面向同化应用的红外高光谱探测资料局地综合通道选择方案及在FY-3D/HIRAS中的初步应用

通道选择是红外高光谱探测资料同化的关键技术。为了最大限度提取红外高光谱探测资料观测信息,减少模式在青藏高原等常规观测稀少地区的初始场的误差,不同区域需要选取不同通道进行同化。基于信号自由度的通道选择方法提出一种面向资料同化的红外高光谱资料的局地综合通道选择方案,该方案综合考虑了局地的大气温度垂直分布特征、背景误差协方差、仪器通道的雅克比函数、权重函数和其他影响红外高光谱模拟和同化的因素。针对CMA_GFS（原GRAPES_GFS）全球背景误差协方差,在高原和海洋两个典型区域对FY-3D/HIRAS红外高光谱资料的温度通道进行局地综合通道选择,并通过一维变分同化评估了局地综合通道选择方案对分析场的影响。结果表明,高原和海洋两个典型区域的大气温度垂直分布特征、背景误差协方差、模式垂直分层以及各通道的雅克比函数和权重函数均有明显的差异,选出的敏感通道也明显不同,相比较在其他区域选择出的通道,在对应地区选择的通道能够显著提高红外高光谱资料的同化效果。      

基于风云卫星红外高光谱资料遥感逆温层研究

大气逆温层会阻碍大气垂直运动的发展,传统上只能利用地基无线电探空资料进行监测和分析。星载高光谱红外大气探测可以反演晴空区大气温、湿度廓线,为大气逆温层监测提供了一种可能的技术手段。为探索中国卫星监测逆温层的方法和途径,本研究基于风云三号D星搭载的红外高光谱大气探测仪(FY-3D/HIRAS)观测资料,利用RTTOV(Radiative Transfer for TOVS)快速辐射传输模式模拟了不同逆温强度、不同逆温层顶高度对HIRAS红外通道观测亮温的影响。结果表明,在780—1000 cm^-1窗区光谱内的精细谱线对应的通道对逆温层最为敏感,与参考通道(926.875 cm^-1)的亮温差可以用于大气逆温层识别。文中定义了逆温强度敏感指数和逆温层顶高度敏感指数,模拟结果表明,强吸收(通道1:784.375 cm^-1、通道2:798.750 cm^-1)、中吸收(通道1:803.125 cm^-1、通道2:852.500 cm^-1)、弱吸收(通道1:840.000...     

面向资料同化的FY-4A 卫星GIIRS探测仪偏差特征分析和偏差订正

干涉式大气垂直探测仪（Geostationary Interferometric Infrared Sounder,简称GIIRS）是国际上第一部对地静止卫星平台上的高光谱红外大气垂直探测仪,能为对流尺度区域模式预报提供所需的高时空和高光谱分辨率的大气状态信息。本文利用高分辨率区域模式WRF及其同化系统WRFDA对GIIRS观测的偏差（观测亮温减去模拟亮温,记为O?B）分布特征进行了全景分析,结果表明:长波通道O?B偏差和标准差普遍小于中波通道,且都存在一段受污染的通道。O?B偏差的日变化和偏差与卫星天顶角的关系相对较弱,而所有筛选通道的偏差都与亮温值及卫星的扫描阵列位置有关,偏差的水平分布主要表现出“阵列偏差”的特征。2020年重新定标后,GIIRS观测数据质量比2019年有明显提高。在此基础上进一步进行了偏差订正试验,试验发现选取扫描阵列作为偏差订正的主要因子,都能有效地改进2019年和2020年筛选出的GIIRS通道的偏差,订正后O?B和O?A的系统性误差（偏差）都变小。该研究结果可为全球/区域模式中同化GIIRS长波及中波通道的辐射资料提供参考。     

短波红外光谱土壤反射率的测量

利用DG-2短波红外光谱辐射计，得到了短波红外波段不同含水量下的土壤反射率。分析了土壤短波红外区的光谱特性，表明1.6μm附近有较好的光谱响应，以及该波段反射率与含水量有较好的负相关性的特点。所得结论为气象卫星短波红外区域的通道选择提供了可行性的依据。该实验为卫星遥感数据的处理、分析和判读积累了部分实测资料。     

基于高光谱数据的气象卫星成像仪红外通道模拟仿真

采用基于光谱匹配的计算方法开展红外通道模拟仿真,该方法利用高光谱大气探测仪的实际观测数据来模拟气象卫星成像仪红外通道观测目标亮温.利用高光谱大气探测仪(IASI)的实际观测数据,进行了2010年2月14日12:57(UTC)、2010年2月15日00:57(UTC)、2010年5月2日12:57(UTC)MTSAT-1R卫星成像仪(JAMI)红外通道的模拟仿真.结果显示:JAMI 4个红外通道的模拟亮温与观测亮温偏差平均值的绝对值都小于1K,模拟亮温与观测亮温的相关系数都大于0.93,表明这种基于高光谱数据的方法可用于气象卫星成像仪红外通道的模拟仿真.进而利用IASI的观测数据进行了 2010年11月6个时刻FY-2E卫星成像仪(VISSR)红外通道的模拟仿真,并将通道模拟数据与GSICS定标的观测数据以及与业务定标的观测数据相比,结果表明:2010年11月期间,FY-2E卫星成像仪IR2、IR3、IR4通道的GSICS定标比业务定标有明显的改进.     

地基傅立叶红外高光谱遥感观测大气成分平台建设及其反演技术研究

利用国际大气成分地基观测网络(NDACC)通用的德国BRUKER公司生产的傅立叶红外(FTIR)高分辨率地基光谱仪器IFS 120M,在国家卫星中心建立了地基高光谱观测平台,进行高光谱数据获取及其反演技术初步研究.阐述了地基高光谱观测平台的建设,高光谱仪器的调试和观测参数化研究结果,并且阐述了光谱的预处理和定标研究,利用地基高光谱在可见光波段的观测结果,进行了气溶胶光学厚度反演技术的初步研究.     

辐射和积云对流过程对大气辐射通量的影响

基于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的全球大气环流谱模式(SAMIL-R42L26),研究了澳大利亚气象局研究中心(BMRC)新辐射方案和新Zhang-McFaflane积云对流方案对大气辐射通量模拟的影响.新辐射方案相比原辐射方案在辐射计算光谱分辨率、气体吸收和计算效率等方面作了很多改进,其对大气辐射通量的模拟能力相应提高.在晴空条件下,大气顶出射长波、大气吸收短波和地表入射短波等与观测的偏差较原辐射方案明显减小,尤其是在对流活跃区域.在云天条件下大气辐射通量与观测的偏差也较原辐射方案减小,但其偏差依然较大,这与模式中积云对流参数化方案模拟能力不足引起的辐射通量偏差有关.为此,换用了新Zhang-McFarlane积云对流方案,其结果表明,对流活跃区水汽含量显著增加,原对流方案中偏强的"双赤道辐合带"现象明显减弱,赤道辐合带地区的大气辐射通量偏差有明显减小,在海洋地区晴空大气顶出射长波和地表入射短波的量值及空间分布均接近观测结果,同时大气顶全球平均能量收支的年变化和观测结果趋于一致,其中模拟的伞球年平均大气顶能量收支和观测的偏差不到0.6 W/m2.试验结果同时表明,在未来研究中引入气溶胶分布、调整相关的云物理和陆面过程等物理参数化方案是进一步提高SAMIL-R42L26辐射通最模拟性能的关键.     

碳卫星高光谱二氧化碳探测仪基于太阳夫琅禾费吸收线的在轨波长定标

大气二氧化碳（CO₂）探测仪（ACGS, Atmospheric Carbon dioxide Grating Spectrometer）搭载于中国全球二氧化碳观测科学试验卫星（TanSat）,通过探测0.76 μm、1.61 μm、2.06 μm波段的反射太阳光谱,采用最优估计算法反演大气CO₂浓度。满足高光谱分辨率和高精度CO₂浓度反演需求,精确探测光谱波长的变化非常重要。本文以高分辨率太阳参考光谱的夫朗禾费吸收线作为参考基准,利用ACGS对太阳的观测光谱计算了ACGS三个谱段通道中心波长位置在一年内的变化情况。结果显示,三个谱段的波长变化在光谱分辨率10%以内,满足光谱定标精度需求。这种变化可能是由于仪器在轨状态变化引起,特别是在轨运行温度变化引起的。ACGS波长的微小变化需要在产品反演中进行修正。基于独立太阳夫琅禾费吸收线的在轨光谱定标方法不仅可以有效监测ACGS的光谱稳定性,还可以为L2产品的处理的提供参考信息。     

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。     

风云三号降水卫星多角度偏振成像仪的观测特点和应用潜力

准确测量大气中云和气溶胶的辐射特性对数值天气预报和气候变化具有重要意义。搭载在风云三号降水卫星上的偏振载荷是国内首个具有短波红外通道的多角度偏振成像仪(Polarization and Multi-Angle Imager, PMAI),计划于2023年年初发射,为气溶胶-云-降水观测链条提供重要支撑。该仪器运行在非太阳同步的倾斜轨道,可提供3 km(星下点)空间分辨率和700 km幅宽的图像。PMAI的观测通道包括1030 nm、1370 nm、1640 nm的偏振通道和相应的非偏振通道,可提供14个角度的观测信息。PMAI将利用自然目标的在轨替代定标和同平台仪器的交叉定标,实现5%的辐射测量精度。观测和仿真数据表明PMAI拥有描述云和气溶胶特性的独特优势。全新的短波红外通道的多角度偏振测量可以优化云相态识别和云微物理参数反演、气溶胶的地气解耦以及地表方向反射特征的表述。处于非太阳同步轨道的PMAI具有独特观测几何,可以获得大气粒子辐射更宽的散射角分布信息。此外,PMAI可联合同平台中分辨率光谱成像仪的可见近红外和热红外通道的观测信息,进行云和气溶胶的协同反演。     

相对日射资料的谱分析

采用文献［１］所述的相对日射计，将它测量晴天连续日变化资料；用谱的统计方法，来分析研究大气边界层中端涡活动。对１９８０年１月１４和１５日天两资料，用两种取样时段（总记录时间），分别进行谱的统计分析，结论：整个白天（８小时）和２小时内确有不同频率或周期的波动，以低频部分贡献大（２／３总能量），其次高频部分一般为几分钟周期变很明显。因而作者设想把它作为研究大气边界层中湍涡活动的一种探测工具，用它能测得     

On Longitudinal Spectral Coherence

It is demonstrated that the longitudinal spectral coherence differs significantly from the transversal spectral coherence in its dependence on displacement and frequency. An expression for the longitudinal coherence is derived and it is shown how the scale of turbulence, the displacement between observation sites and the turbulence intensity influence the results. The limitations of the theory are discussed.     

高光谱遥感仪器的光谱参数和信噪比需求

卫星短波红外CO₂遥感获得大气低层CO₂浓度信息,已成为目前国际热点研究领域。结合气候变化及碳源、汇观测需求,利用高精度大气辐射传输模式研究了高光谱分辨率、高精度CO₂探测目标的可实现性。针对高光谱CO₂探测器光栅分光、阵列探测器特点,分析了光谱分辨率、光谱采样率等关键技术指标对CO₂探测的可能影响;基于辐射敏感度因子分析了不同探测精度要求下的信噪比需求。结果表明:高光谱CO₂探测器首先应具有足够高的光谱分辨率,以便从太阳反射连续谱段中分辨出CO₂吸收线;为保证CO₂光谱的准确性,光谱仪所用探测器面元应该保证光谱采样率大于2;尽管探测边界层内CO₂浓度1%变化所要求的信噪比难以达到,但探测整层大气CO₂浓度1%的变化所需要的信噪比是可以实现的。     

Spectral methods for atmospheric diffusion modeling

The rate of diffusion of a cloud depends on cloud dimensions. As the cloud enlarges, larger eddies come into play and the rate of diffusion increases. The turbulent diffusion process is scale-dependent. The gradient-transfer theory (K-theory) is only appropriate when the dimensions of the dispersed material are much larger than the size of the turbulent eddies. Introduction of a spectral turbulent diffusivity function (STD) makes it possible to treat the diffusive transport in a Eulerian system, with diffusivity effectively dependent on the actual size of the concentration distribution. The basic innovation is that diffusion is treated in the Fourier space and the diffusion coefficient is dependent on the wave number of the Fourier components of the concentration distribution. It is shown that the concept of the wave-number-dependent diffusivity leads to a non-local flux-gradient relation.     

自忆谱模式及其初步应用

取一个数值预报模式作为动力核,基于相应的自忆性方程,可设计一个自忆预报模式。现以美国AFGL谱模式作为动力核,推导了一个能使用多时刻资料的自忆谱模式。运用全球网格点资料,通过复最小二乘估计,求得模式中的记忆系数。用该模式试作全球高空温度场的30天平均预报。预报检验表明,自忆谱模式的预报技巧是相当高的。     

雾的气象卫星遥感光谱特征

从大气辐射传输理论入手，用频谱分析方法研究了气象卫星遥感图像上云雾的可见光和红外光光谱特征，阐述了雾在NOAA各通道的光谱响应特征及相关指标。根据云雾的不同顶部结构，分析了云雾反射可见光的非朗伯特性。根据瑞利(Rayleigh)准则，解释了低太阳高度角时可见光对云雾具有更强的识别作用，指出雾与云相比，具有更强的方向性反射特点，当卫星处于云雾层的镜面反射方向时，雾区具有更强的亮度，即反射率高于云区；反之．雾区则相对较暗，指出可见光在云雾识别方面具有重要作用。通过分析云雾层的不同红外光谱特点，给出了一些云雾识别与分类的指标，说明了通道组合方法对云雾识别的重要作用，为云雾分类提供了依据。通过时间动态的频谱分析，给出了判断大雾成熟期的光谱特征，对判定大雾的发展与消散具有重要意义。     

Spectral distribution of solar radiation in Athens

Summary A 25-year (1966–1990) record of measurements of the broadband direct solar irradiances performed in Athens, has been utilized to determine the radiant energy distribution in several spectral bands. Using these data the year-to-year trend of the time sequences of the mean values of the irradiation ratios in the various spectral intervals, viz. blue, green/orange, red, and photosynthetically active radiation (PAR) and the total direct irradiance for the whole spectrum, are evaluated.From this trend the following can be concluded: the blue spectral band (0.380–0.525 m) decreased from the beginning of the examined period until the mid-seventies and then increased gradually; the red band (0.630–0.710 m) shows similar trend but opposite in sense. The PAR band (0.380–0.710 m) decreased slightly until 1985 and then increases. In the green/orange band (0.525–0.630 m) the trend can be considered as nearly constant throughout the examined period. This trend of the irradiation ratios is related to the aerosol and gaseous pollutant content of the atmosphere, which probably reflects the urbanization, industrialization and heavy traffic conditions of the Athens area, during the last three decades.With 2 Figures     

自忆谱模式制作中期天气预报的试验

基于大气自忆性观点, 引进记忆函数, 可构造一个差分-积分方程; 称之为自忆性方程; 给出了此方程的球谐表达式及其离散计算公式.以T42L9谱模式为动力核, 建立了一个全球自忆T42谱模式 (SMT42).用实际资料进行了逐日至15天积分试验计算, 表明对于500 hPa中期数值天气预报, SMT42比T42的均方根误差小得多, 同时SMT42对距平相关系数也有所提高, 这为中期数值天气预报提供了一种有潜力的新途径.     

标准太阳紫外光谱辐射计

在中国气象局新技术推广项目"紫外观测技术标准"的支持下,经与中国计量科学研究院光学处的科技人员合作,开发研制了标准太阳紫外光谱辐射计,现已完成整机加工、调试和测试工作.该仪器由辐射接收器(采用积分球和余弦修正石英半球配合的接收方式)、光栅单色仪和探测器(包括波长扫描驱动机构、探测器和放大器等)、计算机及其控制软件以及校准系统等部分组成(图1).