基于非均匀通带响应的FY3D MWTS晴空观测算子优化关键技术研究

As the newest generational polar-orbiting microwave temperature sounding unit, FY3D MWTS plays an important role in numerical weather forecasts data assimilation and three dimension atmospheric temperature retrieval. FY3D MWTS clear-sky observation operators as the key of microwave radiation simulations, is meaningful to the upper quantitative applications. ..During the generating processes of existing FY3D MWTS clear-sky observation operators, inhomogeneous passband response of observing channels and uncertainty of the applicability of line-by-line atmospheric absorption model are not considered. From the standpoint of inhomogeneous passband response adding and line-by-line model optimizing, based on the former research of the applicant in analysis of line-by-line model and modeling of atmospheric microwave radiative transfer, this application will explain the affecting mechanism of inhomogeneous passband response to the simulations of microwave radiation, and get the best sampling rate of passband response. By using deep learning technology, absorption line libraries and absorption line types under different seasons and channels will be optimize, and new time and channel varied mixed atmospheric absorption model will be proposed. Finally the key technologies of MWTS clear-sky observation operators will be formed. This research can provide technical support and methodology basis for other microwave sounders.

FY3D MWTS在数值天气预报资料同化和大气参数反演等领域发挥着重要作用。FY3D MWTS晴空观测算子作为微波辐射模拟的关键，对MWTS在上述领域定量应用具有重要的意义。.现有FY3D MWTS晴空观测算子的产生过程中，并未充分考虑观测通道的非均匀通带响应，也未考虑所使用的逐线积分大气吸收模型在适用性方面的不确定性问题。本研究拟从观测通道的非均匀通带响应及逐线积分大气吸收模型优化两方面，以申请者前期对逐线积分大气吸收模型的研究分析和大气微波辐射传输建模方面的工作为基础，揭示非均匀通带响应对微波辐射模拟的影响机制，分析MWTS响应函数的最佳采样率。利用深度学习方法对不同的吸收线库和吸收线型在不同季节和观测通道的场景下进行最优化，提出新的时域可变的通道差异化混合大气吸收模型。最终形成对MWTS晴空观测算子优化的关键技术。本研究将为其它同类微波探测观测算子改进提供技术支撑和方法基础。

风云三号D星（FY-3D）搭载的国产微波温度探测仪（MWTS），在国产全球数值天气预报模式（CMA-GFS）的资料同化系统中发挥着重要作用。精确模拟MWTS数据对获得精确的模式初始场具有重要意义。在资料同化系统中，晴空观测算子表征观测仪器的观测特性，直接决定MWTS微波辐射模拟的精度。本研究开展前，MWTS晴空观测算子相关研究并未充分考虑观测通道的非均匀通带响应及大气吸收模型适用性的不确定性等问题。. 本研究从MWTS通带响应的角度，研究晴空观测算子模拟过程中真实非均匀光谱响应对微波辐射模拟的影响机制，原创提出典型光谱畸变型库，从理论角度分析典型光谱畸变型对微波辐射模拟的影响机制，分析四边带通道光谱响应轴对称特征对微波辐射模拟的影响机制；分析比较不同大气吸收模型对微波辐射模拟的影响机制。.本研究发现，真实光谱响应可有效提高CMA-GFS资料同化系统的微波辐射模拟精度，对于弱大气吸收通道，模拟精度在海陆交界地区提高最大（RMSE减小4.7%），海洋地区其次（RMSE减小2.6%），陆地地区最小（RMSE减小1.8%）；对于强大气吸收通道，全球平均微波辐射模拟误差明显减小30%左右。本研究原创提出的光谱畸变类型库中，对于四边带通道，内外边带不平衡畸变对微波辐射模拟影响最小，其次是陷波畸变；边带漂移对微波辐射模拟影响最大，其次是边带扩展，再次是边带衰减；对于单边带通道，双侧衰减对微波辐射模拟影响最大，通带偏移与通带扩展影响次之，陷波畸变影响最小。四边带通道光谱响应的轴对称特性可有效抑制光谱畸变产生的微波辐射模拟误差，最大可达约0.4K；在微波毫米波频段，不同大气吸收模型中MPM模型效果最优。. 通过本研究，可有效减小CMA-GFS同化系统中MWTS微波辐射模拟误差，提高其初始场精度；针对光谱畸变型和四边带通道光谱响应对称性研究的结论为微波温度计硬件设计提供新的设计思路；也为同类遥感器的研究提供借鉴。. 本研究弥补了微波光谱响应与微波辐射模拟建模相关领域研究的不足，在微波辐射建模和卫星资料同化研究领域具有一定的科学意义。