文/靜淺說
編輯/靜淺說
前言
水蒸氣是大氣中主要的溫室氣體，對幾乎所有氣候變化過程都起著重要作用。水蒸氣的運輸和相變直接影響雲和降水的形成，從而調節了地球的水文循環和能量平衡。
水蒸氣還對大氣化學和光化學產生強烈影響，為了進行氣候變化評估、天氣預測和大氣化學研究，需要準確了解大氣水蒸氣的分布。
全球水蒸氣垂直剖面可以從衛星紅外和微波聲吶中獲取。然而沒有單一的遙感技術能夠完全滿足數值天氣預報、化學和氣候研究在垂直解析度、空間和時間覆蓋範圍以及準確性方面的需求。
微波探測器
自1980年以來，衛星紅外和微波聲吶已被常規用於監測中低層對流層的溫度和濕度剖面。
2002年發射的大氣紅外聲吶是NASA Aqua衛星上的一台高光譜解析度輻射計。通過紅外波段的2000多個高光譜解析度通道，大氣紅外聲吶能夠在晴朗的天空下提供卓越的中層對流層溫度和水蒸氣檢測。
自2002年以來，大氣紅外聲吶的測量數據，與來自大氣聲音干涉儀和交叉紅外聲吶的最新高光譜解析度紅外測量數據一起，一直持續觀測對流層水蒸氣。
然而由於這些儀器在權重函數和信噪比方面的分辨能力有限，仍然無法準確估算下對流層的水蒸氣濃度。
紅外聲吶不能感知雲層下的大氣剖面，而紅外數據僅限于晴朗的天空，微波聲吶可以提供全天候數據產品。
有三個主要的微波輻射計具有足夠的解析度和穩定性來測量對流層水蒸氣：美國國家海洋和大氣管理局衛星上的先進微波探測器-A和先進微波探測器-B，NOAA-18和氣象運營衛星A衛星上的微波濕度聲吶，以及SNPP和首個Joint Polar Satellite System上的先進技術微波聲吶。
這些搭載在極地軌道衛星上的微波聲吶已被NOAA常規用於生成全天候條件下的對流層溫度和濕度剖面以及多雲條件下的水文變數。
使用一維變分方案，美國國家海洋和大氣管理局的微波綜合反演系統反演軟體包經常用於對NOAA-18、NOAA-19和氣象運營衛星-A上的AMSU/微波濕度聲吶感測器進行優化溫度、濕度和地表皮膚溫度的檢測，以及陸地和海洋雲中的水滴變數。
微波綜合反演系統檢測到的參數已經通過獨立測量進行了全球驗證，然而研究表明，微波綜合反演系統推導的陸地和海洋雲中的水滴參數仍然存在不確定性，特別是在下對流層。
這部分原因是AMSU/先進技術微波聲吶測量沒有足夠的信息來完全解析雲層下的水滴變數、溫度和水汽剖面。
除了 pass 無源紅外和微波聲吶觀測之外，主動全球定位系統射電掩星技術還可以提供全天候的溫度和濕度剖面。
與無源MW和IR感測器不同，全球定位系統射電掩星是一種主動遙感技術，可以提供全天候、高垂直解析度的彎曲角和折射率剖面。
藉助對GPS和低地球軌道衛星的精確位置和速度的了解，這些衛星攜帶GPS接收器，可以導出射線近地點的彎曲角垂直分布。
從彎曲角的垂直分布中，可以推導出大氣彎曲角和折射率的垂直分布，這是大氣溫度、濕度和壓力的函數。
自2006年FORMOSAT-3/COSMIC衛星發射以來，GPS RO數據已廣泛用於天氣預報和氣候研究。有關彎曲角計算的不同數值方法和各種假設可以在中找到。
COSMIC溫度和水汽檢測
通過將GPS接收器置於低地球軌道中，GPS RO技術精確地測量了來自GPS星座的射頻信號在穿越地球大氣時的相位延遲。
作為主動邊緣聲測量，GPS RO技術能夠以非常高的垂直解析度檢測微波折射率的剖面。根據詳細的理論研究，均方根誤差估計值小於1K，並且這一估計與RO、探空觀測以及其他衛星測量之間的大量交叉驗證研究一致。
儘管RO測量對雲不敏感，但對大氣密度剖面的垂直結構非常敏感。當已知準確的RO觀測、GPS和LEO衛星的精確位置和速度時，可以推導出準確的大氣溫度和濕度剖面。
RO得到的溫度剖面，特別是在下平流層，已經進行了大量驗證，COSMIC溫度與200至20hPa的Vaisala-RS92溫度非常接近。
請注意Vaisala-RS92是最精確的現代探空氣球之一，結構不確定性在100hPa以下為±0.2K，在更高層次略高。
根據Vaisala網站上的RS92數據連續鏈接，包括RS92在內的Vaisala數據已經校正了可能的輻射誤差。
它們在這個高度範圍內的平均溫度差異非常接近於零，由於RO數據的質量不受地理位置和時間的影響，因此它對評估探空感測器的系統誤差非常有用，而這些特性可能會受到不斷變化的環境和感測器類型的影響。
這個結果還展示了RO溫度剖面的質量，其中COSMIC推導的平均溫度剖面的精度估計在8至30km範圍內優於0.05K。
COSMIC水汽不確定性
通過使用一種高級跟蹤技術，稱為「開環跟蹤」，COSMIC任務中超過90%的RO剖面能夠穿透到2km以下。
GPS RO折射率對溫度或水汽敏感，取決於大氣條件，在水汽可以忽略的上層對流層中，RO觀測對大氣溫度變化的敏感性高於對水汽含量的敏感性。
然而在富含水汽的對流層中，RO折射率對水汽變化更為敏感。
使用一維變分演算法來推導最優溫度和水汽剖面，同時使用RO折射率中的溫度和水汽剖面。 ERA-Interim再分析數據被用作1D-var演算法的先驗估計。
通過與地面GPS推導的總可降水水進行比較，已經證明了COSMIC推導的總可降水水的準確性，這些GPS數據被認為不依賴於地理位置。
結果表明IGS與COSMIC之間的平均總可降水水差異小於0.2mm，標準差為2.69mm。這展示了COSMIC在下對流層中推導的水汽的準確性，這對於改善大氣紅外聲吶/先進技術微波聲吶檢測特別是在冰面和寒冷地表背景下應特別有用。
COSMIC數據已經用於研究下平流層中大氣溫度和折射率趨勢以及雲層之上、之內和之下的水汽變化。COSMIC水汽數據還用於探測氣候信號，如厄爾尼諾-南方濤動、馬登-朱利安振蕩、大氣河流以及全球變暖引起的總可降水水變化。
空間和時間上分布相對均勻的COSMIC剖面將允許大量RO和大氣紅外聲吶/先進技術微波聲吶一致剖面，這將提供在各種大氣條件下前所未有的大氣溫度和濕度剖面，這在以前是不可能的。
對低平流層和中平流層合併測量的模擬反演
為了說明共位RO數據如何有利於大氣紅外聲吶檢測，進行了多變數回歸模擬研究，同時反演RO和大氣紅外聲吶測量，以獲取溫度和水汽剖面，SARTA用於模擬大氣紅外聲吶輻射。
通過應用NOAA-88b溫度和濕度剖面到大氣紅外聲吶和RO折射率前運算元以及已知的大氣紅外聲吶儀器雜訊和RO折射率測量雜訊，計算了模擬的大氣紅外聲吶亮溫和RO折射率測量。
溫度和濕度的均方根誤差用於RO、大氣紅外聲吶和RO-大氣紅外聲吶檢測，RO和大氣紅外聲吶的組合觀測作用於約束各自的解決方案。
在中低平流層，水汽均方根誤差E明顯改善，大氣紅外聲吶和RO的水汽混合比的均方根誤差E從表面分別為1.5和1.0g/kg，改善為GPS RO與大氣紅外聲吶組合檢測時的0.5g/kg。
由於GPS折射率在中低平流層對溫度不太敏感，因此只發現了小幅度的溫度均方根誤差E改善。
在這一部分，因為使用GPS RO數據來約束大氣紅外聲吶和AMSU溫度檢測，從而提高了上平流層和下平流層中的水汽檢測。
在上平流層，GPS RO折射率對溫度非常敏感，但對水汽的敏感性較低，只能感應到水汽變化的約15%。
所有大氣紅外聲吶、AMSU和GPS RO數據都使用了100級的垂直格點。具有非常高垂直解析度的GPS RO折射率剖面顯示，大氣紅外聲吶和AMSU溫度均方根誤差E從250到100hPa之間的0.8和1.0K分別改善到0.4K，導致了大氣紅外聲吶和AMSU水汽均方根誤差E在相同的層次上分別從4和15ppmv降低到了3ppmv左右。
在200hPa左右有最大溫度梯度的區域，大氣紅外聲吶和AMSU的溫度均方根誤差E約為1.0K。從GPS RO數據以及組合大氣紅外聲吶、AMSU和GPS RO數據中獲得了大幅改進的溫度檢測結果，這對於構建全球上平流層和下平流層的準確溫度和濕度結構非常有用。
這個初始實驗旨在演示所提出的融合方法的可行性，即使用微波綜合反演系統從當前運行的COSMIC和先進技術微波聲吶數據同時檢測全球溫度、水汽剖面和水文數據產品。
收集了10天的COSMIC-先進技術微波聲吶對，並使用RO-微波綜合反演系統進行反演，分別比較了與Vaisala-RS92探空儀的溫度和濕度測量結果相比，與定位的COSMIC和先進技術微波聲吶對的溫度和濕度。
相對於RS92的RO/先進技術微波聲吶結果的平均溫度偏差，對於晴朗的海洋情況，偏差為0.39K，標準偏差為2.26K。
對於多雲的海洋情況，偏差為0.0K，標準偏差為2.35K。對於晴朗和多雲情況，相對於陸地，RO/先進技術微波聲吶結果的溫度偏差都較大。
在海洋表面，各層次的檢測偏差相對較低。陸地檢測的偏差大于海洋。從地表到200 mb的全球平均水汽偏差，分別為晴朗/海洋、晴朗陸地、多雲/海洋和多雲/陸地情況，分別為0.11、0.17、0.11和0.11 g/kg。
相對於RS92，僅使用先進技術微波聲吶進行檢測的溫度和水汽偏差在不同層次上約為COSMIC/先進技術微波聲吶結果的10-20%。
這些結果表明，RO-微波綜合反演系統檢測對於獲取全球溫度和水汽剖面以及水文數據產品具有潛在的可行性，尤其是在晴朗的海洋情況下，偏差較小。
然而在陸地和多雲情況下，偏差較大。同樣相對於RS92，僅使用先進技術微波聲吶進行檢測的偏差較大。
在這項研究中總結了使用主動GPS RO感測器和被動紅外和微波聲納測量來估算全球水汽變化的研究。
通過反演與NASA Aqua 大氣紅外聲吶測量相對應的GPS RO觀測來提取增強的溫度和水汽剖面。這一努力旨在生成改進的溫度和濕度剖面，這是單獨的感測器在RO-大氣紅外聲吶相對位置和時間上無法實現的。
此外還介紹了一種新的檢測RO數據的方法，其中包括MW測量。通過將RO折射率前運算元納入當前可用的微波綜合反演系統包中，我們能夠提供對對流層中的溫度和濕度剖面的改進。
在組合RO和大氣紅外聲吶檢測中，高垂直解析度的RO檢測溫度剖面能夠幫助解決UT/LS中的急劇溫度反轉層，並限制相同高度的大氣紅外聲吶水汽檢測。
由於RO數據在濕度豐富的對流層中對水汽變化也非常敏感，因此RO數據還將幫助提供組合大氣紅外聲吶和RO檢測的低對流層的額外水汽信息。
結果表明組合大氣紅外聲吶和RO觀測有助於限制各自的解，顯著改善了中下層對流層的水汽均方根誤差E。 大氣紅外聲吶和GPS RO的水汽混合比均方根誤差E從表面分別提高到0.5 g/kg的GPS RO組合大氣紅外聲吶檢測，從1.5和1.0 g/kg。
由於GPS折射率在對流層中對溫度不太敏感，因此只有小幅度的溫度均方根誤差E改進。在COSMIC、先進技術微波聲吶和先進技術微波聲吶+COSMIC檢測結果中也找到了類似的結果。
在未來將應用2006年至2016年的大氣紅外聲吶和COSMIC數據來推導物理反演演算法，並將檢測結果與原位數據進行驗證。
COSMIC的成功也促使美國機構繼續進行後續的FORMOSAT-7/COSMIC-2RO任務，與台灣合作。
該任務將於2018年初將六顆衛星送入低傾角軌道，預計每天可產生多達6000個均勻分布的RO剖面。
這將使2018年後出現大量RO和AMSU/先進技術微波聲吶巧合對，為各種大氣條件下雲層下的大氣熱力學和水文信息提供前所未有的機會，這在以前是不可能的。
總結
水蒸氣在大氣中的分布和變化對我們理解氣候變化、天氣預測和大氣化學都具有至關重要的意義。
從過去幾十年的科學研究中，我們可以看到不同遙感技術的不同優勢，以及它們如何相互補充，為我們提供更準確和全面的大氣溫度、濕度和水汽剖面數據。
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