）是EUMETSAT 之下的 分散處 理中心［10］，負(fù)責(zé)對Metop 衛(wèi)星的GRAS 無線電掩星（RO）數(shù)據(jù)和其他任務(wù)的無線電掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)處理。通過精確計(jì)算Metop 和GNSS 衛(wèi)星的位置和速度，可以將測得的時(shí)間延遲轉(zhuǎn)換為射線路徑的彎曲角度，再將其轉(zhuǎn)換為大氣中的溫度、壓力和水蒸氣含量的值，從而得到從地面到大約50 km 的功能的大氣廓線。

鑒于后續(xù)風(fēng)云氣象衛(wèi)星均計(jì)劃搭載微波載荷和掩星載荷，因此，本文立足于2 種體制載荷的星星標(biāo)定算法和產(chǎn)品一體化驗(yàn)證，為后續(xù)儀器研制和數(shù)據(jù)應(yīng)用提供參考。

1 探測原理分析

1.1 基于掩星資料的微波載荷標(biāo)定機(jī)理

定標(biāo)精度不僅反映了微波輻射計(jì)的研制水平的高低，而且也影響微波輻射圖像的解讀和判讀的準(zhǔn)確度，定標(biāo)是實(shí)現(xiàn)定量化微波遙感的前提。微波輻射計(jì)儀器定標(biāo)是標(biāo)定微波輻射計(jì)輸出（電壓或電壓數(shù)碼）與輸入噪聲溫度之間的定量關(guān)系的過程，在軌定標(biāo)采用星載定標(biāo)體和冷空作為參考源。通過近年來的研究發(fā)現(xiàn)，同一微波儀器性能會(huì)有衰減性，不同衛(wèi)星代際間的微波儀器存在不一致性，不同體制對同一大氣場景觀測的結(jié)果也不盡相同。

星星定標(biāo)是衡量微波輻射計(jì)觀測資料質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)?；诙嘈强缙脚_(tái)觀測數(shù)據(jù)，運(yùn)用GNSS 無線電掩星探測資料的微波輻射觀測基準(zhǔn)具有可行性。但由于GNSS 無線電掩星和微波輻射計(jì)工作機(jī)理和觀測幾何不同，信息來源不同，觀測的地物目標(biāo)也不同，星間標(biāo)定技術(shù)涉及基準(zhǔn)GNSS無線電掩星資料的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性、時(shí)空匹配、誤差校正、觀測能量比對、參數(shù)反演和誤差來源分析等。

被動(dòng)微波遙感觀測資料的空間分辨率較低，通常是幾十公里，因此，在一個(gè)被動(dòng)微波像元內(nèi)，地表空間范圍內(nèi)往往包含多種不同的地物類型，這種視場內(nèi)地表類型的變化稱為地表的空間異質(zhì)性。而GNSS 無線電掩星是臨邊大氣探測，其數(shù)據(jù)反演主要基于GNSS 衛(wèi)星和LEO 衛(wèi)星鐘記錄的時(shí)間，以及衛(wèi)星星歷提供的GNSS 衛(wèi)星和LEO 衛(wèi)星的位置和速度等軌道信息，計(jì)算得到的GNSS 信號(hào)的附加相位和彎曲角。因此，GNSS 無線電掩星數(shù)反演無需定標(biāo)，與地表空間范圍的不同的地物類型無關(guān)。

1.2 微波探測儀探測原理

微波能夠穿透云雨，對大氣溫度、水汽、云中液態(tài)水、云冰、降水和海面風(fēng)速等地球物理參數(shù)敏感，工作在微波波段的大氣探測載荷能夠?yàn)閿?shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候研究提供有用的信息。根據(jù)輻射能量傳輸方程，衛(wèi)星所測的輻射強(qiáng)度受到大氣層溫、濕度的影響，通常用一個(gè)權(quán)重函數(shù)來描述不同高度大氣溫濕度對輻射強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，權(quán)重函數(shù)隨著波長（通道）而變化，從而探測大氣溫濕度廓線［11］。單一通道的輻射值包含了一定高度范圍的溫度濕度信息，不同通道對應(yīng)著不同高度的大氣溫、濕度的貢獻(xiàn)，多通道的輻射強(qiáng)度（通常用所謂的亮溫來度量）綜合使用可以得到大氣溫濕度隨高度的變化。進(jìn)而可全天候獲取大氣溫度、濕度垂直廓線、降雨等重要大氣參數(shù)，為氣象預(yù)報(bào)、氣候變化研究和災(zāi)害監(jiān)測等提供重要數(shù)據(jù)資料。

如圖1 所示，針對掃描式微波輻射計(jì)，不同像元的入射角呈規(guī)律性變化，且均已知。像元大小根據(jù)觀測幾何分析可知，中心星下點(diǎn)為圓形，分辨率最高，隨著角度的增加像元逐漸增大，演變?yōu)闄E球形，分辨率降低，最邊緣像元橢球面積最大，角度最大，分辨率也最低。交軌掃描微波輻射計(jì)在每個(gè)掃描周期內(nèi)，固定觀測冷空和熱源，以及對地觀測像元面積不等的對地目標(biāo)，窗區(qū)通道以地表探測為主，用于探測地表和海表信息，吸收通道以大氣探測為主，產(chǎn)品包括溫濕度廓線和降水等。由于大氣輻射傳輸原理和常規(guī)輻射計(jì)通道設(shè)計(jì)規(guī)律，目前廓線反演問題為不適定方程的求解，結(jié)果不唯一，在實(shí)際廓線反演過程中，多采用半物理半統(tǒng)計(jì)的求解方法，尋找局部最優(yōu)，因此，反演產(chǎn)品存在一定誤差。

圖1 星載微波輻射計(jì)觀測幾何Fig.1 Observation geometry of space borne microwave radiometer

1.3 掩星探測原理

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）衛(wèi)星高度約20 200 km，其發(fā)射的無線電電磁波經(jīng)過地球大氣層時(shí)會(huì)受大氣折射作用而彎曲［12］。放置于低軌（Low Earth Orbit，LEO）衛(wèi)星（＜1 000 km，如極軌氣象衛(wèi)星）的GPS 接收機(jī)可利用無線電掩星技術(shù)探測出總的彎曲角，去除電離層對彎曲角的影響后，利用彎曲角與中性大氣折射率之間的對應(yīng)關(guān)系可求出折射率。由于大氣折射率主要是大氣溫度、濕度的函數(shù)，因此經(jīng)過進(jìn)一步的處理，可得到大氣的溫濕度信息，如圖2 所示。這一技術(shù)的主要特點(diǎn)是垂直分辨率高，無需定標(biāo)，全天候探測，可與傳統(tǒng)的垂直對地遙感相互補(bǔ)充。

圖2 GPS-LEO 掩星事件示意圖Fig.2 Schematic diagram of GPS-LEO occultation event

GNSS 無線電掩星探測技術(shù)具有高垂直分辨率、高精度、全球覆蓋、自定標(biāo)、長期穩(wěn)定、全天候和成本低廉等優(yōu)勢，是一種能提供全球均勻分布、高垂直分辨率溫度、濕度、壓強(qiáng)等廓線的大氣監(jiān)測手段［13-15］。GNSS 無線電掩星大氣探測技術(shù)具有自定標(biāo)特性，精度主要與GNSS 掩星探測儀器的鐘相關(guān)，與其他特性關(guān)系較小，具有長期穩(wěn)定性，可作為其他大氣探測方法，比如星載微波輻射計(jì)的校驗(yàn)基準(zhǔn)。

1.4 基于掩星資料產(chǎn)品檢驗(yàn)涉及的技術(shù)問題

定標(biāo)精度不僅反映了微波輻射計(jì)的研制水平的高低，而且也影響微波輻射圖像的解讀和判讀的準(zhǔn)確度，定標(biāo)是實(shí)現(xiàn)定量化微波遙感的前提。微波輻射計(jì)儀器定標(biāo)是標(biāo)定微波輻射計(jì)輸出（電壓或電壓數(shù)碼）與輸入噪聲溫度之間的定量關(guān)系的過程，在軌定標(biāo)采用星載定標(biāo)體和冷空作為參考源。通過近年來的研究發(fā)現(xiàn)，同一微波儀器性能會(huì)有衰減性，不同衛(wèi)星代際間的微波儀器存在不一致性，不同體制對同一大氣場景觀測的結(jié)果也不盡相同。

星星定標(biāo)是衡量微波輻射計(jì)觀測資料質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)?；诙嘈强缙脚_(tái)觀測數(shù)據(jù)，運(yùn)用GNSS 無線電掩星探測資料的微波輻射觀測基準(zhǔn)具有可行性。但由于GNSS 無線電掩星和微波輻射計(jì)工作機(jī)理和觀測幾何不同，信息來源不同，觀測的地物目標(biāo)也不同，星間標(biāo)定技術(shù)涉及基準(zhǔn)GNSS無線電掩星資料的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性、時(shí)空匹配、誤差校正、觀測能量比對、參數(shù)反演和誤差來源分析等。

被動(dòng)微波遙感觀測資料的空間分辨率較低，通常是幾十公里，因此，在一個(gè)被動(dòng)微波像元內(nèi)，地表空間范圍內(nèi)往往包含多種不同的地物類型，這種視場內(nèi)地表類型的變化稱為地表的空間異質(zhì)性。而GNSS 無線電掩星是臨邊大氣探測，其數(shù)據(jù)反演主要基于GNSS 衛(wèi)星和LEO 衛(wèi)星鐘記錄的時(shí)間，以及衛(wèi)星星歷提供的GNSS 衛(wèi)星和LEO 衛(wèi)星的位置和速度等軌道信息，計(jì)算得到的GNSS 信號(hào)的附加相位和彎曲角。因此，GNSS 無線電掩星數(shù)反演無需定標(biāo)，與地表空間范圍的不同的地物類型無關(guān)。

2 數(shù)據(jù)收集和處理流程

2.1 數(shù)據(jù)收集

本文選取2019 年1 月至2019 年12 月的在軌微波濕度計(jì)數(shù)據(jù)和ROMSAF 數(shù)據(jù)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。微波濕度計(jì)數(shù)據(jù)包括1 級軌道亮溫?cái)?shù)據(jù)，通過算法實(shí)現(xiàn)溫濕度計(jì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)；ROMSAF 數(shù)據(jù)為全球的事件區(qū)域溫濕度廓線。

以2019 年1 月為例，微波濕度計(jì)文件436 個(gè)，每個(gè)文件包含若干掃描線和不同角度的像元，質(zhì)量控制和去除邊緣角度后，剩余匹配點(diǎn)431 139 個(gè)，掩星樣本36 413 個(gè)，每個(gè)樣本是一個(gè)事件。數(shù)據(jù)具體匹配原則為時(shí)間差小于30 min，經(jīng)緯度差小于0.5o，匹配成功的數(shù)據(jù)量為80 306 個(gè)，每天數(shù)據(jù)量大約為2 500 個(gè)，具體如圖3 和圖4 所示。通過匹配分析，2019 年1 月至12 月，匹配樣本共計(jì)961 643 個(gè)，如圖5 所示。

圖3 經(jīng)緯度和時(shí)間閾值內(nèi)的匹配分布圖Fig.3 Matching distribution map within the threshold of latitude，longitude and time

圖4 微波掃描角度和與匹配點(diǎn)的分布關(guān)系Fig4 Relationship and distribution between microwave scanning angle and matching points

圖5 微波輻射資料和掩星事件匹配全球分布圖（2019 年1 月2 日）Fig.5 The global matching map of microwave radiation data and occultation event（January 2，2019）

2.2 星星比對算法流程

在獲得多星跨平臺(tái)多源觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，針對地物穩(wěn)定目標(biāo)，以GNSS 無線電掩星探測資料為基準(zhǔn)，開展微波輻射觀測星星定標(biāo)。由于GNSS 無線電掩星和微波輻射計(jì)工作在不同平臺(tái)上，掩星是臨邊探測，微波輻射計(jì)是下視掃描觀測，工作機(jī)理分別為主動(dòng)和被動(dòng)，信息來源方向不同，觀測的地物目標(biāo)不同，不同觀測體制的時(shí)間分辨率、空間分辨率也不同。

掩星的優(yōu)勢在于高垂直分辨率，不需要定標(biāo)，與地表空間范圍的不同的地物類型無關(guān)，測量量與產(chǎn)品具有準(zhǔn)確的對應(yīng)關(guān)系。缺點(diǎn)是水平分辨率差，一般為幾百公里；空間覆蓋差，全球并非柵格分布，而是事件性質(zhì)的觀測。而微波輻射計(jì)是被動(dòng)測量的一種探測設(shè)備，星載微波輻射計(jì)具有全球覆蓋性，每天2 次全球覆蓋，多星組網(wǎng)具有更高的回訪周期，空間分辨率為數(shù)十公里量級，在一個(gè)被動(dòng)微波像元內(nèi)，地表空間范圍內(nèi)往往包含多種不同的地物類型，這種視場內(nèi)地表類型的變化稱為地表的空間異質(zhì)性。

如圖6 所示，本文將結(jié)合2 種體制的差別和聯(lián)系，在2 個(gè)層面上進(jìn)行標(biāo)定。一是對掩星產(chǎn)品進(jìn)行輻射傳輸計(jì)算，與微波輻射計(jì)亮溫產(chǎn)品比較定標(biāo)；二是對微波輻射計(jì)進(jìn)行廓線反演，與掩星產(chǎn)品進(jìn)行比對和定標(biāo)，并為星地產(chǎn)品檢驗(yàn)驗(yàn)證做準(zhǔn)備工作。

圖6 掩星星地產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)路線圖Fig.6 Technical flow of occultation product quality inspection

具體步驟如下：

步驟1利用GNSS 掩星數(shù)據(jù)產(chǎn)品和地面微波輻射測量資料，對場景目標(biāo)開展針對性的連續(xù)觀測以及控制試驗(yàn)觀測，并且配合以上的操作步驟來獲取大氣的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)和地表參數(shù)的時(shí)變特征；

步驟2開展像元均勻性和一致性分析；

步驟3利用國產(chǎn)多系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合國外同類載荷觀測數(shù)據(jù)，收集多種類微波儀器觀測亮溫?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匹配和質(zhì)量控制；

步驟4對上述測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分類、完善地表相關(guān)參數(shù)模型和基于掩星資料的定標(biāo)模型；

步驟5開展星星一致性分析，并結(jié)合完善的地表參數(shù)模型和大氣校正模型，開展星地比對分析，基于掩星資料評估星載微波輻射計(jì)在軌性能。

如圖7 所示，微波亮溫依據(jù)儀器指標(biāo)設(shè)置而定，本試驗(yàn)選取了大氣氧氣吸收通道116.75 GHz 和54.40 GHz，基于掩星數(shù)據(jù)的仿真亮溫和微波觀測亮溫一致性較好，相關(guān)系數(shù)優(yōu)于0.99，偏差小于5 K，如圖8 所示。

圖7 基于掩星資料的輻射亮溫與微波觀測亮溫比對Fig.7 Comparison of brightness temperature based on occultation data and microwave observation

圖8 亮溫偏差分布Fig.8 Deviation distribution of brightness temperature

2.3 星地一體化產(chǎn)品評估

星載微波輻射計(jì)以其空間覆蓋面廣、時(shí)間取樣頻率和水平分辨頻率高、資料一致性好、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，在氣候研究、天氣預(yù)報(bào)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用?；谖⒉ㄓ^測資料的大氣溫濕廓線反演精度很大程度上取決于所建立的輻射傳輸模型的精度。而GNSS 無線電掩星數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要包括：溫度、濕度、壓強(qiáng)等大氣廓線，上述為星地一體化中的“星”。

而星地一體化中的“地”，依據(jù)全球微波輻射穩(wěn)定性分析，選擇微波輻射特性均勻、穩(wěn)定的云南普洱熱帶雨林和開闊海面。將掩星資料、相近時(shí)間內(nèi)相同觀測區(qū)域微波載荷或國外同類衛(wèi)星載荷微波輻射值進(jìn)行比對和檢驗(yàn)，開展掩星星地一體產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)試驗(yàn)。首先，根據(jù)衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)時(shí)間表，選取衛(wèi)星通過輻射校正場上空時(shí)、大氣狀況滿足輻射校正觀測規(guī)范要求的日期時(shí)間；然后，分別在衛(wèi)星過境時(shí)，進(jìn)行場地同步觀測，獲取衛(wèi)星遙感圖像資料和用于大氣輻射傳輸處理的所有場地同步觀測資料。

對于掩星和微波輻射計(jì)，星地一體化產(chǎn)品落腳在溫度和濕度廓線。利用微波輻射計(jì)測得的亮溫值來反演溫濕廓線是大氣探測很常用的手段，其原理是利用在各不同頻率通道測得的天空亮溫值，計(jì)算出同一時(shí)間、同一地點(diǎn)垂直分布的大氣溫濕度數(shù)值。

比對和檢驗(yàn)可采用均方差、相對均方差等指標(biāo)，并對指標(biāo)符合性和偏理性進(jìn)行詳細(xì)分析。

將微波反演得到的大氣溫濕廓線與掩星廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，主要采用3 個(gè)參數(shù)衡量誤差：均方根誤差σRMSE、相對誤差Er 和偏差，它們分別定義為

式中：X為溫度向量T或濕度向量ρ；X?為反演X得到的結(jié)果；E(X)為掩星廓線數(shù)據(jù)的均值。

3 結(jié)果檢驗(yàn)與分析

3.1 結(jié)果檢驗(yàn)

如圖9 所示，針對大氣溫度和濕度廓線，由于大氣溫度廓線相對穩(wěn)定，廓線直接比對和均方差均優(yōu)于大氣濕度廓線。經(jīng)過對2019 年匹配樣本的分析，大氣溫度廓線的均方差為1.92 K，大氣濕度的均方差為22.8%。通過比對發(fā)現(xiàn)，由于相對濕度變化較大，反演誤差與實(shí)際水汽分布有關(guān)，微波探測儀反演結(jié)果與掩星產(chǎn)品相比，具有高估效果，這主要是由于在183 GHz，對水云和冰云具有聯(lián)合觀測效果，不能合理解耦造成的。

圖9 微波反演廓線與掩星反演廓線的比較Fig.9 Comparison of microwave inversion profile and occultation inversion profile

在匹配區(qū)域和時(shí)間范圍內(nèi)，云主要分布在距離地面2～4 km 的高度范圍內(nèi)，云的分布對廓線反演結(jié)果產(chǎn)生了很大影響，而在無云的高層區(qū)，反演結(jié)果幾乎不受影響。水云對于窗區(qū)通道影響較大，但對于氧氣通道影響很小。因此，本文利用微波反演的廓線不僅用到了窗區(qū)通道，也用到了水汽和氧氣吸通道，常規(guī)的星上定標(biāo)方法會(huì)隨著衛(wèi)星平臺(tái)環(huán)境溫度而受影響，這正是掩星和微波資料星地標(biāo)定的意義所在。

3.2 青藏高原地區(qū)結(jié)果分析

青藏高原位于我國西部地區(qū)（北緯25o～40o，東經(jīng)75o～105o），利用2019 年FY-3C 衛(wèi)星過境時(shí)（0—4時(shí)）MWHTS 觀測的亮溫?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)過掩星校正后反演的大氣溫濕度廓線結(jié)果如圖10 和圖11 所示。

圖10 青藏高原地區(qū)2019 年1 月—12 月0 時(shí)—4 時(shí)左右大氣溫度廓線分布Fig.10 The distribution of atmospheric temperature profiles in the Qinghai-Tibet Plateau from January to December 2019 at around 0：00～4：00 o’clock

如圖10 和圖11 所示，青藏高原地區(qū)由于其地形的復(fù)雜和多變，青藏高原上氣候本身也隨地區(qū)的不同而變化很大。青藏高原地區(qū)2014 年全年0—4 時(shí)反演大氣溫度和濕度廓線日分布如圖12 所示。青藏高原地區(qū)2014 年全年0—4 時(shí)大氣溫度和濕度廓線等壓層的日分布如圖13 所示?？梢?，青藏高原地區(qū)大氣溫度規(guī)律呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，極少出現(xiàn)逆溫層的情況，而相對濕度變化較大且無規(guī)律性，550 MPa以下出現(xiàn)近似恒濕層，而在550 MPa 之上多出現(xiàn)云層，之后相對濕度降低，這也是該區(qū)域氣象資料缺乏嚴(yán)重影響天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度和氣候研究的主要因素。青藏高原地區(qū)2019 年1—12 月大氣溫度廓線在30 kPa、50 kPa 和100 kPa 處的日變化規(guī)律分析圖和青藏高原地區(qū)2019 年1—12 月大氣濕度廓線在30 kPa、50 kPa 和100 kPa 處的日變化規(guī)律分析，如圖14 所示。

圖11 青藏高原地區(qū)2019 年1 月—12 月0 時(shí)—4 時(shí)左右大氣濕度廓線分布Fig.11 The distribution of atmospheric humidity profiles in the Qinghai-Tibet Plateau from January to December 2019 at around 0：00～4：00 o’clock

圖12 青藏高原地區(qū)2019 年10 月0 時(shí)大氣溫度和濕度廓線分布Fig.12 The distribution of atmospheric temperature and humidity profiles in the Qinghai-Tibet Plateau at 0 o’clock in October，2019

圖13 青藏高原地區(qū)2019 年10 月12 時(shí)大氣溫濕度廓線等壓層的日分布Fig.13 The daily distribution of the atmospheric temperature and humidity profile of isobaric layer in the Qinghai-Tibet Plateau at 12 o’clock in October，2019

圖14 青藏高原地區(qū)2019 年10 月大氣溫濕度廓線變化規(guī)律分析Fig.14 Variance analysis of the temperature and humidity profile of the Qinghai-Tibet Plateau in October 2019

通過分析2019 年1—12 月份衛(wèi)星過境時(shí)刻的大氣溫濕度廓線在不同氣壓層的分布可知，50 kPa和30 kPa 處，大氣溫度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，夏季呈現(xiàn)高溫峰值，且具有高度一致分布曲線，說明大氣環(huán)流變化比較均勻，而在地表100 kPa 附近，大氣溫度高溫持續(xù)時(shí)間較長，占據(jù)全年一半以上，且分布在春末—夏季—秋初，但受限于地理位置和氣候，溫度全年較低。而大氣水汽分布則呈現(xiàn)不同的規(guī)律，夏季由于高溫，濕度較大，1 月盡管溫度低，但相對濕度卻呈現(xiàn)高值狀態(tài)。50 kPa 大氣濕度與100 kPa 呈現(xiàn)類似的分布，但30 kPa 大氣濕度變化與季節(jié)無明顯聯(lián)系，因?yàn)樵?0 kPa 處，飽和水汽壓和溫度降低，受地表熱輻射的影響較小，大多取決于實(shí)際的溫度、壓強(qiáng)、風(fēng)等熱力和動(dòng)力因素。

4 結(jié)束語

本文針對地物穩(wěn)定目標(biāo)，以GNSS 無線電掩星探測資料為基準(zhǔn)，開展微波輻射觀測星星定標(biāo)。進(jìn)而，利用FY-3C/MWHTS 實(shí)測的2019 年亮溫?cái)?shù)據(jù)，反演青藏高原地區(qū)大氣溫濕度廓線，并結(jié)合匹配的掩星反演的廓線數(shù)據(jù)。聯(lián)合分析了青藏高原地區(qū)大氣溫濕度的時(shí)空分布規(guī)律，著重分析了2019年10 月12 時(shí)的大氣溫濕度廓線在不同等壓層的分布情況，提供了該時(shí)間段青藏高原氣候變化分析的連續(xù)資料，為我國極軌氣象衛(wèi)星輸出青藏高原地區(qū)三維大氣溫濕度廓線產(chǎn)品提供了參考和論證［16］。