对于沉淀冰相粒子在85–183 GHz通道中微波辐射的敏感性外文翻译资料

 2022-12-09 10:12

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对于沉淀冰相粒子在85–183 GHz通道中微波辐射的敏感性

R. Bennartz

美国威斯康辛州威斯康辛大学麦迪逊分校大气科学与海洋科学系

P. Bauer

欧洲中尺度天气预报中心，英国伯克郡

2002年2月28日收到；2002年9月3日修订；2002年9月19日接受；2003年7月15日发表。

摘要:[ 1 ]已经研究了被动微波观测对冰粒子散射和表面发射率在频率为85,150和183GHz的响应。对不同降水事件进行二维和三维模拟，我们发现在150 GHz的通道由于降水量大小的冰粒子具有最强的散射特征。该频道只受表面发射率变化适度的影响。在150 GHz通道在云水的变化的灵敏度约为25（kg-1m3）。相比之下，在表面的发射率变化的灵敏度约为5 K /（10%）冷、干空气和小于1 K /（10%）为典型的中纬度大气。在85 GHz通道是更强大的表面发射率变量的影响，灵敏度高达15 K /（10%），表明平均2至2.5次较小的散射特征（10kg-1m3）。一个水汽通道在183–7 GHz的冰粒子散射强烈地依赖于环境条件，但一般在1.5倍到2.5小于150 GHz的敏感性。这是由于水蒸气和云上的总排放量的贡献，掩蔽的散射信号。加权函数的通道在183–3和183–1 GHz峰值太高了在大气中只显示弱或可忽略不计的响应下的降水事件的调查。基于这些结果，频率约为150 GHz，可能与在85和183–7 GHz通道组合似乎最适合在中高纬度地区降水特性的检测与提取。

关键词：降水，冰晶，微波遥感，伴随敏感度

1.说明

[ 2 ]随着热带降雨测量任务的成功（TRMM）降水被动微波估计已经成为一个标准的工具来检索沉淀特性。如未来的卫星任务的全球降水测量（GPM）可能延长TRMM像观测能力的高纬度地区。中高纬度降水带来的被动微波传感器设计的附加约束。特别是，冷冻沉淀的频繁发生，使我们有必要研究高频通道可能带来的好处（大于100 GHz），这是更敏感的散射的降水量大小的冰。目前只有跨轨道扫描先进的微波探测装置-B（AMSU-B）机载资料和NOAA-16配备这样的渠道。在不久的将来，专用传感器微波成像仪的探测器（SSMIS）也将有助于全球高分辨率测量在不同的高频率。

[ 3 ]对于Nonprecipitating液态云，Muller et al.[1994]量化的相对表面的贡献小于20%在157 GHz的0.9的表面发射率在89 GHz的灵敏度提高了1.5–2倍。在降水发生的情况下，在85 GHz以上的观测信息的内容在很大程度上取决于制定和颗粒密度、粒径分布的假设，和混合规则[Gasiewski,1992;Burns et al.,1997;Skofronick-Jackson and Wang,2000;Bennartz and Petty,2001]。特别是89和150 GHz的观察以便更好地检索沉淀冰的微物理特性，采用微分散射特征[Skofronick-Jackson and Wang,2000;Weng and Grody,2000]。

[ 4 ]在目前的调查，因此我们研究不同高频通道的灵敏度的冰粒子散射和各种环境参数，可能会影响所观察到的信号。这是用模型模拟和观测的区别的水蒸气，效果之间进行云水，沉冰，和表面发射率。即使我们限制我们的调查结论是相当一般的高纬度地区，也适用于热带云类型。

[ 5 ]在第2节中，北欧的三维雷达观测作为辐射传输模拟的输入。 分析了大范围的大气条件，以区分大气，云和表面贡献。 通过基于二维光谱模拟辐射传输输出的第3部分的模拟研究，证明了沉淀与非沉淀物的高分辨率特异性反应。 所有结果总结并在第4节讨论。所有的结果在第4节中进行了总结和讨论。

2.表面发射率和环境参数的敏感性

2.1输入数据

[ 6 ]第一组模型模拟是基于1995年在波罗的海中心的Gotland岛上采集的重合雷达体积扫描和SSM / I数据[Bennartz和Michelson，2001]在强化数据采集试点研究中 （PIDCAP）在波罗的海实验框架内（BALTEX）。 Bennartz和Petty [2001]详细描述了输入数据，辐射传递模型和模拟对冰颗粒散射的现实反应的方法。 因此，我们将简要总结已经使用的三个不同降水事件的相关信息。

1.第一个案例是1995年8月29日基于F-10 SSM/I所观测的数据的锋面降水。锋面系统与低压系统的中心在波兰，慢慢地向东北方向移动。前面的自身定位是当时约100公里以东的哥特兰岛。来自SSM /I我表现出强烈的西向东梯度达到17kg/m2在波罗的海西部30kg/m2在东部地区。从SSM /I我在西部地区，超过1kg/m2中很少或没有液态水波兰海岸附近。观察到的亮度温度的洼地，由于在85 GHz的散射是为35 K.

2.第二个案例的时间是1995年9月29日，波罗的海地区是由一个异常寒冷的北极空气对流的影响。天气状况是通过一个广泛的槽，形成了欧洲西部引发和持续超过5天，从27九月到3十月1995。因此，广泛的对流细胞形成在北海和Baltic以及斯堪的纳维亚和德国北部和波兰的白天。SSM/I的平均我检索的水汽路径为14kg/m2。根据地面站报告对流细胞密集的霰和雨有关，积累了一些雨量站降雨率超过10毫米/天。

3.第三个案例是一个密集的雷暴中心北哥特兰岛。这种对流活动是一簇一个向北从德国向芬兰低压系统有关的细胞的一部分。Visby雨量站（哥特兰岛），在1995年8月24日，位于南部边缘的雷雨报道12毫米降水。在斯德哥尔摩，越向西北，降水量只有4毫米/站，更直接影响到其他细胞的集群报道达30毫米降水。观察到的雷达反射率超过50 dBz，最大垂直程度的对流系统约10公里平均水汽路径34kg/m2。85 GHz SSM/I亮度温度（Tb）在对流细胞核心达到最小值低于200 K的无沉淀区的背景值为260 K和265 K之间

[ 7 ]雷达扫描三例为蒙特卡洛三维辐射传输模拟输入。表面发射率变化的系统0.45和0.95之间，因此覆盖范围之间非常湿润和干燥以及冰雪覆盖的表面类型。所有其他的仿真参数，如水蒸气路径，云中液态水、降水类型和强度，在Bennartz和Petty [2001]中所描述的。

2.2仿真结果

[ 8 ] 图1是对三例不同灵敏度的研究结果。左侧表示所有具有显着降水的区域的模拟亮度温度平均值，（雷达派生的降雨率大于0.2毫米/小时（使用马歇尔-帕尔默Z-R转换））作为表面发射率的函数。降雨率在免沉降背景下的亮温和那些获得沉降的地区已经作为不同的方面被计算。

图1左侧的显示的散射信号模拟三种不同的典型的高纬度降水事件为表面发射率函数的灵敏度。右侧显示相对于表面发射率变化10%同一通道的灵敏度。模拟频率85.5，150，183–7、183–3、183–1 GHz。

[ 9 ]可以看出，更透明的环境，特别是对霰阵雨冷空气爆发（图1中间面板），两窗通道在85 GHz和150 GHz具有中等至强烈依赖于表面发射率。作为表面发射率的降水增加免费背景转暖，降水量大小的冰粒子的散射导致更强的抑郁。当气氛变得更光厚，要么通过增加水蒸气（第三例，强对流）或通过增加云中液态水和水蒸气（第一例）从表面发射的辐射的贡献降低。为强对流的情况下，只有85 GHz的TBS显示在表面的发射率的依赖，而正面的情况下观察到的抑郁实际上是独立于表面的贡献在所有渠道。

[ 10 ]在183.31 GHz的水蒸汽吸收线的通道是不敏感的所有表面的发射率。然而，几乎所有的情况下观察到的散射信号在183.31–7 GHz是关于两个小于150 GHz通道的一个因素。这是由于在上面的云，往往掩盖的散射信号的水汽增加的影响。在183.31-3 GHz的只有一个很小的散射特征可以非常干燥的环境中观察到的（霰淋浴）和183.31–1 GHz的降水事件不能检测到所有的。

[ 11 ]不同的渠道，散射的沉降敏感性大小的冰已将不确定性和变化的表面发射率本身的影响有关。右面板图1显示从0.1的表面发射率的增加所导致的TBS的变化。三吸收通道183.31 GHz附近没有表现出由于大气在这些频率已经是不透明的表面发射率变化的任何变化。在150 GHz通道具有适度反应约5 K /（0.1）的干燥气氛（霰雨）和1 K /（0.1）其他两例。85 GHz通道是在表面发射率的变化最为敏感。

[ 12 ]这些结果表明，在150 GHz通道可能确实是最适合于识别和检索在高纬度地区降水。而使用探测通道（183–X GHz）可能是有利的因为即使较小的敏感性相对较浅的表面发射，在高纬度地区降水减少使用这些通道的权重函数的峰值在中、高水平的对流层。只有对非常干燥的环境和较低的表面辐射率183–7 GHz通道显示同样的高灵敏度为通道150 GHz。

3.对水汽的浓度变化的敏感性

[ 13 ]另一个的敏感性进行了研究，探讨上述频率在液体基于云模型模拟这些提供一致的相分布在受控条件下的浓度变化和冰的相对响应。云模型是在耶路撒冷的希伯来大学开发的[Khain and Sednev,1995]由A. Khain教授所提供。

[ 14 ]该模型是非静力计算预测领域七相类，即云、雨水、板、柱、树突，雪，霰，冰雹。一个优势是计算显径谱33类每相从而逼近云的辐射效应，避免了参数化谱的演变。调查是在Mediterranean东部一个模拟对流由平流湿润的海洋空气穿过海岸线，其次是一个扩展的层状尾[Khain and Sednev,1996;Bauer et al.,2000]。这是在3公里的水平分辨率和垂直分辨率为0.4公里的处理。

[ 15 ]相水含量的例子中图2时间步t = 180分钟请注意地面降水率不在对流核心超过11毫米/小时（x = 80–90公里）在层状区雨率仍低于5毫米/小时的亮度温度水凝物含量的扰动的敏感性，W，表示为矩阵，即，

在ϵ是表面发射率和W是水凝物密度g/m3。雅可比然后给出单位kg/m3。辐射传输模拟进行一个固定的表面温度与海洋的表面xlt; 75公里和地表的地方。对于后者的恒定的发射率0.95的假设而海水海水发射率的显式计算的实施。所有的模拟是一个常数53°天顶角。

图2剖面图[g/m3]（a）云和雨中的液态水，（b）冰晶体，（c）雪和（d）霰 来自二维谱云模型模拟。

[ 16 ] 图3显示为89，150，183minus;雅可比矩阵，7，和183minus;3 GHz的云和雨的液态水。有趣的是偶极子的云滴和雨滴之间图3a。在所有的频率增加，这几乎是两倍高在150 GHz的89 GHz相比TB增加云水结果增加。在183minus;7的作用是降低水蒸气的相对强劲的吸收贡献先前提到过。然而，仿真结果表明，该频道在较低的水平，仍然是云水非常敏感（4–6公里高度）。雨的敏感性表现为负Delta;肺结核进入图3a由于在雨滴的散射。虽然这种效果更加明显，在超过89 GHz的频率较高，上面的云图层的不透明度使雨强无形的变化。183minus;3 GHz通道（图3d）只有微弱的回应在对流核心云水的变化。

图3云与雨的雅可比矩阵的液态水在（a）89，（b）150，（c）183minus;7，和（d）183minus;3 GHz。

[ 17 ]雪的微分散射的影响分析图4。在这里，在150 GHz的TBS的减少约3倍强于89 GHz。在183minus;7散射比在89 GHz高但效率不高于150 GHz的前面。比较图4和图2表明整个雪层确定使用89和150 GHz的签名。因此，渠道共同提出了一个极好的工具，雪参数反演。云中液态水的影响可以通过TBS频率

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