红外高光谱资料反演有云时大气温湿廓线的模拟研究

在模拟星载红外高光谱辐射观测值对云高和有效云量的敏感性基础上展开了有云时大气温湿廓线反演的模拟研究,用特征向量统计反演法反演大气温湿廓线时进行云顶高度分类在一定程度上可提高反演精度,但在云顶以下高度反演误差仍然较大.在AIRS像元中加入匹配的晴空MODIS红外观测值,可以提高云顶以下高度的反演精度,云顶所在高度越高大气参数反演精度提高越大,尤其足温度反演精度,有云时模拟的均方根误差在整层大气中几乎小于2K.     

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。     

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。     

卫星遥感大气的层析扫描反演方法

为了解决卫星气象的迫切需要，提高低层大气常规大气参数测量的精度和垂直分辨率，并兼顾中高层大气研究的需要，借鉴了医学上的ＣＴ扫描反演的思路，发展了一种“卫星层析扫描反演技术”即采用一种具有天底横向扫描；沿轨多角度扫描的中低分辨率传感器，利用ＣＴ反演方法，可以在低层大气中获得１－２ｋｍ垂直分辨率１—１０ｋｍ水平分辨率的温度、湿度廓线的三维分布，能够探测较高层大气，并能快速覆盖全球。采用美国标准大气模式，在理想情况下对探测器光谱通道进行了优化，并利用美国ＮＡＳＡ的实际温度廓线作了模拟计算（考虑了测量噪声）．反演结果表明，理想的层析扫描反演方法的温度反演精度比传统方法显著提高了约４０％。     

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。     

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。     

遥测地表温度与比辐射率的迭代反演方法──理论推导与数值模拟

首先在地表比辐射率为已知的条件下,提出一个非线性迭代温度反演模型,我们对不同的地表和大气条件进行了模拟计算,结果表明当大气温度廓线误差－２Ｋ－２Ｋ,水汽廓线误差±２０％时的温度均方根误差为０．４８Ｋ。当大气模式误差一个模式时反演的温度均方根误差为０．８５Ｋ。在此基础上,引人相邻像元的概念,相邻像元的大气状况可以认为是相同的,应用两个时相的遥感影像数据,假定在两个相近时相之间地表比辐射率值不变,建立地表比辐射率与温度的反演模型。我们对不同的地表和大气条件进行了模拟计算,结果表明当大气温度廓线误差－２Ｋ－２Ｋ,水汽廓线误差±２０％时地表温度均方根误差小于１．５Ｋ,地表比辐射率均方根误差小于０．０２,地表辐射均方根误差为１％;当大气温度廓线误差－２Ｋ－２Ｋ,水汽廓线误差±１０％时,地表温度均方根误差小于１．０Ｋ,地表辐射均方根误差小于０．６％。     

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。     

针对Terra/MODIS数据的改进分裂窗地表温度反演算法

针对Terra/MODIS数据提出改进的分裂窗地表温度反演算法。充分考虑了传感器观测角度(VZA)的影响,并对地表和有效大气辐射按照不同的亮度温度区间分别进行Planck函数简化。利用TIGR3大气廓线库中的875条晴空大气廓线,ASTER波谱库中的106条地物发射率波谱,结合MODTRAN4大气辐射传输模型模拟得到分裂窗算法系数。利用MODTRAN4模拟数据对算法精度进行验证,结果表明本文的改进算法和原算法的均方根误差RMSE分别为0.34K和0.65K。敏感性分析表明,在中等湿润的大气条件下,算法对大气水汽含量并不敏感。该算法降低了传感器观测角度带来的地表温度反演误差。利用2009年6月美国SURFRAD辐射观测网6个站点的实测数据对改进算法、原算法以及MOD11_L2地表温度产品进行了对比验证,RMSE分别是0.93K、1.49K和1.0K,表明本文算法可以提高反演精度。     

从MODIS数据中反演大气廓线和地表参数

MODIS的设计目的是能够每隔1-2天测量一次全球范围生物的和物理的过程.我们可以从该仪器提供的数据中获得进一步的地球表面和低层大气的全球动力和过程信息.对MODIS数据,利用遗传算法,首先从大气温度探测波段中,反演得到大气温度廓线信息;然后从水汽波段中获得水汽廓线信息;最后在已有的温、湿廓线基础上,校正测量辐射亮度数据.校正了大气影响后,利用MODIS29、31、32大气窗口波段,采用比辐射率约束方法(Emissivityboundsmethod)缩小波段比辐射率取值范围,然后采用遗传算法实现陆面温度、波段比辐射率等地表参数的同时反演.模拟试验表明,利用遗传算法可以从MODIS数据中获得较为精确的大气廓线信息和地面参数信息,为全球温室效应和全球变化研究提供支持.     

FY-3A星MWHS反演中纬度和热带大气水汽

风云三号A星(FY-3A)搭载的微波湿度(MWHS)计采用双边带接收机体制,选择主要受水汽影响的(183.31±1) GHz,(183.31±3) GHz,(183.31±7) GHz和窗区150 GHz作为通道频率。本文首先分析了观测亮温值与利用辐射传输方程仿真的亮温值之间的关系,二者相比具有较好的一致性。其次利用神经网络方法反演大气相对湿度,并与线性回归方法进行对比,本文选用的区域内,神经网络方法优于线性回归法。最后,利用本文创建的神经网络模型与正在业务使用的AMSU-B反演模型进行反演均方差和稳定度对比,结果表明,本文创建的神经网络模型在所选区域,大气相对湿度反演精度与AMSU-B神经网络模型相当(反演均方差为15%-25%);水汽密度反演均方差除地面未知因素影响外,与探空观测相比,整体均方差小于1 g/m³;不论在中纬度地区还是热带地区,都能较好地反演大气湿度的垂直分布廓线。同时,本文初次尝试在神经网络反演湿度廓线中引入墨西哥帽小波函数,结果表明,运用墨西哥帽小波函数在保证反演性能的同时,能有效减小迭代时间,避免陷入局部迭代。     

中国东南沿海地区大气反常结构遥感初探

对流层大气作为电波传播的主要媒介,其大气剖面参数直接影响无线电系统的作用距离和导航、定位精度,因此,研究大气剖面的微波遥感技术,尤其是大气反常结构,对分析评估无线电信息系统在复杂大气环境条件下工作性能和提供电波折射修正精度等具有重要的应用价值。中国东南沿海地区一直是研究的热点区域,本文选取青岛、射阳、厦门、海口4个站的气象探空仪观测数据,统计了这些地区大气波导的平均高度和厚度,对采用地基多通道微波辐射计的天顶和扫角亮温遥感其参数的算法进行了初步探索,提出了改进的组合神经网络算法来判别并遥感大气波导。同时,使用多年的探空数据对该算法进行了仿真验证,并用青岛气象站的实测数据验证了该算法的精度。结果表明该算法可用于遥感大气反常结构,并且与以往的算法相比更加实用、有效,可为雷达、通信、导航等系统设备提供环境信息保障。     

近地表大气逆温条件下的地表温度遥感反演与验证

为了减少近地表大气逆温对地表温度遥感反演精度的影响,提出在晴空的地表温度"通用劈窗算法"模型中增加一个温度改正项来实现。在建立该误差改正项时,利用正常条件下的通用劈窗算法系数和具有不同逆温强度的逆温廓线,并结合大气辐射传输模型MODTRAN计算,得到近地表大气逆温条件下的地表温度反演误差,并在分析了该误差值与相应的逆温强度的关系后,发现该温度改正项可以表示为近地表大气逆温强度的二次项函数。为了进一步提高地表温度的反演精度,将地表温度和大气水汽含量进行分组,分别针对每个分组来确定温度改正项方程的系数。模拟结果表明,在逆温强度为1.7 K/100m时,该温度改正项可以使地表温度的反演精度提高0.44 K。利用内蒙古海拉尔试验站的实测数据对地表温度反演结果进行了验证,在近地表大气存在逆温的条件下,该方法能提高地表温度的遥感反演精度0.47K。但是,由于本文提出的方法需要已知大气温度廓线来计算大气逆温强度,因此在实际应用中该方法受到了一定的限制。     

Landsat卫星热红外数据地表温度遥感反演研究进展

作为驱动地表与大气之间能量交换的关键物理量,地表温度在众多领域中都发挥着重要作用,包括气候变化、环境监测、蒸散发估算以及地热异常勘探等。Landsat热红外数据因其时间连续性和高空间分辨率等特点被广泛应用于地表温度反演中。本文详细地介绍了Landsat热红外传感器及其可用的数据与产品的现状,梳理了2001年—2020年20年间基于Landsat热红外数据的地表温度遥感反演与应用的相关文献发表及互引情况,系统地综述了基于Landsat热红外数据的地表温度反演算法,包括基于辐射传输方程的算法、单窗算法、普适性单通道算法、实用单通道算法和分裂窗算法等。在此基础上,进一步介绍了每种算法的参数化方案,包括地表比辐射率和大气参数的估算方法。最后针对Landsat热红外数据地表温度遥感反演提出了未来可能的发展趋势与研究方向。     

Remote sensing of cirrus optical and microphysical properties from ground-based infrared radiometric Measurements-part II: retrievals from CRYSTAL-FACE measurements

The ground-based infrared radiance measurements acquired on July 14, 20, and 28, 2002 during the Cirrus Regional Study of Tropical Anvils and Cirrus Layers Florida Area Cirrus Experiment (CRYSTAL-FACE) campaign have been used for simultaneously retrieving the optical thickness and effective particle size on the basis of the retrieval algorithm reported in the preceding counterpart of this paper. The corresponding ice water path is derived from the retrieved optical thickness and effective particle size. Specifically, the data used for the retrieval include: 1) the infrared radiance spectrum observed by an atmospheric emitted radiance interferometer at the surface; 2) the sky condition and cloud height determined from a sky imager and a micropulse lidar; and 3) the sounding data for the profiles of temperature, pressure, and relative humidity. For these three case studies, the retrieved cirrus optical thickness, effective particle size, and ice water path are in the range of 0.2-1.5, 18-42 /spl mu/m, and 2-15 g /spl middot/ m/sup -2/, respectively. Furthermore, error analyses show that the retrieval uncertainties of the optical thickness and effective particle size are less than 15% if the uncertainty of water vapor vertical profile is within 5%. The retrieval errors are within 10% if the uncertainty of cloud temperature is within 7 K.     

多光谱卫星图像反演云空湿度场方法的改进

利用1998年6～8月GMS图像和分析区内近70个台站的地面和探空资料,在过去工作的基础上,通过引入地面实测湿度场相关资料作新的分析参量,建立了各标准等压面相对湿度统计分析新模型,改进了应用多光谱卫星图像反演三维湿度场的方法.通过比较和检验,证实新模型可有效改进大气湿度场的反演精度,特别是低层湿度场的反演精度.     

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%.     

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。     

Analysis of tropospheric delay prediction models: comparisons with ray-tracing and implications for GPS relative positioning

Ray-tracing is used to examine the accuracy of several well known models for tropospheric delay prediction under varying atmospheric conditions. The models considered include the Hopfield zenith delay model and related mapping functions, the Saastamoinen zenith delay model and mapping function, and three empirical mapping functions based upon the Marini continued fraction form. Modelled delays are benchmarked against ray-tracing solutions for representative atmospheric profiles at various latitudes and seasons. Numerical results are presented in light of the approximations inherent in model formulation. The effect of approximations to the temperature, pressure and humidity structure of the neutral atmosphere are considered; the impact of surface layer anomalies (i.e., inversions) on prediction accuracy is examined; and errors resulting from the neglect of ray bending are illustrated. The influence of surface meteorological parameter measurement error is examined. Finally, model adaptability to local conditions is considered. Recommendations concerning the suitability of the models for GPS relative positioning and their optimal application are made based upon the results presented.