GF-5 AIUS水汽廓线反演算法研究

针对红外掩星载荷的分层探测特性,本文在Rodgers提出的LM（Levenberg-Marquardt）最优估计算法的基础上进行修改,构建一种适合掩星探测的水汽廓线反演算法。首先,考虑到红外掩星的高光谱数据在反演时存在通道信息冗余的问题,相关的干扰成分信息对反演精度也有严重影响。使用通道选择和敏感性分析选择合适的反演通道,从而减轻计算负担并提高反演效率。其次,采用分层平滑因子修正Rodgers的LM最优估计算法,使算法更适合红外掩星载荷的分层探测特性。最后,为了验证修正算法的可靠性,分别对ACE-FTS观测数据和GF-5AIUS模拟光谱数据进行水汽廓线反演,并对同次迭代的反演结果进行对比。结果表明：对于ACE-FTS观测数据,修正后算法的反演总体相对偏差从±10％降低到±6％;对于GF-5 AIUS模拟光谱数据,修正后算法的反演总体相对偏差从±9％降低到±5％。此外,在部分高度层中相对偏差明显减小,对于ACE-FTS的反演实验,在不同高度层中修正后算法减小的相对偏差百分比超过25.17％;对于GF-5 AIUS反演实验,不同高度层减小的相对偏差百分比超过48.26％,表明修正后的算法使反演效果得到了改善,证实了该算法的有效性。因此,本文提出的算法可以为今后掩星探测水汽廓线的研究提供参考,为预测降雨、天气灾害、维持全球生态平衡等领域的研究提供高质量的水汽基础数据。     

利用AIRS观测资料进行红外高光谱大气探测能力试验的研究

利用EOS Aqua卫星平台上搭载的光栅式高光谱分辨率大气红外探测仪器AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）的实际观测资料，采用经验正交函数展开法（特征向量法）进行了大气温度、湿度廓线的反演误差敏感性试验研究。试验内容包括光谱覆盖、通道覆盖、通道宽度等。通过这些试验，研究在中国现有的经济、技术条件下要达到在对流层1km气层温度、湿度分别小于1K和20％的反演精度和垂直分辨率所应该具备的光谱通道特征，为发展中国自己的红外高光谱分辨率探测技术提供科学依据。试验计算结果表明，基于中国现有的经济和技术基础，发展具有100个左右的光谱通道，通道宽度为2-4个波数的干涉式红外大气探测仪器（比中国目前FY-3初期的滤光片式红外分光计的光谱波段宽度减小3-4倍），可明显改善大气参数反演精度，基本满足现阶段使用要求。     

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。     

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.     

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%.     

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。     

FY-3D MERSI-II地表温度遥感反演与验证

地表温度是是决定地表辐射能量收支的重要变量,在岩石圈、水圈、生物圈和大气圈的能量平衡和水量平衡研究中起着重要作用。利用热红外遥感技术可实现区域和全球尺度地表温度的快速获取,其受到了研究者的广泛关注。目前,FY-3D是国内光谱分辨率最高的对地观测卫星,极大的提高了对地观测能力,其搭载的中分辨率光谱成像仪（MERSI-II）经过大幅升级改进,性能有了显著提升,热红外数据的空间分辨率达到了250 m。本文使用大气辐射传输模型MODTRAN 5模拟了MERSI-II传感器热红外通道星上观测数据。在此基础上,构建了通用劈窗地表温度反演模型,结合ASTER GED全球地表发射率产品以及MERSI-II自身大气水汽反演算法,发展了地表温度遥感反演方法。最后,利用2019-08内蒙古乌海沙漠地区及美国SURFRAD多个站点的实测地表温度数据对本文提出的方法进行了验证。研究结果表明,相较地表实测数据,构建的劈窗算法反演的地表温度RMSE在1.6—2.6 K,反演精度达到了预期目标,还具有较高的空间分辨率,可以用于业务化的地表温度的反演,同时也说明其辐射定标精度有了一定保证,有效满足了区域和全球尺度地表温度遥感监测应用需求。     

GNSS掩星探测大气算法及误差分析

简要概述了GNSS掩星探测大气的发展历史与国内外的研究现状;详细叙述了无线电掩星反演大气参数的基本原理,主要包括几何光学下的相位反演,中性大气层、电离层、振幅的反演,分辨率的定义以及无线电掩星技术系统与标准算法和误差分析;并针对该技术的一些特点,指出了若干尚需深入解决的问题;最后展望无线电掩星观测技术在数值天气预报(NWP)等领域的发展。     

欧洲ACE+掩星观测计划

最近，欧洲制定了一个新的ACE^ 掩星观测计划。它由4颗小卫星组成，分布在2个轨道面上。星载接收机可以分别接收GPS和Galileo(伽利略)导航星座信号，进行掩星观测。此外，4颗小卫星中的两颗卫星，携带X和K波段的发射机，另外两颗携带接收机，他们之间也进行掩星观测，测量电波振幅变化，独立反演对流层大气温度和水汽。计划创新之处在于，它以前所未有的技术和测量精度获得全球大量的电离层和中性大气的气象场资料。本文介绍ACE^ 计划观测内容、卫星载荷、地面观测设备的数据处理技术，也给出该计划的应用前景。     

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％。     

全极化微波辐射计对环境参数敏感性分析

为衡量全极化微波辐射计各通道对不同环境参数的探测能力,在构建全极化微波辐射传输正演模型的基础上,采用敏感性分析的方法,在固定背景场条件下,对全极化微波辐射计不同频率、各极化通道亮温对海面风速、海面风向、海面温度、大气水汽含量和云中液态水含量等重要环境参数的敏感度进行了分析和量化计算,对正演模型仿真亮温、星载全极化微波辐射计Wind Sat实测亮温相对于真实背景场参数、NCEP分析场资料和TAO/TRITON浮标实测海面风场数据的敏感性进行了分析。分析结果验证了全极化微波辐射计对海面风场的观测能力,衡量了上述重要环境参数对星载全极化微波辐射计各通道的单独影响程度,为中国自主研制全极化微波辐射计时通道指标设计、环境参数反演通道选取及算法提供支持。     

山基GPS掩星反演大气对流层折射率系统组成及其程序实现

山基GPS掩星技术因具有较强的实用功能成为目前反演大气研究的热点。结合雾灵山山基GPS掩星试验数据，研究了山基反演大气折射率的主要组成部分，并详细介绍了几个模块的实现过程，最后用程序解算了一段掩星数据。     

遥感模型多参数反演相互影响机理的研究

遥感数据具有覆盖范围广、时间与空间分辨率高的特点,被广泛应用于提取区域范围内的一些重要的生物物理参数.为提高参数的提取精度,需要制定正确的反演策略.了解影响参数提取精度的因素、反演过程中各反演参数之间如何相互作用是制定合理反演策略的关键.本文通过数学推导与物理机理的分析,证明了影响参数反演精度的因素不但有冠层反射率数据的质量,还有反演过程中参与反演的未知参数的个数、参与反演的每个参数的敏感性及各个参数敏感性之间的相关性.最后通过对反演不同参数个数、不同数据质量进行了叶面积指数反演的精度分析,验证影响参数反演精度的各个因素.     

空基GPS遥感地球大气参数方法研究

探讨了空基无线电掩星技术应用于遥感地球大气参数方法，并将该方法编制成资料处理软件。对实测资料进行处理和分析后，给出了地球大气参数反演结果。发现指数函数外推法引入数据处理后大大改进了大气温度的归算结果，而对气压归算的影响却很小。比对结果显示我们的遥感结果同国外有关结果基本相符。     

中国区域COSMIC数据掩星反射信号特征分析

掩星信号在传播过程中能够在地球表面发生反射,其反射信号中的低层大气信息在改进天气预报精准度和气候监测等方面存在很大的应用价值.基于COSMIC(constellation observing system for meteorology,ionosphere and climate)掩星廓线资料,提取了 2011-20...     

黑河遥感试验中尺度上推研究的进展与前瞻

尺度问题是遥感科学研究的一个关键科学问题,但其理论和方法的发展严重受限于稀缺的多尺度观测数据。黑河生态水文遥感试验(Hi WATER)的核心目标之一是开展多尺度观测以支持尺度转换研究。本文综述了Hi WATER中定点观测的尺度上推研究进展,内容包括:(1)尝试严格定义了空间平均、空间尺度上推、观测足迹、代表性误差、观测真值等概念;(2)介绍了Hi WATER获取的多尺度(单点—像元—区域—流域)生态水文观测数据;(3)发展了基于地统计理论的多尺度采样方法,改进了基于时间稳定性的采样方法;(4)定量评估了辐射、碳通量、土壤水分、地表温度单点观测的代表性误差,实证了异质性地表遥感产品真实性检验的不确定性主要来源于观测的时空代表性;(5)发展了定点观测的尺度上推方法,将克里格方法推广至回归克里格、面到面、不等精度观测等情形,发展了贝叶斯框架下的非线性尺度上推方法,实证了引入遥感观测作为协同信息可显著提高尺度上推的精度。总之,Hi WATER初步形成了从采样设计、多尺度观测、代表性误差的度量、尺度上推新方法到真实性检验的研究框架。     

GPS-LEO掩星探测地球大气的方法

近年来伴随导航定位技术与无线电掩星技术的结合，一种崭新的遥感地球大气的方法-Global Positioning System/Meteoroloby(GPS/NET)应运而生，该方法可以有效地探测大气温、压、湿等气象参数。本文在介绍利用GPS-LEO掩星技术探测地球大气的原理，以及反演大气参数的方法、步骤的基础上，给出了模拟掩星数据反演出的温度廓线、密度廓线及部分GPS/NET实验数据的初步反演结果。通过分析可以看出，利用掩星技术反演出的温度廓线与大气实际情况相符，并且与ECMWF、NCEP的结果吻合较好。在干空气假设条件下，近地面大气的反演结果与实际情况还存在一定误差，有待深入研究解决。