FY-3C/MWHTS资料反演陆地晴空大气温湿廓线

针对风云三号C星微波湿温探测仪(FY-3C/MWHTS)的陆地晴空观测资料,建立了一维变分反演系统,对大气的温湿廓线进行反演。为了更好地描述温湿廓线的相关性,同时减小温度和湿度在反演过程中相互之间的误差传递,提出了使用背景协方差矩阵的联合矩阵和单独矩阵进行组合反演的方法。对于MWHTS模拟亮温和观测亮温之间的偏差,使用逐扫描点的统计回归方法进行校正。选择中国部分陆地区域的晴空观测亮温进行温湿廓线的反演,并利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析数据、美国国家环境预报中心(NCEP)分析数据以及无线电探空观测(RAOB)数据对反演结果进行验证,温湿廓线的反演结果与ECMWF再分析数据验证的最大均方根误差分别是2.59 K和11.87%,与NCEP分析数据验证的最大均方根误差分别是1.88 K和21.50%,与RAOB数据验证的最大均方根误差分别是3.43 K和25.48%,验证结果表明了反演结果的可靠性。另外与国外同类载荷AMSU观测亮温的物理方法和统计方法反演精度进行了对比,结果表明:MWHTS具有较强的湿度廓线以及高空温度廓线的探测能力,且针对MWHTS的观测亮温建立的一维变分反演系统具有较高的反演精度。与NCEP 6小时预报廓线的验证结果表明:反演的湿度廓线可以提高预报廓线的精度。     

地基GNSS电离层层析方法及应用

随着GALILEO、GLONASS和BDS等系统的快速发展,全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System)为电离层层析技术的应用带来大量的观测数据,可弥补单星座条件下地面观测站点少和观测视角有限等不足。本文利用多星座GNSS的观测数据,通过融合定权的方式,提出一种基于地基GNSS的电离层层析方法,求解出高精度的电离层电子含量值。利用该方法反演出欧洲区域上空的电子密度。实验结果表明,多星座GNSS反演的精度要优于使用单GPS数据的结果。并将该方法应用到磁暴探测中,与垂测仪的观测结果进行比较,验证了多星座GNSS电离层层析方法的可行性和优越性。     

澳大利亚上空COSMIC掩星廓线的反演

基于几何光学反演方法,由附加相住延迟序列出发,对2007年6月6日发生在澳大利亚上空的一次COSMIC掩星事件进行了反演.将反演得到的折射角、折射率、干温与湿度廓线分别与COSMIC数据分析与管理中心(COSMIC data analysis and archive center,CDAAC)的相应产品进行了比较.结果表明,两者在低对流层存在较显著的差异.以距离该掩星地点300 km以内、观测时间差异2 h以内的无线电探空资料为参照,反演的折射率廓线与CDAAC的折射率廓线在低对流层都存在一定的误差.对于该掩星事件,CDAAC通过变分法反演的湿度廓线并不比本文的反演结果更接近探空廓线;在1 km以下,其变化趋势甚至与探空结果相矛盾.     

多通道地基微波辐射计大气遥感

本文主要介绍了自主研发的多通道地基微波辐射计观测亮温和数据反演方法,并与探空观测值进行对比,分析了辐射计观测亮温、反演的温度和水汽廓线的精度。结果表明,该仪器亮温观测误差小且利用神经网络反演的大气温度及水汽等廓线参数准确可靠,具有实际应用价值。     

FY-3C微波温度计资料的台风“威马逊”垂直结构研究

风云三号C星(FY-3C)携带的微波温度计(MWTS)辐射资料能够穿透非降水云,因此非常适合热带气旋的监测和结构研究。本文使用MWTS观测资料和逐步多元线性回归方法反演晴空和有云两种不同大气状况下的垂直温度廓线。晴空条件下,使用MWTS通道3—10的观测亮温进行大气温度廓线的反演,而有云情况下,仅使用通道5—10,并且两种状况下的逐步线性回归反演都通过1%的信度检验。研究结果表明在晴空状况下,大气各层温度反演的均方根误差都在1.4 K以下,足够精确到可以用于热带气旋上层暖心结构的反演。通过对台风"威马逊"周围温度廓线的反演研究,可以清楚地观察到200 hPa高度层上台风的暖心结构和沿着台风中心的温度梯度热结构,明显优于美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料得到的台风暖心结构。在大气温度廓线反演基础上,先由采用静力平衡计算各层大气台风"威马逊"周围的位势高度场,再由梯度风平衡计算台风周围的水平切向风,结果显示最大风速半径约80km,最大风速达51m/s,且由低层向高层逐步减弱。     

激光掩星探测大气UTLS温度和水汽的方法及仿真

以高精度和高垂直分辨率探测大气区间对流层顶—平流层底UTLS（Upper Troposphere/Lower Stratosphere,5—35 km）的温度和水汽廓线是提高大气条件变化监测水平的关键,而利用激光掩星方法同时探测温度和水汽则是对现有探测技术的重要补充。本文研究了激光掩星协同探测和反演温度和水汽分子数密度的方法,其中重点研究了双吸收波长近红外激光反演温度的方法,具体为从近红外波段氧气吸收光谱中,选择2个不同跃迁能级对应的特征吸收峰,在每个吸收峰附近各选出1个吸收线,利用2个吸收线对应的双吸收波长激光以及参考线对应波长激光进行掩星探测,进而由探测数据反演出温度。整个温度和水汽协同反演步骤是先反演温度廓线,然后由温度廓线以及5 km参考高度处的压强先验值计算得到压强廓线,最后在温度和压强廓线基础上,结合水汽单吸收波长和参考波长激光掩星数据,反演得到水汽分子数密度廓线。此外,本文对探测和反演过程进行了模拟仿真,通过在近红外波段选择合适的氧气吸收波长和水汽吸收波长,模拟得到掩星透过率数据,以此反演得到温度和水汽分子数密度廓线。并通过对整个过程的分析,明确了反演过程中的误差项及其传递关系,结合数值仿真结果,说明了各个误差项的影响大小。结果显示,在UTLS区间内,温度反演误差总体小于1.05 K,水汽分子数密度反演误差总体小于4%,该误差范围说明了温度和水汽协同反演方法的可行性。     

2009年7月22日日全食-电离层响应分析

选取2009年7月22日发生的日全食前后的电离层垂测仪数据来分析日全食期间的电离层响应,并尝试通过掩星电离层反演方法探测本次日全食引起的电离层效应。结果显示,利用垂测仪和COSMIC掩星反演均能够探测到日全食期间受日食影响的电离层的显著变化,但利用COSMIC掩星反演提取的电离层效应所具有的时间分辨率还有待提高。     

AMSR-E/2观测辐射值反演水成物参数

基于先进的微波扫描辐射计AMSR-E/2观测的辐射值,利用-维变分算法(1D-Var)反演各类水成物(云水、雨水和云冰)的垂直廓线,并对其反演结果进行检验。以2014年8月台风"夏浪"为例,分两步对变分反演的云微物理参数进行了检验。首先,将反演的各类水成物含量补充到辐射传输模式的输入场,观测算子模拟的AMSR-2各通道亮温与实况观测相比非常接近,可以很好地模拟出台风外形、强度及螺旋结构。其次,将反演的水成物廓线与载在Cloud Sat上的云雷达CPR同时段观测的雷达反射率因子进行对比,发现反演出的云水、雨水含量大值区与毫米波云雷达观测的雷达反射率因子高值区一一对应,进一步说明1D-Var反演的水成物参数精度很高。然而,由于星载AMSR-E/2观测通道少且空间分辨率低,对尺度较小、较薄的云不敏感,同时对云层较厚的密闭云区和多层云区反演能力也有限。     

奥斯特/GPS掩星与地面雷达联合观测电离层电子密度的初步结果

1999年2月丹麦发射了一颗奥斯特小卫星,它装载了两台GPS接收机,其中一台用于电离层和中性大气掩星测量,另一台用于自主定位。本文给出了1999年10月奥斯特/GPS掩星与日本MU雷达和数字测高仪的联合观测结果。奥斯特掩星反演得到的电子密度剖面与地面雷达观测的进行了比较,结果表明:天基和地基雷达观测的电子密度是一致的。文章还给出利用GPS的单频信号反演电离层电子密度剖面技术和3维射线追踪技术模拟掩星结果。     

奥斯特／GPS掩星与地面雷达联合观测电码离层电子密度的初步结果

1999年2月丹麦发射了一颗奥斯特小卫星,它装载了两台GPS接收机,其中一台用于电离层和中性大气掩星测量,另一台用于自主定位,本文给出了1999年10月奥斯特/GPS掩星与日本MU雷达和数字测高仪的联合观测结果。奥斯特掩星反演得到的电子密度剖面与地面雷达观测的进行了比较。结果表明：天基和地基雷达观测的电子密度是一致的。文章还给出利用GPS的单频信号反演电离层电子密度剖面技术和3维射线追踪技术模拟掩星结果。     

附加平滑约束的电离层层析反演

根据乘法代数重构算法,利用相邻像素之间的连续性及平滑性,采用附加平滑约束的方法来克服没有任何观测信息的像素对经验模型给出的初值的依赖。利用中国地壳运动观测网络的高精度双频GPS观测值,反演了中国区域上空电离层电子密度分布,将反演的结果同检验站的电离层延迟进行对比分析,并且将反演的电子密度剖面与相应的测高仪数据进行比较,验证了此方法的有效性和可靠性。     

利用卫星红外高光谱资料反演大气甲烷浓度垂直廓线

基于欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF)大气廓线库和RTTOV9.3辐射传输正向模式,探讨了大气CH₄混合比浓度垂直廓线和柱总量的经验正交函数(EOF)反演方法,并利用地基傅里叶热红外光谱仪(FTS)观测数据和红外EOSAQUA卫星的大气红外传感器(AIRS)实际观测资料进行反演实验和验证。并且与地基傅里叶热红外光谱仪(FTS)观测结果相比,300hPa以下EOF模型反演的CH₄混合比均方根相对误差小于AIRS的CH₄产品,CH₄柱总量的相对误差也小于AIRS产品。与AIRS的CH₄产品相比,EOF模型反演的CH₄混合比廓线相关系数为0.97,均方根相对误差小于2.5%。验证结果表明EOF模型可以为物理反演提供很好的初始值,由于其稳定且运算更快捷,在业务化运行方面具有很大应用前景。     

GPS掩星数据反演中的地球扁率影响改正

采用CHAMP实测轨道数据和MSISE-90经验干大气模型，分别将地球作为圆球和椭球，前向模拟了附加相位延迟，然后对模拟数据进行反演。通过不同方案下反演温度廓线与大气模型温度廓线的比较，发现实测掩星数据的反演中，忽略地球扁率影响会给温度反演结果带来较大的误差；而采用相应方法对地球扁率影响进行改正后，温度廓线的误差明显减弱，从而证明了改正方法的正确性。     

TERRA/MODIS热红外通道陆地晴空大气可降水分裂窗反演

大气水汽在遥感反演地表温度中起到关键作用,精确的大气水含量对于提升反演精度有着重要意义,而热红外方法是夜晚获得区域大气水汽含量的唯一方法。本研究采用热红外方法中的改良分裂窗算法,首先,使用TIGR大气廓线与MODIS波谱响应函数通过MODTRAN辐射传输模式进行模拟,将大气廓线的水汽含量与大气透过率进行回归;然后,根据MODIS数据产品特点,使用2015年夏季MODIS数据观测角小于20°的范围进行反演;最后,将白天反演水汽分别与全球GPS地基大气水汽观测网络和MODIS近红外水汽产品进行比较,均方根误差分别为5.5 g/cm2和6.4 g/cm2,显示了高度的区域一致性。由于MODIS观测角度较大,本研究未对其他角度进行反演,若对其余角度的MODIS数据进行反演,可根据余弦角度变化,针对不同角度范围进行模拟与回归。     

利用单站地基GPS数据反演电离层电子密度

利用单站GPS观测数据对GPS硬件系统延迟作出修正,得到较精确的电离层总电子含量。根据Chapman电离层理论,建立电离层模型,利用遗传算法优化选择电离层关键参量,反演得到接收机上空电子密度剖面,结果表明：该方法用于太阳活动高年白天电子密度剖面反演效果优于国际参考电离层。     

大气温湿廓线反演问题的研究

介绍了反演大气温湿廓线的主要传感器特性,阐述了ATOVS、MODIS和AIRS这3个卫星传感器的仪器特征及其相应的大气温湿廓线反演原理和方法,对其利弊进行初步分析,总结了大气温湿廓线反演问题的发展趋势.     

雾灵山山基掩星观测反演误差分析

运用山基GPS掩星探测技术对2005年8月河北雾灵山山基GPS掩星观测试验数据进行了处理,获得了接收机高度以下的大气折射率廓线;分析了掩星反演结果的内部符合情况,并利用同时进行的联合探空观测数据,将探空结果与掩星反演结果进行了比对分析.分析结果表明,山基GPS掩星反演大气折射率的内部符合精度优于1%,与常规探空结果的平均偏差为5.9%.反演结果偏小,标准偏差为5.6%.     

利用GPS掩星资料反演大气重力波势能的方法

介绍了利用GPS掩星资料反演大气重力波势能的方法,给出了从COSMIC(constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate)干温廓线出发,扰动温度廓线提取及势能廓线反演的具体流程,进而对2011年夏季和冬季20～30 km重力波势能的全球分布及季节变化特征进行了分析,结果与国内外已有文献基本一致。     

GF-5 AIUS水汽廓线反演算法研究

针对红外掩星载荷的分层探测特性,本文在Rodgers提出的LM（Levenberg-Marquardt）最优估计算法的基础上进行修改,构建一种适合掩星探测的水汽廓线反演算法。首先,考虑到红外掩星的高光谱数据在反演时存在通道信息冗余的问题,相关的干扰成分信息对反演精度也有严重影响。使用通道选择和敏感性分析选择合适的反演通道,从而减轻计算负担并提高反演效率。其次,采用分层平滑因子修正Rodgers的LM最优估计算法,使算法更适合红外掩星载荷的分层探测特性。最后,为了验证修正算法的可靠性,分别对ACE-FTS观测数据和GF-5AIUS模拟光谱数据进行水汽廓线反演,并对同次迭代的反演结果进行对比。结果表明：对于ACE-FTS观测数据,修正后算法的反演总体相对偏差从±10％降低到±6％;对于GF-5 AIUS模拟光谱数据,修正后算法的反演总体相对偏差从±9％降低到±5％。此外,在部分高度层中相对偏差明显减小,对于ACE-FTS的反演实验,在不同高度层中修正后算法减小的相对偏差百分比超过25.17％;对于GF-5 AIUS反演实验,不同高度层减小的相对偏差百分比超过48.26％,表明修正后的算法使反演效果得到了改善,证实了该算法的有效性。因此,本文提出的算法可以为今后掩星探测水汽廓线的研究提供参考,为预测降雨、天气灾害、维持全球生态平衡等领域的研究提供高质量的水汽基础数据。     

应用SVM技术模拟前向辐射传输模式

提出了一种利用支持向量机(SVM)模拟前向辐射传输模式的方法.利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的RTFOV_8_7前向辐射传输模式和60L-SD廓线集牛成了AMSU-A模拟亮温资料,用模拟亮温和相应的廓线集资料组成训练样本和检验样本,采用SVM方法进行训练.对检验样本的模拟显示,SVM可以用于描写前向辐射传输模式中的非线性映射关系,较好地由大气廓线集资料模拟出与其相关的AMSU-A仪器5-14通道亮温,其中通道6-14的均方根误差在0.1K以内,平均误差算术平均值在0.01K以内.通过多元线件同归方法对温度廓线进行反演试验,发现用SVM模拟的亮温可以用于温度廓线反演,其反演精度可以达到甚至高于RTTOV_8_7计算的亮温.