FY-2E红外通道“晴空区”水汽信息提取算法的改进与应用效果

提出了一种改进的FY-2E红外通道"晴空区"水汽信息提取算法——二次差分法,即在对红外分裂窗云掩图进行分裂窗差分的基础上再进行时间差分处理,或者先进行时间差分后再进行分裂窗差分处理。该方法能减弱晴空区地表温度变化对水汽信息提取的干扰,从而有助于获得水汽团的纹理及其移动信息。实验结果表明,应用该方法可以更加有效地追踪红外通道"晴空区"水汽微弱示踪信号的移动,获得传统云导风方法所无法得到的晴空水汽含量高值区风场信息,且晴空风矢与NCEP(national centers for environmental prediction)再分析资料级低空风场有着很好的一致性。     

利用分裂窗算法提取晴空导风示踪物的数值模拟与应用

气象卫星热红外通道能够探测到晴空区域内由大气水汽、沙尘气溶胶等物质含量分布不均所导致的微弱的纹理信息,通过追踪水汽和沙尘气溶胶纹理的移动可以反演出风场。然而这些信号很容易受地表温度变化的影响,需使用合适的算法来减弱地表温度干扰、提取微弱的示踪物信号。本文结合分裂窗差值理论,对使用分裂窗差值算法提取晴空区微弱示踪物信号进行数值模拟分析,并应用于晴空区风场的实例反演。数值模拟图像的结果显示,分裂窗差值算法可以削弱地表对示踪物信号的影响,突出水汽和沙尘气溶胶的分布特征,验证了分裂窗差值法的可行性与优越性。实例分析也表明,使用分裂窗差值图能够反演出单通道云图难以得到的晴空区低层风场,且反演结果与NCEP风场资料比较一致。     

FY-2E分裂窗晴空沙尘区导风初步研究

干旱半干旱沙尘爆发区风场信息作为沙尘监测的一个重要组成部分,能够为沙尘移向预报提供宝贵的资料。结合目前日趋成熟的红外分裂窗差值监测沙尘及卫星导风技术,针对FY-2E气象卫星,首先利用MODTRAN辐射传输模式对沙尘晴空区特征进行敏感性分析,再将经过图像掩膜及线性处理后的分裂窗差值图像代入导风计算程序计算,获得了传统卫星导风所无法得到的水汽含量低值区风场信息。实际个例分析表明,得到的沙尘区风场与NCEP再分析资料850hPa风场有很好的一致性,能够为监测沙尘移动提供良好的风场信息。     

FY-2静止卫星红外通道的高光谱交叉定标

介绍利用高光谱探测器IASI和AIRS对FY-2静止气象卫星VISSR红外通道进行绝对交叉定标的方法,并且基于FY-2E业务运行以来的历史数据对该方案进行可靠性检验和误差分析。结果表明,基于两个独立仪器得到的高光谱定标结果间具有很好的一致性;高光谱定标的亮温偏差基本上呈正态随机分布没有明显的系统偏差,平均亮温偏差小于0.07K,标准差约1.4K,其中亮温大于290K时,平均偏差小于0.2K,亮温大于220K时,平均偏差小于1K,低温端平均偏差约为3K;本文方法与目前FY-2EL1文件中提供的定标结果相比有明显改善,精度平均提高大于1K,低温端2—3K。长时间统计分析结果证明文中采用高光谱交叉定标方案稳定可靠,精度能够满足定量应用需求。     

FY-2红外云图中强对流云团的短时自动预报算法

目前气象预报业务中,预报员主要借助卫星云图,定性判断云团的移动趋势,缺乏形式化的定量评判方法。本文基于FY-2C与FY-2D的高时间分辨率的近红外影像(10.3—11.3μm),采用亮温和面积阈值方法进行云团识别,然后根据最大相关系数云团匹配技术进行追踪,系统地实现强对流云团的自动临近预测。实验结果表明,本文提出的最大相关系数追踪比传统的交叉相关系数法具有更高的匹配精度和运行效率,而且研究发现云团质心外推明显优于最低亮温外推,平均亮温、面积、圆形度对云团的分裂合并有较好的指示作用,经列联表法检验,本文提出的自动识别追踪技术具有较高预测精度和预测时效,并且为卫星云图业务化应用提供了定量科学依据。     

FY-3D/MERSI-II全球火点监测产品及其应用

FY-3D/MERSI-II全球火点监测产品主要包括全球范围内的火点位置、亚像元火点面积和火点强度等信息,可用于实时监测全球范围的森林草原火灾、秸秆焚烧等生物质燃烧状况。火点判识算法主要根据中红外通道对高温热源的敏感特性,即含有火点的中红外通道像元辐亮度和亮温较远红外通道的辐亮度和亮温偏高,同时较周边非火点的中红外像元偏高,建立合适的阈值可探测含有火点的像元。亚像元火点面积估算主要使用中红外单通道估算,根据亚像元火点面积估算结果对火点强度进行分级,不同的级别表示不同程度的火点辐射强度。基于全球火点自动判识结果,每日生成0.01°分辨率的卫星遥感日全球火点产品,每月生产0.25°×0.25°格点的全球月火点密度图。在利用FY-3D/MERSI-II火点产品开展的全球火点监测应用中,对多起全球重大野火事件进行了监测,为防灾减灾、全球气候变化研究、生态环境保护等方面提供卫星遥感信息支持。     

利用青海湖水面辐射校正场对FY—1C气象卫星热红外传感器进行绝对辐射定标

利用青海湖水面场FY-1C气象卫星热红外窗区通道进行绝对辐射定标,由CE312野外热红外辐射计在水面测得辐亮度经大气订正传递到卫星入瞳处,考虑到大气吸收削弱影响,同时卫星观测路径大气产生热发散,这两部分对卫星信号的贡献由探空廓线和卫星观测几何输入MODTRAN37计算出来,同时进行CE312野外辐射计与卫星通道光谱响应匹配计算,最终得到卫星入瞳处的表观亮度.这个辐亮度与卫星通道的计数值比较得到该通道绝对定标系数.结果表明利用辐射校正场辐射定标与星上定标相差5%左右,相当于3K的亮温差.     

中国陆地区域陆表温度业务化遥感反演算法及产品运行系统

地表温度反演的裂窗算法已成功应用于NOAA系列卫星热红外遥感数据。目前，裂窗算法中应用较为广泛的一种是Becker等人于1990年提出的局地裂窗算法，主要是通过辐射传输模型模拟不同地表条件和大气状况下，地表温度和发射率对红外辐射亮温的影响，从而发展出一个利用AVHRR4，5通道亮温数据反演地表温度的线性模型。在晴空无云和地表比辐射率能精确估算的情况下，Becker算法反演地表温度的精度在1K以内。Becker算法用Lowtran程序模拟计算地表辐射量，且模型中参数主要针对NOAA-9传感器特性得到。本文在Becker算法的基础上，针对NOAA-16／17传感器热红外通道光谱响应函数特性，利用最新的、计算光谱分辨率更高的MODTRAN程序模拟不同大气状况下，不同地表温度和发射率对NOAAAVHRR4，5通道辐射亮温响应特性的影响，改进Becker算法中模型参数，使之能适用于NOAA-16／17热红外数据。同时，本文利用植被指数NDVI，在中国陆地区域lkm分辨率最新地表分类数据的基础上，得到模型中需要的地表比辐射率参数，将改进的模型应用于1km分辨率NOAA17数据，得到了旬合成中国陆地区域范围地表温度，通过地面气象台站实测数据对比验证．取得了较好的结果。     

FY-3C VIRR大气可降水产品生成和检验

风云三号C星(FY-3C)可见光红外扫描辐射计(VIRR)两个红外分裂窗通道数据生成的晴空大气可降水(TPW)产品已投入业务使用。本文介绍了该产品的生成方法,并从产品精度和稳定性两个方面评价产品质量。与MODIS Terra TPW的月平均数据对比,FY-3C VIRR TPW能正确反应大气可降水的全球分布。与2015年3月—4月的全球探空数据对比,FY-3C VIRR TPW均方根误差为5.36 mm,相对误差在水汽值大于30 mm时在20%以内,并且夜间产品精度优于白天。相比于MODIS红外TPW产品与探空数据的误差,FY-3C TPW精度略好。计算2015年1月至2016年7月FY-3C VIRR TPW产品相对探空数据的月均方根误差,19个月均方根误差的标准差是0.54 mm,小于同期MODIS Terra TPW均方根误差的标准差,说明FY-3C VIRR TPW产品在检验时期内更稳定。FY-3C VIRR TPW产品精度较高且质量稳定,具备广泛应用能力。     

FY-3B微波成像仪海洋数据无线电干扰识别

中国风云3号B星(FY-3B)上的微波成像仪MWRI通过5个频率(10.65 GHz,18.7 GHz,23.8 GHz,36.5 GHz和89.0 GHz)的双极化通道对地球表面进行监测。研究表明,MWRI资料的低频波段数据中存在着无线电频率干扰(RFI)现象,这些污染信号对遥感数据和反演产品质量产生极大的影响。本文尝试使用多通道回归方法和双主成分分析(DPCA)方法识别MWRI的10.65 GHz水平通道亮温海洋区域中的RFI信号。结果表明,双主成分分析法可以有效地识别出海洋上的RFI信号。微波成像仪10.65 GHz水平通道亮温数据中的RFI信号主要分布在地中海等欧洲附近海域,也存在于美国、日本、澳大利亚等近岸地区。     

大气臭氧总量与吸收性气溶胶指数的关系

吸收性气溶胶指数AAI(Absorbing Aerosol Index)是基于卫星观测的紫外后向散射辐射导出的参数,与大气中对紫外线有吸收作用的气溶胶(简称吸收性气溶胶)有关,能够定性反应吸收性气溶胶的存在与空间分布特征。由于臭氧在AAI反演波段对紫外线仍然存在弱吸收作用,因此AAI可能与大气臭氧总量有关,臭氧反演的误差也可能对AAI的反演精度造成影响。为了研究臭氧总量与AAI的关系,臭氧反演的精度对AAI反演的影响,利用辐射传输模型通过敏感性实验,来模拟吸收性气溶胶指数和臭氧总量之间的关系,臭氧反演误差对吸收气溶胶指数的反演的影响。采用沙漠气溶胶,不改变气溶胶的含量,通过改变中纬度夏季的臭氧总量来计算大气模型。对臭氧总量、气溶胶含量与AAI的内在关系,臭氧总量对AAI反演精度的影响进行了模拟,模拟结果表明,气溶胶指数与臭氧总量的改变存在正相关关系,而臭氧总量的反演误差对AAI指数的反演影响不大。基于风云三号气象卫星紫外臭氧总量探测仪(FY-3/TOU)的臭氧总量和吸收性气溶胶指数数据(2012年),分析了青藏高原地区7月份臭氧总量与吸收性气溶胶指数空间分布特征的关系,与模拟结果一致。     

Retrieval of land surface temperature (LST) from landsat TM6 and TIRS data by single channel radiative transfer algorithm using satellite and ground-based inputs

The present study proposes land surface temperature (LST) retrieval from satellite-based thermal IR data by single channel radiative transfer algorithm using atmospheric correction parameters derived from satellite-based and in-situ data and land surface emissivity (LSE) derived by a hybrid LSE model. For example, atmospheric transmittance (τ) was derived from Terra MODIS spectral radiance in atmospheric window and absorption bands, whereas the atmospheric path radiance and sky radiance were estimated using satellite- and ground-based in-situ solar radiation, geographic location and observation conditions. The hybrid LSE model which is coupled with ground-based emissivity measurements is more versatile than the previous LSE models and yields improved emissivity values by knowledge-based approach. It uses NDVI-based and NDVI Threshold method (NDVI^THM) based algorithms and field-measured emissivity values. The model is applicable for dense vegetation cover, mixed vegetation cover, bare earth including coal mining related land surface classes. The study was conducted in a coalfield of India badly affected by coal fire for decades. In a coal fire affected coalfield, LST would provide precise temperature difference between thermally anomalous coal fire pixels and background pixels to facilitate coal fire detection and monitoring. The derived LST products of the present study were compared with radiant temperature images across some of the prominent coal fire locations in the study area by graphical means and by some standard mathematical dispersion coefficients such as coefficient of variation, coefficient of quartile deviation, coefficient of quartile deviation for 3rd quartile vs. maximum temperature, coefficient of mean deviation (about median) indicating significant increase in the temperature difference among the pixels. The average temperature slope between adjacent pixels, which increases the potential of coal fire pixel detection from background pixels, is significantly larger in the derived LST products than the corresponding radiant temperature images.     

HUT模型的改进及其雪深反演

基于风云-3B（FY-3B）卫星的微波成像仪（MWRI）数据对HUT模型（Helsinki university of technology snow emission model）进行验证,结果表明,无论是18.7 GHz还是36.5 GHz水平极化亮温,HUT模型模拟亮温都与MWRI亮温存在较大的偏差。因此,本文对消光系数进行了本地化改进,得到了改进的HUT模型（IMPHUT模型）。IMPHUT模型在18.7 GHz水平极化和36.5 GHz水平极化时的模拟亮温偏差分别为-0.91 K和-4.19 K,较原始的HUT模型模拟精度（偏差分别为14.03 K和-16.33 K）有很大提高。最后,利用遗传算法进行雪深反演,基于IMPHUT模型的雪深反演（偏差为-6.79 cm）优于HUT模型和Chang算法,反演与实测雪深具有较好的一致性。     

近红外大气吸收波段太阳辐射计定标

用通用大气辐射传输软件CART模拟了POM02太阳辐射计的1020nm、1627nm和2200nm等3个近红外通道的大气透过率特性。结果表明,前两通道处于大气非吸收波段,其透过率很好的遵从Beer-Lambert定律,而2200nm通道则有较强的吸收,吸收光学厚度随大气质量的变化服从指数分布,与Beer-Lambert定律有一定的偏差,其定标需采用改进的Langley法。通过选取好天的5个定标实例证明,采用改进的Langley法定标2200nm通道,可提高其透过率测量精度约3.8%。     

Description of a New Method for Retrieving the Aerosol Optical Thickness from Satellite Remotely Sensed Imagery Using the Maximum Contrast Value and Darkest Pixel Approach

Satellite sensors have provided new datasets for monitoring regional and urban air quality. Satellite sensors provide comprehensive geospatial information on air quality with both qualitative remotely sensed imagery and quantitative data, such as aerosol optical depth which is the basic unknown parameter for any atmospheric correction method in the pre‐processing of satellite imagery. This article presents a new method for retrieving aerosol optical thickness directly from satellite remotely sensed imagery for short wavelength bands in which atmospheric scattering is the dominant contribution to the at‐satellite recorded signal. The method is based on the determination of the aerosol optical thickness through the application of the contrast tool (maximum contrast value), the radiative transfer calculations and the ‘tracking’ of the suitable darkest pixel in the scene. The proposed method that needs no a‐priori information has been applied to LANDSAT‐5 TM, LANDSAT‐7 ETM+, SPOT‐5 and IKONOS data of two different geographical areas: West London and Cyprus. The retrieved aerosol optical thickness values show high correlations with in‐situ visibility data acquired during the satellite overpass. Indeed, for the West London area a logarithmic regression was fitted for relating the determined aerosol optical thickness with the in‐situ visibility values. A high correlation coefficient (r²= 0.82; p= 0.2) was found. Plots obtained from Tanre et al. (1979, 1990) and Forster (1984 ) were reproduced and estimates for these areas were generated with the proposed method so as to compare the results. The author's results show good agreement with Forster's aerosol optical thickness vs. visibility results and a small deviation from Tanre's model estimates.     

中国北方地区春季气溶胶光学特性地基遥感研究

基于中国北方地区地基太阳直接/散射辐射计观测,分析了2001年春季气溶胶光学厚度、尺度和吸收特性。沙尘期间,气溶胶光学厚度显著升高,而尺度上升,粗粒子浓度显著增加,大气气溶胶表现出中性或异常消光特征。除沙尘活动之外,中国华北地区人为排放也是导致气溶胶光学厚度偏高的一个重要原因。中国沙尘源区气溶胶单次散射反照率小于以往观测和模式结果。北京和香河两地气溶胶光学厚度、Angstrom指数和尺度谱基本相似,说明华北地区人为排放与沙尘活动类似,也表现出区域尺度的特点。由于沙尘气溶胶与人为排放气溶胶相比,折射指数实部偏大、虚部偏小,从而北京地区沙尘期间单次散射反照率明显大于非沙尘期间,特别是在近红外波段,说明沙尘活动不仅可以通过增加气溶胶光学厚度,同时也通过改变气溶胶物理、辐射特性来影响下游地区的气溶胶辐射强迫。     

MODIS大气产品的光合有效辐射估算研究

利用气溶胶、水汽、云以及臭氧等MODIS标准大气产品,在简单辐射传输模型基础上估算青藏高原光合有效辐射,经验证估算的光合有效辐射与实测数据存在显著的线性相关,相关系数在0.8—0.9之间,最大误差为13%。经过敏感性分析发现云层厚度、气溶胶含量以及大气压力对光合有效辐射的影响大。臭氧和水汽含量的变化不敏感。云层厚度、Angstrom浑浊度系数和大气压力分别变化30%、25%和15%时,光合有效辐射变化分别为20%、5%和5%。     

NPPVIIRS数据反演气溶胶光学厚度

利用NPP卫星的VIIRS传感器数据,基于暗像元法反演陆地气溶胶光学厚度AOD。首先,根据红外波段的归一化植被指数NDVI来对暗像元进行识别;然后,利用6S软件进行辐射传输计算构建查找表;最后,根据VIIRS数据从查找表插值得到AOD,并对其进行海拔校正。选取华北地区作为反演实验区,获得了2013年9月1日的气溶胶分布。利用AERONET北京站太阳光度计地基观测结果对反演结果对比验证,发现二者具有显著的相关性,相关系数达到0.7920。将2013年9月1日的MODIS AOD产品与本研究反演的AOD进行比对,发现二者分布趋势一致,相关系数为0.7059,相关性显著。反演结果表明,本文算法反演陆地AOD效果较好,为大气颗粒物环境监测提供了良好方法手段和数据源。