红外临边探测发展现状

临边探测器垂直分辨率高,辐射信号的变化主要受大气参数影响,且辐射校准后几乎不受背景辐射影响,对痕量气体可探测性强,探测高度约为10—100 km,对臭氧层的大气遥感监测具有特殊意义。红外临边传感器经过40余年的发展过程,在通道数目、信噪比、可探测目标种类、冷冻技术、在轨寿命方面都有明显改进。本文以平流层O_3及其相关的痕量气体为中心,按照传感器搭载的卫星平台及卫星发射时间的先后顺序,比较了国际上已有的LRIR、LIMS、SAMS、ISAMS、CLAES、MIPAS、HIRDLS、TES共8个星载红外临边探测器的特性、探测目标、技术改进、性能提升等;介绍了红外临边探测大气成分的反演原理;总结了红外临边探测器在痕量气体,平流层云与气溶胶,重力波与极涡,非局部热力学平衡效应4个方面的应用成果。最后对红外临边探测的前景趋势提出了思考。     

高空飞行器尾焰亚毫米波临边探测模拟与分析

由于许多气体,特别是卤族元素在亚毫米波段有特殊吸收谱线,因此亚毫米波临边探测具有重要意义。文章基于ARTS正向模型,模拟并分析了飞行器主要尾焰成分在亚毫米波段临边探测敏感性。基于模拟的高空飞行器尾焰流场比较了不同大气背景对尾焰临边探测的影响;并模拟了亚毫米波临边与天底两种模式对尾焰流场的探测。研究结果表明在中高空处,临边探测对尾焰成分H2O、O2、OH及HCl的浓度变化很敏感,5倍浓度的变化使某些频率处的亮温分别提高约80 K、80 K、5 K与50 K。研究结果也表明,亚毫米波临边探测可以探测到尾焰流场,而天底探测则无法探测出尾焰流场。     

亚毫米波临边探测发展现状

临边探测为中、高层大气探测,主要针对海拔约10—100 km的大气层进行观测,与垂直观测相比,具有更高的垂直分辨率。亚毫米波（0.1—1.0 mm或300 GHz—3 THz）临边探测对臭氧层的大气环保监控具有特殊的意义。本文分析比较了Odin/SMR、EOS AURA/MLS、JEM/SMILES、MASTER与SOPRANO这5个亚毫米波临边探测仪的特性,并介绍了亚毫米波临边探测大气反演系统中的正向模型与反向模型。亚毫米波临边探测器具有较高的光谱分辨率及较宽的波段宽度,其光谱分辨率能达到1 MHz甚至1 MHz以下,波段宽度能达到几个GHz。另外,大气中的许多分子在亚毫米波波段有特征吸收线,可以反演许多痕量气体垂直廓线。在亚毫米波临边探测下,可以获得氯族成分及BrO的廓线数据。HCl、ClO等氯族成分的反演误差可以小于10%,但BrO的反演误差达50%以上。亚毫米波临边探测的正向模型需要考虑云的多次散射;5个亚毫米波临边探测器的反演算法均采用基于高斯-牛顿或Levenberg-Marquardt迭代的最优反演算法。     

临边遥感大气辐射传输的宽光谱快速计算模型

为解决目前临边遥感大气辐射传输模型存在计算光谱窄和计算速度慢等问题,基于HITRAN2008数据库、带模式算法和临边辐射传输方程建立了0.2—20μm波段大气临边辐射传输的宽光谱快速计算模型FALTRAN。建立了含有散射辐射和热辐射的临边辐射传输方程,并依据临边几何特征提出了一种基于有限差分的半球辐射累加HRA解算方法。利用FALTRAN计算分析了几个常用的遥感波段内典型大气条件和切向高度时大气的临边辐射特性,并定量分析了左、右半球辐射对总辐射的贡献情况。模型校验结果表明,FALTRAN与CDI模型的计算结果相对差异在2%以内,并与MIPAS的测量结果符合很好,验证了FALTRAN在临边遥感中大气传输计算的可靠性。     

一种协同反演气溶胶与水汽含量的高光谱图像大气校正算法

大气校正是高光谱图像定量反演地表参数的前提。为充分利用高光谱数据本身的光谱特点,提出了一种协同反演大气气溶胶光学厚度(aerosol optical thickness,AOT)与水汽含量(water vapor content,WV)的大气校正方法,在同时考虑了气溶胶模式、AOT和WV这3个因素的综合影响基础上,采用循环迭代的思想,基于6S辐射传输模型,反演大气参数及地表反射率,弥补了现有反演算法中没有同时考虑AOT与WV的不足;并以武汉市Hyperion高光谱图像为例,验证了该算法的有效性。从与FLAASH算法及MOIDS提供的AOT和WV产品对比来看,该算法能较好地校正气溶胶与水汽对高光谱图像的影响,且反演过程中所有的输入均来自图像数据本身或6S辐射传输模型,无需输入额外的参数。     

GF-5 AIUS切高校正算法研究与反演验证

利用红外掩星获取温压及其大气成分廓线,需要获得精确的指向信息,针对高分五号大气环境甚高分辨率探测仪（GF-5 AIUS）一级光谱信息,本文首先分析了不同切高的光谱变化情况,在此基础上,利用查找表方法进行切高校正。在低切高段（10—20 km）,选取N₂吸收波段,模拟6—40 km高度上的透过率光谱,通过查找表校正方法对一级数据中的低层切高进行校正。在高切高段（20—100 km）,模拟6—90 km切高上的透过率光谱,利用O₃吸收波段（20—90 km）进行校正。校正算法采取全局最小均方根误差的方法进行统计实验,确定最小校正半径为15 km。最后选取O₃、HCl、N₂O共3种大气成分的反演波段,进行校正后的透过率数据对比验证与反演产品精度的验证。结果表明：在O₃、HCl、N₂O共3种成分的反演通道上,校正后的观测透过率与模拟的透过率数据一致性较好,两者最大偏差小于0.1,切高校正算法得到的结果与模拟透过率吻合度较好;同时基于Aura MLS（Microwave Limb Sounder）、ACE-FTS（Atmospheric Chemistry Experiment Fourier-Transform Spectrometer）Level 2产品进行了O₃、HCl、N₂O单廓线交叉验证。结果表明：GF-5 AIUS反演的单廓线O₃与MLS、ACE-FTS相对偏差在30 km以下小于50%,在30—60 km小于20%;单廓线HCl与MLS、ACE-FTS相对偏差整体小于20%;单廓线N₂O与MLS、ACE-FTS相对偏差30 km以下小于20%,30—60 km相对偏差较大。     

星载红外高光谱传感器温度廓线反演综述

全球变暖是当前国际社会的热点话题,温度廓线是大气热力状态的重要参数,准确高效地获取其时空分布信息是天气预报和气候变化研究的前提。与传统的地面观测方式相比,卫星探测数据具有高空间、时间分辨率的优势,为气象观测提供了数据支持。本文分别针对星载红外高光谱传感器3种常见观测模式(天底、掩星及临边观测模式)下的国外7个传感器代表(IMG、AIRS、IASI、HALOE、TES、MIPAS、ACE-FTS)及国内大气探测卫星(风云系列和高分系列)在参数、性能和用途等3个方面进行介绍,得出当前国际上天底观测可提供垂直方向1 km内温度产品精度小于1 K,TES临边观测模式可提供的对流层温度廓线产品精度最高可达0.5 K,均满足NWP精度要求,可有效的用于天气预报及气候变化研究;由辐射传输方程出发,对气温廓线反演的3种常用方法 (统计回归、物理及人工神经网络反演)的基本原理、特点及发展历程进行了对比分析。同时,就温度廓线反演算法的关键问题及可能的解决方案进行了阐述;并对误差(平滑、模型参数及测量误差)产生及其传播原理进行系统地归纳总结。最后,提出现阶段气温探测过程中存在的问题。     

6S辐射传输模型在校正哈尔滨市遥感图像中的应用

由于遥感器在空中获取地表信息过程中,受到大气成分吸收与散射的影响,测量值发生辐射失真。本文通过分析大气成分对辐射传输的影响,探讨遥感图像处理中大气校正的方法。     

大气金属层探测卫星研究

75~115 km的大气层中存在Na、Fe、K、Ca等多种金属成分,通常认为这些金属成分来自宇宙尘埃和流星烧蚀的产物。大量宇宙尘埃和流星进入地球大气,会对地球气候有重要影响,大气金属层是宇宙尘埃和流星进入地球大气的示踪物。同时研究表明,大气金属层所在区域的大气对全球气候变化的响应很敏感,是全球气候变化的示踪物。大气金属层物质沉降,是夜光云凝聚核的主要来源,对临近空间飞行器具有重要影响。但目前对75~115 km的大气金属层探测和研究还很不够,为此,本文在国际上首次提出专门针对大气金属层探测的卫星概念。在大气金属层探测卫星中,提出以主动探测技术为主要探测手段的载荷配置,包括星载钠激光雷达、大气激光掩星探测仪、空间微流星体探测仪、星载F-P测风仪、金属层气辉成像仪5种先进载荷。大气金属层探测卫星将能够对大气金属层进行全面探测,并取得重大科学创新成果。     

利用走航式数据对南大洋大气CO2廓线遥感反演

利用中国第24次南极考察期间获取的南大洋上空走航式大气CO₂数据和大气红外探测器(AIRS)探测的辐射率, 进行基于纬度分类下的统计回归, 其结果作为物理反演的初始猜测场。通过逐线积分辐射传输模式, 利用AMSU大气温度廓线和AIRS中13个通道的辐射测值反演南大洋上空的大气CO₂浓度廓线, 与WDCGG提供的固定站点下的大气CO₂浓度进行比较, 反演精度随纬度的变化而变化, 从低纬到高纬相对误差分别为0.31%、1.17%、2.63%。与同期国外卫星产品CO₂/AIRS比较, 相对误差为1.11%、1.07%。     

Influence of forest fire episodes on the distribution of gaseous air pollutants over Uttarakhand,India

ABSTRACT

Widespread forest fire events occurred in the foothills of North Western Himalaya during 24 April to 2 May 2016 (Event-1) and 20–30 May 2018 (Event-2). Their impacts were investigated on the distribution of pollutant gases ozone (O₃), carbon monoxide (CO), and oxides of nitrogen (NOx) over Uttarakhand using simulations of Weather Research and Forecasting model coupled with chemistry (WRF-Chem) and in-situ observations of these gases over Dehradun, the capital of Uttarakhand. During Event-1, the observed CO mixing ratio over Dehradun increased from 25 April 2016 onwards, attained maximum (705.8 ± 258 ppbv) on 2 May 2016 and subsequently decreased. The rate of increase of daily baseline CO was 29 ppbv/day during HFAP (High Fire Activity Period). During Event-2, daily average concentrations of CO, O₃, and NOx showed systematic increase over Dehradun during HFAP period. The rate of increase of CO was 9 ppbv/day, while it was very small for NOx and O₃. To quantitatively estimate the influence of forest fire emissions, two WRF-Chem simulations were made: one with biomass burning (BB) emissions and other without BB emissions. These simulations showed 52% (34%) enhancement in CO, 52% (32%) enhancement in NOx, and 11% (9%) enhancement in O₃ during HFAP for Event-1 (Event-2). A clear positive correlation (r = 0.89 for Event-1, r = 0.69 for Event-2) was found between ?O₃ (O_{3with BB} minus O_{3without BB}) and ?CO (CO_{with BB} minus CO_{without BB}), indicating rapid production of ozone in the fire plumes. For both the events, the vertical distribution of ?O₃, ?CO, and ?NOx showed that forest fire emissions influenced the air quality upto 6.5 km altitude. Peaks in ?O₃, ?CO, and ?NOx during different days suggested the role of varying dispersion and horizontal mixing of fire plumes.     

O2-O2云反演算法及其在TROPOMI上的应用

利用遥感技术对大气环境污染进行监测时，云是影响痕量气体反演精度的重要因素，因此在痕量气体反演中需要对云的影响进行校正，通常使用的云参数主要是有效云量和云压。本文基于O₂-O₂ 477 nm吸收波段构建了O₂-O₂云反演算法：首先，根据有效云量和云高与连续反射率和O₂-O₂斜柱浓度之间的对应关系，结合假定的云模型利用VLIDORT辐射传输模型建立关于有效云量和云压的查找表；然后，通过差分吸收光谱技术拟合卫星载荷观测的大气层顶辐射，获得O₂-O₂斜柱浓度并计算连续反射率；最后，结合辅助数据，根据查找表进行插值反演获得有效云量和云压。通过将算法应用到OMI观测数据，将反演结果与OMCLDO2产品进行对比验证，有效云量和云压空间分布一致，相关系数R均超过0.97；并还将该算法应用于下一代大气成分监测仪器TROPOMI，与FRESCO+产品对比，有效云量和云压空间分布基本一致，当地表类型为海洋时，有效云量相关系数R大于0.97，云压相关系数R大于0.94，云压反演结果存在一定的区别；通过将O₂-O₂云反演算法和FRESCO+云压反演结果与CALIOP Cloud Layer产品进行对比，结果表明，在低云情况下，O₂-O₂云反演算法线性回归方程斜率为0.782，截距为198.0 hPa，相关系数R为0.850，算法表现优于FRESCO+。而在高云情况下，FRESCO+反演结果更接近CALIOP云压结果。在OMI和TROPOMI上的应用表明O₂-O₂云反演算法在大气云反演中具有较高的准确性和可行性，可以为大气痕量气体反演的校正提供云参数，并为中国同类型卫星载荷的云反演算法提供算法参考。     

光学与微波植被指数协同反演农作物叶面积指数的可行性分析

光学遥感是目前反演植被叶面积指数LAI（Leaf Area Index）的主要手段,但是当叶面积指数较大时存在光学遥感信息饱和、反演精度显著降低的问题。叶面积指数和平均叶倾角对光学、微波波段范围内反射和散射特性都有重要影响,主要表现在植被结构参数的变化可以引起冠层孔隙率和消光截面大小的改变。本文以典型农作物玉米为例,通过构建统一的PROSAIL和MIMICS模型输入参数,生成一套玉米全生长期光学二向反射率和全极化微波后向散射系数模拟库和冠层参数库。通过对模拟数据与LAI敏感性和相关性分析得出：（1）光学植被指数MNDVI_{(800 nm,2000 nm)},在LAI为0—3时敏感,基于MNDVI与LAI的回归模型可以估算LAI变化 0.4的情况,RMSE是0.33,R²是0.958。（2）微波植被指数SAR_{SRVI(1.4 GHz HH,9.6 GHz HV)},在LAI为3—6时敏感,基于SAR_SRVI与LAI的回归模型可以估算LAI变化1的情况,RMSE为0.22,R²是0.9839。研究表明,采用分段敏感的植被指数,协同光学和微波遥感反演玉米全生长期叶面积指数是可行的。     

Spatiotemporal mixed effects modeling for the estimation of PM2.5 from MODIS AOD over the Indian subcontinent

ABSTRACT

The physical processes associated with the constituents of the troposphere, such as aerosols have an immediate impact on human health. This study employs a novel method to calibrate Aerosol Optical Depth (AOD) obtained from the MODerate resolution Imaging Spectrometer (MODIS – Terra satellite) for estimating surface PM_2.5 concentration. The Combined Deep Blue Deep Target daily product from the MODIS AOD data acquired across the Indian Subcontinent was used as input, and the daily averaged PM_2.5pollution level data obtained from 33 monitoring stations spread across the country was used for calibration. Mixed Effect Models (MEM) is a linear model to deal with non-independent data from multiple levels or hierarchy using fixed and random effects of dependent parameters. MEM was applied to the dataset obtained for the period from January to August 2017. The MEM considers a fixed and random component, where the random components model the daily variations of the AOD – PM_2.5 relationships, site-specific adjustment parameters, temporal (meteorological) variables such as temperature, and spatial variables such as the percentage of agricultural area, forest cover, barren land and road density with the resolution of 10 km × 10 km. Estimation accuracy was improved from an R² value of 0.66 from our earlier study (when PM_2.5 was modeled against only AOD and site-specific parameters) toR² value of 0.75 upon the inclusion of spatiotemporal (meteorological) variables with increased % within Expected Error from 18% to 35%, reduced Mean Bias Error from 3.22 to 0.11 and reduced RMSE from 29.11 to 20.09. We also found that spline interpolation performed better than IDW and Kriging inefficiently estimating the PM_2.5 concentrations wherever there were missing AOD data. The estimated minimum PM_2.5 is 93 ± 25μg/m³ which itself is in the upper limit of the hazardous level while the maximum is estimated as 170 ± 70μg/m³. The study has thus made it possible to determine the daily spatial variations of PM_2.5 concentrations across the Indian subcontinent utilizing satellite-based AOD data.     

GPS radio occultation measurements on ionospheric electron density from low Earth orbit

Since the proof-of-concept GPS/Meteorology (GPS/MET) experiment successfully demonstrated active limb sounding of the Earth’s neutral atmosphere and ionosphere via GPS radio occultation (RO) from low Earth orbit, the developments of electron density (n _e) retrieval techniques and powerful processing systems have made a significant progress in recent years. In this study, the researches of n _e profiling from space-based GPS RO observations are briefly reviewed. Applying to the Formosat-3/Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate (FS3/COSMIC) data, we also present a compensatory Abel inversion technique including the effects of large-scale horizontal gradients and/or inhomogeneous ionospheric n _e obtained from an improved near real-time phenomenological model of the TaiWan Ionospheric Model. The results were evaluated by the ionosonde foF2 and foE data and showed improvements of rms foF2 difference from 29.2 to 16.5% in relative percentage and rms foE difference from 54.2 to 32.7% over the standard Abel inversion.     

非球形冰晶的毫米波k-Ze关系研究

针对毫米波雷达处理数据的实际需要,应用离散偶极子近似法DDA,获得了非球形冰晶的后向散射及衰减截面并进行了参数化,并主要基于细化的冰云模型,假设冰晶粒子谱为Γ分布,通过模拟取样各1330次（代表1330种粒子分布）,分别计算得到了W波段（94 GHz）与Ka波段（35 GHz）毫米波雷达探测的冰云衰减系数k及雷达反射率因子Z_e,而且利用数值模拟的方法,建立了k-Z_e关系的具体表达式。计算表明,非球形和非瑞利散射对W波段毫米波雷达衰减的影响较大,而且在同样滴谱分布条件下,W波段毫米波雷达的衰减比Ka波段毫米波雷达的大几倍,此外细化的冰云模型对k-Z_e关系具有影响。本研究对中纬度非降水性冰云的毫米波雷达的衰减订正具有参考价值,并对中国的毫米波雷达应用具有借鉴作用。     

河南省夏季臭氧生成敏感性及其驱动因素分析

明确当地臭氧生成敏感性变化的主控因子是制定有效臭氧污染控制策略的前提。采用卫星观测OMI FNR（Ratio of the tropospheric columns of Formaldehyde to Nitrogen dioxide,HCHO/NO₂）指示剂将河南省夏季臭氧生成敏感性OFS（Ozone Formation Sensitivity）划分为VOCs控制区、协同控制区和NOx控制区。基于地理探测器,量化气象条件、人为源前体物及其交互作用与OFS的关系。研究揭示：（1）河南省夏季OFS以协同控制区为主,区域内臭氧污染严重,仅次于VOC_S控制区。2005年—2015年,FNR值波动下降,OFS向协同控制区转变,主要受NO_X减排的影响。2016年之后,FNR值变大,OFS有向NO_X控制区转变的趋势。（2）人为源排放是OFS变化的主要驱动因子,平均可解释FNR变化的40.5%（q＝0.405）。若CO、PM_2.5、NOx和非甲烷挥发性有机物NMVOC（Non-methane Volatile Organic Compounds）的排放量增加,FNR减小,河南省夏季OFS向VOCs控制区转变,对NOx减排的敏感性降低。（3）地表净太阳辐射SSR（q＝0.321, Surface net Solar Radiation）和大气柱总水量TCW（q＝0.302, Total Column Water）是河南省夏季OFS变化的主要气象驱动因素。SSR增加,FNR减小,使臭氧生成对VOCs更加敏感。TCW对OFS变化的影响较为复杂,当TCW<40 kg/m²时,TCW增加,FNR减小,臭氧生成对VOCs更加敏感;当TCW>40 kg/m²时,TCW增加,FNR增大,臭氧生成对NOx更加敏感。（4）因子间的交互作用对OFS空间分布的驱动大于单一因子的独立作用,人为源前体物和气象因子的交互作用占主导地位。研究结果可加强对臭氧生成光化学过程的认识,为制定合理的污染减排措施提供依据。