基于高光谱资料对FY-1C/1D气象卫星进行交叉定标

介绍了利用AQUA卫星高光谱AIRS资料对FY-1C、FY-1D气象卫星热红外通道进行交叉定标的方法及定标结果。首先利用卫星轨道预报软件预报出AQUA与FY-1C以及AQUA与FY-1D卫星交叉点,再对交叉区域卫星资料进行像元投影和像元匹配,像元匹配包括时间、观测角度、环境均匀性等检验。以AIRS探测结果作为辐射基准,利用其观测值和FY-1卫星热红外通道光谱响应函数进行光谱匹配,最终得到FY-1卫星热红外通道的准真值并与FY-1卫星的业务产品进行比较分析。对FY-1C、FY-1D两年多卫星资料进行多次交叉比对,结果表明FY-1C通道4比AIRS观测亮温低1.3K左右,通道5低3.6K左右;而FY-1D通道4比AIRS观测亮温低0.3K左右,通道5低3.6K左右。这个准真值与FY-1观测的计数值进行再定标得到新的定标系数。     

FY-2B与NOAA卫星红外通道的相对定标

FY-2是自旋扫描静止气象卫星,其红外通道的在轨定标是将黑体从后光路插入目标光路中进行的,此种定标不是全光路定标,存在较大的误差。为了获得较好的红外通道在轨定标系数,用定标精度较高的NOAA(16,17)卫星通道4观测数据与FY-2B红外通道观测数据进行了相对定标试验。相对定标的工作主要是两种卫星观测仪器响应函数之间的光谱匹配和观测图像之间的几何匹配。拟合匹配后两种卫星的观测数据,利用NOAA卫星较高精度的定标系数可得到改进的FY-2B定标系数。FY-2B相对定标系数的精度比原定标系数有较大的提高。     

FY-3C微波湿温探测仪辐射测量特性

2013年9月发射的FY-3C是我国第2代极轨气象卫星的第3颗星,其上装载的微波湿温探测仪在118 GHz氧气吸收线和183 GHz水汽吸收线设计了两组大气探测通道,在大气窗区设置了89 GHz和150 GHz探测通道。为保证微波湿温探测仪在轨定量应用,卫星发射前完成了地面热真空试验。该文介绍了热真空定标试验原理,并对FY-3C微波湿温探测仪正样产品真空试验数据进行了定量分析。数据分析结果表明:FY-3C微波湿温探测仪正样产品15个探测通道的灵敏度均满足设计指标要求,各通道观测亮温间相对独立,定标准确度优于1.6 K,真空试验过程中微波湿温探测仪定标结果稳定。FY-3C微波湿温探测仪发射前热真空定标特性分析结果为仪器在轨定量应用奠定了基础。     

FY-4A AGRI热红外通道辐射定标的精确外场评估

Fengyun-4A(FY-4A)卫星是2016年12月11日发射的我国新一代对地静止气象卫星,它配备了先进的成像仪和测深仪,可提供高时空和光谱分辨率的探测信息,用于天气气候相关的监测、预警和预报。多通道扫描成像辐射计(AGRI)是FY-4A卫星平台挂载的关键辐射成像仪器,重点用于云观测,并利用高时间分辨率的特征进行天气过程追踪。AGRI的红外辐射通道具有全光路的星上红外定标系统,与FY-2上的红外可见自旋扫描辐射计(VISSR)相比,无论在定量标定、成像速度和空间分辨率方面均有了显著改善。FY-4A AGRI的在轨运行状态和星上辐射定标水平的精确评估,对红外通道产品应用具有重大意义。     

基于IASI双二氧化碳通道的一种不同高度云检测算法

利用红外高光谱探测仪（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer,IASI）在二氧化碳吸收带的长短波红外通道对云反应程度的不同来探测云。依据不同通道的权重函数峰值高度和云不敏感层高度将IASI长短波红外通道进行配对,成功配对的长短波红外通道晴空亮温之间建立线性回归模型,即通过长波红外通道亮温可以线性回归得到配对的短波通道亮温,将短波通道的晴空回归亮温和观测亮温之差定义为云指数。权重函数峰值高度位于383 hPa的云指数空间分布和云成分为冰的空间分布较为一致,尤其在赤道和低纬度地区。权重函数峰值高度位于790 hPa的云指数空间分布和低云云顶气压也有较好的一致性。     

METOP星载干涉式超高光谱分辨率红外大气探测仪(IASI)及其产品

为了深入了解国际卫星红外大气探测仪器的新特点,以欧洲METOP卫星装载的超高光谱红外大气探测仪(IASI:Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)为例,介绍卫星红外探测仪研发背景、仪器特征和数据产品处理,并与第1个高光谱大气红外探测仪(AIRS:Atmosphenic Inftared Sounder)作了比较分析.采用干涉分光技术的IASI为地球大气遥感提供了丰富的研究资料,可用于反演大气、海洋、云和大气成分,对我国风云卫星的高光谱红外大气垂直探测仪器的研发具有重要参考价值.     

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。     

风云三号卫星红外高光谱探测技术及潜在应用

高光谱大气探测仪具有高光谱分辨率、高灵敏度和高精度光谱辐射定标等特点,在大气温湿度廓线反演、数值天气预报同化、气候变化研究以及大气痕量气体探测等应用上有显著的优势。我国风云三号极轨气象卫星的FY-3A/B/C三颗卫星上成功装载了自主研制的通道式红外探测仪器—红外分光计(IRAS),获取了从可见光到红外波长范围内26个通道的辐射观测,并应用于资料同化、全球大气温度和水汽廓线反演等。从FY-3D星开始将装载红外高光谱大气探测仪以替代IRAS,标志着红外高光谱大气垂直探测系统新纪元的开始。以风云三号卫星红外高光谱大气探测仪为例,介绍了卫星红外高光谱探测技术的进展和地面应用系统预处理过程的关键技术环节,给出了红外高光谱资料的潜在应用,并对在数值天气预报同化和大气探测应用方面的难点问题进行了分析和探讨。     

联合静止气象卫星成像仪和高光谱红外大气探测仪观测的三维水平风场反演

风云四号A星(FY-4A)上搭载的干涉式红外探测仪(GIIRS)是首个地球静止轨道上的红外高光谱大气探测仪,它可以提供连续的三维大气温度和水汽的观测,通过追踪水汽的移动可以反演得到不同高度的大气水平风场。本研究利用台风玛丽亚(2018年)期间FY-4A加密观测(15分钟间隔)的GIIRS数据开展晴空和部分云区的三维水平风场算法研究,重点研究如何联合同一卫星平台的多光谱成像仪(AGRI)改进GIIRS部分云视场区的三维风场反演结果。利用ERA5独立测试集、CRA40再分析和空投探空数据开展对晴空和云区的三维风场反演结果的检验,基于该个例的反演结果表明：(1)基于GIIRS亮温信息反演得到对流层水平风场,在晴空区均方根误差小于1.5 m s^-1,方向绝对差基本在15°左右,在部分云视场区,均方根误差为1.5～1.7 m s^-1,方向绝对差基本在20°左右。与光流法相比,基于GIIRS亮温的直接反演表现出更好的优势,其均方根误差和方向绝对差明显小于光流法的结果。(2)按云量和云顶高度分类后,表现出云量越多、云顶高度越高则RMSE(Root Mean...     

面向“红外云图晴空区导风”的FY-2E红外通道亮温度敏感性分析

利用MODTRAN辐射传输模式,结合FY-2E星载辐射计红外分裂窗通道的光谱响应特征,计算了中纬度的夏、冬季晴空大气情况下,卫星观测亮温度对大气水汽及气溶胶的敏感性。在模拟条件下,计算星载辐射计红外通道温度灵敏度(0.2 K)对应的大气水汽及气溶胶含量变化的临界值分别为0.42 g/cm2和0.25。以此为参照值,利用FY-2E晴空大气可降水量产品及MODIS大气气溶胶产品实际数据,分析了在导风模块常用尺度(80 km×80 km)内大气水汽、气溶胶含量的变化引起FY-2E星载辐射计红外分裂窗通道观测亮温度差异超过星载辐射计红外通道的温度灵敏度的可能性,结果表明实际大气存在满足上述临界值条件的情况。研究结果为把晴空大气水汽、气溶胶作为卫星红外云图上的晴空区导风示踪物,提供了理论和实际依据。      

在NCEPGDAS中同化MSG和GOES资料

首次将MSG-2（Meteosat Second Generation-2）卫星上的旋转增强可见光及红外成像仪（Spin—ning Enhanced Visibleand Infrared Imager,SEVIRI）的观测资料同化到美国国家环境预报中心（Na—tional Centers for Environmental Prediction,NCEP）全球资料同化系统（globaldataassimilationsys—tern,GDAS）中。对当前的地球静止业务环境卫星（Geostationary Operational Environmental Satel—lite,GOES）成像仪资料的同化问题也进行了进一步探讨。利用CRTM（The Community Radiative Transfer Model）模式,对SEVIRI辐射率观测资料进行了模拟。为了对红外辐射率资料进行模拟,CRTM模式中的几个关键部分得到改进,例如：动态更新地面发射率资料以及采用了快速精确的气体吸收模块。为了改进对SEVIRI和GOES成像仪辐射率资料的模拟效果,采用了GSICS（The Global Space—Based Inter—Calibration System）标定订正。初步研究结果表明,包含对SEVIRI辐射率资料的水汽通道（6．25和7．35μm）和二氧化碳通道（13．40μm）的同化对GFS（Global Forecast System）6d预报具有显著的正影响;而对其他5个SEVIRI红外窗口通道资料的同化则减小了这种正影响。通过应用GSICS标定算法,订正了SEVIRI和GOES-12成像仪观测资料的偏差,提高了对GFS预报的影响。此外,还需作进一步研究来提高对SEVIRI红外窗口通道辐射率资料同化的有效性。     

Post-flight radiometric calibration of the Korean geostationary satellite COMS meteorological imager

The first Korean geostationary satellite, the Communication, Ocean, Meteorological Satellite (COMS) carries the Meteorological Imager (MI) that measures solar radiance at 0.675 μm and infrared (IR) brightness temperatures at four spectral bands centered at 3.8, 6.7, 10.8, and 12.0 μm. This study reports the calibration status of the COMS MI solar and four IR channels, based mainly on a comparison with Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) measurements. The results obtained from four months of COMS MI solar channel measurements demonstrate that the solar channel has a dark bias of about 9–10%. On the other hand, the four IR channels appear to be well-calibrated as evidenced by a high correlation and near-unity slope between COMS and MODIS data. Nevertheless, existing biases of tenths of a kelvin are still considered to be substantial. Overall, the interpretation of COMS-derived meteorological products should take into account some uncertainty caused by possible calibration errors.     

基于ERA5的快速辐射传输模式与FY-4A成像仪观测结果的偏差分析

2016年12月发射升空的FY-4A是中国第二代静止轨道气象卫星,该星上搭载了可提供东半球近实时高分辨率卫星观测数据的扫描辐射成像仪——AGRI（Advanced Geostationary Radiation Imager）。在其观测数据应用于大气参数反演或同化前,数据偏差的定量化分析是一个必要环节。采用快速辐射传输模式RTTOV（Radiative Transfer for the TIROS Operational Vertical Sounder）,基于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第5个全球再分析数据产品（ERA5）对AGRI的7个红外通道（通道08—14）进行了模拟,并利用MODIS云检测产品对模拟结果进行了晴空筛选,以期得到一些对AGRI的定量应用有价值的偏差分析结果。观测-模拟（O-B）的偏差分析结果显示:海洋和陆地上,通道10（7.1 μm）存在明显大于其他红外通道的系统性偏差,这很可能来源于ERA5在对流层中层对水汽的高估。通道08为近红外短波通道,地表反射作用影响强烈,陆地上存在较大的平均偏差,而海洋上平均偏差小于0.4 K。通道14在ERA5近地层气温偏高及定标偏差的影响下,海洋存在接近1 K的平均偏差;陆地上存在2 K左右的平均偏差。其余各红外通道在海洋和陆地上的平均偏差分别在0.6和1.3 K以下。偏差影响因子分析结果显示:地表海拔高度、观测天顶角对偏差也存在一定程度的影响;海洋上偏差分布存在季节变化可能来源于再分析资料中海表温度估算的季节性误差。      

红外高光谱IASI卫星资料同化对一次大风过程的影响研究

以2019年4月24日发生在辽宁省的一次大风天气过程为例,选取GFS(全球预报系统) 0.25°×0.25°再分析资料,基于WRF模式三维变分同化技术,进行一组IASI资料同化试验,和未同化任何资料的控制试验(CTNL)。通过对比两组试验结果考察IASI资料同化改进数值模式初始场的分析及其后续预报的机制。研究结果表明：经过IASI资料同化的模拟结果质量有很大改善,分析场与背景场相比更靠近观测场；经过云检测之后不同通道使用的观测数目多少不一,资料同化对模拟的改善效果在通道0~800最佳；IASI资料同化对地表10 m风场的预报技巧有显著的提高作用,相比控制试验可以更精准地预报大风天气的区域和强度；IASI同化试验的预报质量高于控制试验且随时间比较稳定。     

基于一维变分算法的地基微波辐射计遥感大气温湿廓线研究

为研究地基微波辐射计遥感温、湿度廓线的一维变分算法的反演能力,用北京地区2010—2011年00和12时(世界时)的多通道地基微波辐射计亮温资料进行试验。首先,利用同时次的地面观测资料、红外亮温(由地基微波辐射计自带红外传感器测得)及探空观测数据,给出提取无云样本的方案,得到432个无云样本;再以辐射传输模式计算得到的模拟亮温为参考,对无云条件下的观测亮温进行质量控制;然后利用探空数据进行模拟试验,结果发现,一维变分算法对3 km以下的温度廓线有较大调整。使反演结果更加接近探空,而对湿度廓线在0—10 km都有不同程度的优化;最后利用一维变分算法对地基微波辐射计观测亮温进行大气温湿廓线反演,将结果与探空对比可以看出,温度廓线的均方根误差小于2.9 K,绝对湿度的均方根误差小于0.47 g/m~3;进一步与地基微波辐射计自带神经网络的反演结果比较表明,一维变分的反演结果更接近实际大气。     

张家口市一次持续高温天气成因分析

利用天气图资料、NCEP 1°×1°再分析资料和地面观测资料以及热流量方程,从天气学角度分析了2010年7月下旬张家口地区高温天气产生的主要原因。结果指出:高温是在大陆高压持续稳定控制的天气形势背景下产生的,然而在这种情况下,温度平流因子对高温所起的作用不是最主要的,非绝热条件才是高温日出现的关键;地面温度较高且持续时间较长,也为7月29日最高气温创下历史新极值做出了一定贡献;对高温日最高气温与当日14:00 850hPa温度做了对比分析,认为二者相差9℃可以作为高温日最高气温预报的参考。     

同化FY3B/IRAS资料对GRAPES分析场影响诊断

GRAPES(Globe and Regional Assimilation and Prediction System)变分系统能够同化常规资料和非常规卫星资料,这些被同化的资料究竟对同化系统得到的分析场有何影响,目前国内外尚未见相关的研究文献。为此,首次采用基于信息熵信号自由度思想,诊断风云三号B星(FY3B)红外分光计(Infrared Atmospheric Sounder,IRAS)资料对GRAPES分析场的影响。诊断过程中,采用数值逼近方法,统计2012年12月24日18时到2013年1月22日00时共114个时次IRAS资料对GRAPES分析场影响,结果表明,IRAS中高层通道亮温资料对GRAPES分析场影响比地表通道20观测亮温的影响大,地表通道8和9观测亮温对分析场影响较大。前24个GRAPES变分同化时次每个时次IRAS通道亮温对分析场影响的贡献率分析结果显示,高层通道和H_2O通道贡献率较大。个例分析结果表明,在同化探空资料基础上加入IRAS资料后,温度和湿度增量场变化幅度较大,表明IRAS资料对分析场有降温和增湿作用。     

利用正弦分段法模拟气温日变化

提出了一种运用正弦分段模拟法模拟气温日变化的新方法,并以山东省德州、菏泽、泰安、烟台、潍坊和青岛6个地面气象站2009年春、夏、秋、冬不同时段内一个月的自动观测逐时气温,与运用正弦分段模拟法模拟的逐时气温进行比较分析。结果表明,模拟气温与观测气温之间呈显著相关;该方法可以实现传统观测气温与自动观测气温的衔接以及满足作物模型对气温输入时间步长的精度要求;无论从空间或时间上,模拟气温与观测气温偏差及其变幅基本能满足应用需要。