FY-2D静止气象卫星OLR反演模式

介绍FY-2D卫星OLR反演模式的建立过程以及模式与NOAA卫星OLR反演模式的相互对比,包括:地球大气红外辐射传输方程,全球3812条大气廓线的大气顶射出辐射率、射出长波辐射通量密度的模拟计算,3812条廓线FY-2D窗区通道1、2、水汽通道的通道辐射率模拟计算,通道辐射率的临边变暗订正关系式的确立、3个通道波段的窄波段辐射通量密度的模拟计算.通过3812条廓线的窄波段辐射通量密度与OLR的X-Y坐标散点图,建立OLR回归关系式;并通过NOAA-17 AVHRR通道5 OLR反演模式与FY-2D窗区通道2 OLR反演模式形式的互比,得出两星的OLR反演模式接近,给出2007年2～4月OLR产品个例和产品精度分析.     

基于FY-3/IRAS利用非线性模式反演OLR

FY-3系列卫星星载IRAS仪器设有26个通道,其中20个通道用于探测地球大气在红外波段的热辐射,通道辐射率代表了地球大气系统在大气顶的向外辐射光谱信息,与总波段的射出长波辐射（OLR）通量相关性高。该文基于逐线辐射传输模式计算软件LBLRTM对全球2521条大气廓线的大气顶射出辐射率模拟数据,计算了每条廓线的OLR和FY-3B/IRAS,FY-3C/IRAS通道辐射率,用统计回归方法建立了利用IRAS的多通道辐射率计算OLR的非线性理论回归模式;应用模式和FY-3B/IRAS,FY-3C/IRAS的L1级数据,处理得到2016年4月1-30日的全球日平均、月平均OLR格点产品。与Aqua/CERES,Terra/CERES仪器宽波段观测OLR产品对比表明:对于水平分辨率为1°×1°的全球月平均OLR格点产品,均方根误差为2.22 W·m-2,相关系数为0.9982 W·m-2,平均偏差为-0.2 W·m-2,表明FY-3/IRAS仪器定标及反演模式均达到较高水平。文中还回顾了历史上不同气象卫星的多种OLR反演算法模式,并对不同模式精度进行了比较。     

改进的FY-3B/VIRR OLR反演模式及其应用效果

FY-3B卫星VIRR仪器的向外长波辐射(outgoing long-wave radiation,OLR)产品处理采用与NOAA/AVHRR相同的算法模型,即用窗区通道亮温-通量等效亮度温度的回归关系式计算OLR,但两星的OLR业务产品与目前国际质量最好的云和地球辐射能量系统(cloud and earth’s radiant energy system,CERES)仪器观测OLR产品相比,存在约10 W·m~(-2)的系统负偏差。FY-3B的原因在于OLR反演模式建立过程中红外辐射传输计算软件的精度不够。鉴于此,本文采用美国21世纪开发的逐线辐射传输模型计算软件(LBLRTM),模拟计算了全球2521条大气廓线的大气顶辐射率光谱,在此基础上计算了每条廓线的OLR和FY-3B/VIRR窗区通道亮温,应用最小二乘法统计回归模拟数据,重新建立了由FY-3B/VIRR窗区通道亮温计算OLR的回归关系式及系数。模式应用于FY-3BL1级数据,处理2016年1,3,7和10月的FY-3B逐日全球OLR资料,该资料与AQUA-TERRA卫星的CERES仪器OLR观测产品相比,得到日平均OLR:RMSE=9~15 W·m~(-2),R=0.9834,Bias=-0.3W·m~(-2);月平均OLR:RMSE=4~7W·m~(-2),R=0.9915,Bias=-0.3W·m~(-2),表明改进的模式能处理出无系统偏差的、精度基本与CERES观测相当的OLR产品,尽管单通道反演算法有着固有的模式回归误差。     

从FY3A卫星IRAS的多通道辐射率估算OLR

介绍了从FY3A卫星IRAS仪器的通道辐射率估算OLR的技术,包括:用红外辐射传输正演的方法建立IRAS多通道辐射率加权求和计算OLR的反演模式,以及由此模式计算得到的OLR产品。模式的全球RMS=3.53 W/m2,表明远高于从NOAA AVHRR通道5亮温计算OLR的反演模式精度。文中给出IRAS全球OLR产品个例,及该OLR产品与NOAA-17 OLR产品的精度对比。     

用FY-2C静止气象卫星资料计算射出长波辐射通量密度

介绍用FY-2C静止气象卫星资料估算射出长波辐射(OLR)的方法,包括FY-2C OLR反演模式的建立、由FY-2C窗区通道1、窗区通道2、水汽通道遥测数据计算OLR的详细步骤;给出了FY-2C OLR产品的精度:与相近时刻的NOAA卫星OLR产品相对比,两颗星OLR产品的等值线图基本完全一致,图上绝大部分偏差0~10 W/m,最大偏差20 W/m;并给出了FY-2C OLR产品的实例及其初步应用。     

利用FY-1D极轨气象卫星分裂窗区通道计算陆表温度

根据理论和经验上已证明的地表温度与AVHRR窗区通道4、5的亮度温度存在线性或非线性关系, 通过对2818条全球晴空大气廓线做不同比辐射率地表的FY-1D窗区通道4、5辐射率的模拟计算, 推导出FY-1D极轨气象卫星的红外通道4、5亮温与地表温度的二次回归关系式。同时详细介绍了由这一回归关系式和FY-1D高分辨率图像传输 (HRPT) 遥测数据计算陆表温度的方法, 最后给出陆表温度计算结果的精度:用中国地面气象台站的0 cm地温观测数据与相同时刻的分辨率为0.01°×0.01°经纬度的卫星陆表温度相对比, 两者非常吻合, 绝大部分台站|ΔT|＜3.0 K。     

利用红外辐射光谱反演大气CO2浓度的理论研究

依据最新的大气分子光谱数据集（HITRAN 2004）,利用逐线积分辐射传输模式,模拟计算了大气顶射出红外辐射光谱及其对大气CO2浓度变化的灵敏度,发现：大气CO24．3μm吸收带,特别是2241-2249cm^-1、2250-2258cm^-1、2259-2267cm^-1和2382—2390cm^-1波段射出的红外辐射,随CO2浓度的增加而显著降低,且很少受其他大气成分变化干扰,因此特别适于用来遥感探测大气CO2浓度的变化。根据最优非线性反演方法,反演获得了0-15km的大气CO2廓线,结果表明,利用上述4个通道的红外辐射值,可精确反演出自由对流层的CO2浓度变化。     

利用红外辐射光谱反演大气CO2浓度的理论研究

依据最新的大气分子光谱数据集(HITRAN 2004),利用逐线积分辐射传输模式,模拟计算了大气顶射出红外辐射光谱及其对大气CO2浓度变化的灵敏度,发现:大气CO2 4.3 μm吸收带,特别是2 2412 249 cm-1、2 2502 258 cm-1、2 2592 267 cm-1和2 3822 390 cm-1波段射出的红外辐射,随CO2浓度的增加而显著降低,且很少受其他大气成分变化干扰,因此特别适于用来遥感探测大气CO2浓度的变化.根据最优非线性反演方法,反演获得了015 km的大气CO2廓线,结果表明,利用上述4个通道的红外辐射值,可精确反演出自由对流层的CO2浓度变化.     

《气象与环境科学》征稿简则

依据最新的大气分子光谱数据集(HITRAN 2004),利用逐线积分辐射传输模式,模拟计算了大气顶射出红外辐射光谱及其对大气CO2浓度变化的灵敏度,发现:大气CO2 4.3 μm吸收带,特别是2 2412 249 cm-1、2 2502 258 cm-1、2 2592 267 cm-1和2 3822 390 cm-1波段射出的红外辐射,随CO2浓度的增加而显著降低,且很少受其他大气成分变化干扰,因此特别适于用来遥感探测大气CO2浓度的变化.根据最优非线性反演方法,反演获得了015 km的大气CO2廓线,结果表明,利用上述4个通道的红外辐射值,可精确反演出自由对流层的CO2浓度变化.     

从FY-4静止气象卫星估算晴空地表下行长波辐射通量的反演模式

通过红外辐射传输模拟,计算了446183条全球晴空大气廓线的地表下行长波辐射通量以及FY-4成像仪通道亮温,应用统计回归分析模拟结果,建立了通道亮温与低层大气有效辐射温度的回归关系、大气柱总可降水量与低层大气比辐射率的回归关系,依据黑体辐射定律建立了由卫星观测估算地表下行长波辐射通量的反演模式。初步地,模式应用于FY-4成像仪代理资料Meteosat-8卫星的SEVIRI（Spring Enhanced Visible and Infared Imager）仪器观测数据,估算了2006年8月1日00:00（协调世界时,下同）、06:00、12:00、18:00地理范围在（45°S～45°N,45°W～45°E）的地表下行长波辐射通量,结果与用ECMWF 6 h预报场资料经验计算的通量相比,系统均方根误差（RMS）依次为12.1、13.0、20.7、12.5 W/m2,相关系数分别为0.9256、0.9291、0.9042、0.9325,相比于GOES-R同类产品（RMS=13.7 W/m2）,这一直接把卫星通道亮温与低层大气温度相联系的反演模式,其精度性能达到了应用研究对其反演产品的质量要求。     

Exploration of the remote sounding of infrared cooling rates due to water vapor

Summary We explore the feasibility of deriving atmospheric infrared cooling rates by direct inversion of radiances observed by satellites from space. In order to convert radiances to fluxes and achieve vertical profiling at the same time, we show that it is necessary to combine radiances from narrow channels with radiances averaged over spectral bands. We demonstrate that the vertical integral of the cooling rate in the spectral band, convolved with a kernel function associated with the narrow channel, can be related to a weighted sum of the channel and band radiances. The band radiance must be evaluated at a specific zenith angle, which is a result of use of the mean value theorem. With known kernel functions, the combined radiances may be inverted to obtain the cooling rate profile. These results are derived from use of a random model for the transmittance in its strong-and weak-line limits. The results are similar in the two limits leading us to conclude that there are expressions that are approximately valid over the entire range of transmittance. We show by numerical methods that this conclusion is correct and apply the retrieval technique successfully to get the cooling rate profile in the rotational band of water vapor.With 3 Figures     

大气对AVHRR通道反射太阳辐射各向异性的影响

在不同太阳天顶角及不同地表条件下，通过辐射传输计算，考察了大气对NOAA/AVHRR可见和近红外通道辐射强度各向异性转换系数的影响。结果表明，在地表为朗伯面的情况下，大气气溶胶有增强辐射强度的各向异性和改变辐射强度角分布型式的作用。     

The impact of geophysical parameters on longwave radiation budget at the top and base of the atmosphere

Summary The effect of clouds on longwave radiation budget at the top and base of the atmosphere is studied by using the HIRS2/MSU-retrieved temperature and humidity fields, and cloud fields and the International Satellite Cloud Climatology Project-produced fields. Detailed studies are carried out at four selected sites: one at Equatorial Eastern Pacific (ITCZ) area, one at Libyan Desert (Libya), one at Ottawa, Montreal (Ottawa), and one at central Europe (Europe). The monthly mean differences in outgoing longwave radiation (OLR) (the ISCCP-based OLR minus the HIRS2-based OLR), ranging from –2.8 Wm^–2 at ITCZ to –15.4 Wm^–2 at Ottawa, are less than the monthly mean differences in surface downward flux, ranging from –2.7 Wm^–2 at Libya to 40.6 Wm^–2 at the ITCZ. The large differences in surface downward flux are mainly due to large differences in cloud amount and moisture in the low levels of the atmosphere.Monthly mean OLR and surface downward flux can be derived either (1) from instantaneous temperature, humidity, and cloud fields over a month period or (2) from monthly mean temperature, humidity, and cloud fields. The monthly mean OLR and surface downward flux derived from the first approach is compared with the second. The differences in OLR are small, ranging from –0.05 Wm^–2 to 6.2 Wm^–2, and the differences in surface downward flux is also small, ranging from 0.4 Wm^–2 to 6.4 Wm^–2.List of Acronyms AVHRR Advanced Very High Resolution radiometer - ERB Earth Radiation Budget - ERBE Earth Radiation Budget Experiment - FGGE First Global GARP Experiment - GARP Global Atmospheric Research Program - GCM General Circulation Model - GISS Goddard Institute for Space Studies - GLA Goddard Laboratory for Atmospheres - GMS Geostationary Meteorological Satellite - GOES Geostationary Operational Environmental Satellite - HIRS2 High Resolution Infrared Radiation Sounder/2 - ISCCP International Satellite Cloud Climatology Project - IR Infrared - MSU Microwave Sounding Unit - NFOV Narrow Field of View - NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration - NESDIS National Environmental Satellite Data Information Service - TOVS TIROS Operational Vertical Sounder With 4 Figures     

Sunglint impact on atmospheric soundings from hyperspectral resolution infrared radiances

The mid-wave infrared band(3-5 μm) has been widely used for atmospheric soundings.The sunglint impact on the atmospheric parameter retrieval using this band has been neglected because the reflected radiances in this band are significantly less than those in the visible band.In this study,an investigation of sunglint impact on the atmospheric soundings was conducted with Atmospheric InfraRed Sounder observation data from 1 July to 7 July 2007 over the Atlantic Ocean.The impact of sunglint can lead to a brightness temperature increase of 1.0 K for the surface sensitive sounding channels near 4.58 μm.This contamination can indirectly cause a positive bias of 4 g kg-1 in the water vapor retrieval near the ocean surface,and it can be corrected by simply excluding those contaminated channels.     

用卫星OLR资料估算中国大陆月降水量

利用国家卫星气象中心处理的NOAA下午轨道卫星的OLR资料,用Xie等在1998年的文章中提出的月降水量计算模式,计算了1991-2008年地理范围在10°～60°N、75°～150°E、分辨率为0.5°×0.5°的中国大陆月降水量,得出:用OLR月距平资料可以计算出月降水量,模式估算出的降水量通过与NCEP提供的18年月降水量陆地观测数据对比,精度为:冬季相对误差49.14%、绝对误差7.97 mm;春季相对误差37.60%、绝对误差14.97 mm;夏季相对误差27.37%、绝对误差31.61mm;秋季相对误差37.99%、绝对误差16.95 mm,可见精度效果并不是太好,造成误差的主要原因是降水机制不一,层状云降水特别是逆温层状云和连续阴天不下雨,以及月平均OLR不能完整地反映月内降水云和降水量是造成用OLR月距平估算月降水量的主要误差来源.通过对FY-2C卫星云分类产品的图像分析,得出中国南方冬季主要是层状云降水,OLR月距平值较高,用全球的A、B系数估算出的降水量偏低于实况,因此对中国大陆进行分区、分季节统计A、B系数,是解决OLR月距平估算月降水量精度问题的途径.     

应用ATOVS资料反演大气温湿廓线

本文用牛顿迭代的方法反演NOAA-15极轨气象卫星ATOVS资料，求解大气温度廓线和水汽廓线，本文利用一阶变分原理从辐射传输方程中得到了大气温度、水汽权重函数的解析形式，并改进了传统使用的线性迭代方法，利用牛顿非线性迭代方法求解大气表层温度，大气温度廓线及大气水汽廓线，并根据大气参量的自相关性，将大气温度廓线、大气水汽廓线用经验正交函数（EOF）的线性组合表示，减少了要反演的参数，提高了反演稳定性和迭代速度。     

气象卫星资料同化的科学问题与前景

从数值天气预报资料同化的角度,分析了气象卫星观测与常规气象观测的不同特点形成了卫星资料同化的特殊科学问题.由于各类星载遥感仪器所观测到的是一定波长的电磁辐射,不能像传统的直接观测资料一样被预报模式直接应用.又由于卫星观测对象是整个大气层,而不是特定高度的大气,因此确定卫星观测影响的高度和它的潜在垂直分辨率成为一个关键问题.卫星观测还可能存在着系统性的偏差,这与直接观测的误差互相独立也有很大区别.资料同化通常建立在模式预报(即背景信息)与观测量的比较的基础上,为了实现同化,需要将模式的基本大气变量转换成星载仪器所获得的特定波长的电磁波特征量,或者将观测到的电磁辐射特征量反算成大气的特征量.前者需要引入复杂的观测算子,后者则将复杂的反演过程交给了前处理阶段.这就形成了直接与间接同化卫星资料的两种不同策略,策略的选择取决于同化系统处理复杂观测资料的能力,对同化效果有决定性的影响.逐个分析了目前用于数值预报的5种卫星观测资料,即星载大气垂直探测器资料、大气运动矢量资料、散射仪海面风资料、卫星观测的云与降水信息资料与GPS掩星观测资料的同化的进展与有待解决的主要问题,概述了中国近年在大气垂直探测器等卫星资料同化中的研究进展及其业务应用的效果,并提出了今后需要予以特别关注的研究方向.