AIRS红外高光谱资料反演大气水汽廓线研究进展

随着卫星遥感关键技术的突破,卫星光谱分辨率达到了分辨大气成分单个谱线的水平,研究人员开始了大量通道同时反演大气廓线和多种微量成分的研究.针对AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)就红外高光谱资料反演大气水汽廓线的研究进展进行了评述,从训练数据、通道信息的提取及降维、反演算法和反演精度改进4个方面对反演晴空大气水汽廓线的研究现状进行了分析与讨论.AIRS资料反演大气水汽廓线的训练数据通常选用威斯康星大学提供的全球晴空反演训练样本集CIMSS (Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies,University of WisconsinMadison)和SARTA(Stand-Alone Radiative Transfer Algorithm)辐射传输模式模拟的亮温辐射值.归纳总结了2种通道信息的提取及降维方法:一是采用有效的方法来完成光谱信息压缩,对常用的主成分分析和独立分量分析方法进行了对比,认为独立分量分析更为可行.二是通道选择,即保留部分含有较多大气廓线信息量的通道,达到降维目的.在进行通道选择时要注意针对不同地区气候类型、下垫面、季节以及即时天气条件,选择不同的通道组合.介绍了3种反演算法:特征向量统计法、牛顿非线性迭代法和神经网络法.对比发现特征向量统计法简单易行,但精度不够理想;牛顿非线性迭代法精度虽高但计算耗时长,因此不适合业务使用;神经网络计算速度快、精度也能达到要求,具有很好的前景.对目前的几种样本分类方法及附加因子进行了对比分析,对反演算法精度的改进提出了一些有益的设想.最后对晴空辐射订正及云天大气水汽廓线反演进行了简要介绍,提出了该领域未来的一些研究方向.     

大气校正方法及其在高光谱影像Hyperion中的应用

利用遥感影像反演地物反射率,大气校正必不可少。对于高光谱影像,其信噪比与多波段遥感影像相比非常低,消除大气的影响显得尤为重要。在大气辐射传输模型Modtran4.0基础上,给出了一种直接、有效的大气校正参数计算方法。结合MODIS/TERRA大气温湿度廓线产品,使用此方法计算了高光谱影像Hyperion大气校正参数,并用于Hyperion影像的部分波段的反射率反演,与卫星过境时地面同步实测的典型地物反射率以及高光谱大气校正软件ACORN的计算结果进行比较,获得了比较好的结果。研究表明,大气辐射传输模型和卫星遥感大气参数产品相结合用于遥感影像的大气校正是可行的。     

对流层臭氧卫星遥感反演综述

臭氧是地球大气中最重要的痕量气体之一,在气候变化和生态环境中均扮演着至关重要的角色。对流层臭氧作为光化学烟雾的重要成分之一,其浓度变化与人类活动息息相关。基于卫星遥感技术监测对流层臭氧浓度可以帮助我们更好地发现和定量解释对流层臭氧在不同季节、不同时刻以及不同区域的变化特征,探讨臭氧在对流层中的成因机制。随着卫星遥感技术的全面发展,臭氧遥感产品（例如臭氧总量、廓线等）无论在产品精度或是时空分辨率方面均取得了显著进步,然而,由于受较弱卫星信号与复杂下垫面的影响,对流层臭氧遥感产品精度仍无法满足目前对流层大气成分的精细化科学应用研究。主要围绕对流层臭氧卫星遥感,回顾和分析了臭氧卫星遥感载荷的发展历程和现状,结果表明国内外已基于不同谱段（紫外—可见光、热红外和太赫兹）实现了全球及区域臭氧的时空分布探测;讨论了基于不同技术遥感反演算法（直接与间接反演、多波段联合反演、天底—临边协同反演、基于机器学习技术的创新算法等）的特点及适用性,分析表明算法精度的提升包括从复杂大气背景下的辐射传输模拟、基于地面观测的先验信息优化以及仪器定标与信噪比等多方面的工作;展望了卫星遥感在全球和区域尺度提供可靠对流层臭...     

基于卫星遥感的氮氧化物排放快速反演方法比较

基于对流层二氧化氮(NO₂)垂直柱浓度卫星遥感数据,实现快速、高空间水平分辨率(5 km或更高)的氮氧化物(NO_x=NO+NO₂)排放反演,可为空气污染精准治理提供及时、细致的排放数据。现有多种低计算成本的快速反演方法,如指数修正高斯模型、散度模型和PHLET算法,但其反演效果尚未得到充分对比分析。以2019年夏季京津冀地区为研究对象,对比了上述3种方法的反演效果,研究发现,指数修正高斯模型主要适用于点源排放,但在京津冀等排放源密集地区的反演效果较差;散度模型考虑了在预定NO_x大气寿命情况下的水平输送,能快速识别主要排放源位置,但存在排放低估和负排放等问题;PHLET算法考虑了水平输送、NO₂垂直柱浓度和NO_x大气寿命的非线性关系以及卫星像元不规则等因素,对排放的估计较为准确。改善风场数据、填补卫星数据缺失和改善NO_x化学损失估计是进一步提升排放反演质量的关键。     

核磁共振T2谱反演影响因素

为了进一步改进完善核磁共振T2谱反演算法,利用核磁共振正演模拟信号,研究回波间隔、原始回波采集数量、信噪比等因素对反演结果的影响,同时在不同信噪比下对最优化T2谱反演算法、奇异值分解反演算法进行比较分析。研究表明:采集弛豫信号时,回波间隔大小的设置与回波数量、组分大小相匹配,才能得到最佳的反演效果;信噪比越高反演效果越好,当信噪比大于25时反演谱与构造谱基本吻合;在反演不同信噪比理论回波数据时,最优化反演方法对信噪比要求不高,奇异值分解反演方法对信噪比要求高,而奇异值分解反演速度较快。     

基于HJ-1B卫星数据的疏勒河上游流域地表温度反演

地表温度是描述地表和大气之间物质交换和能量平衡的关键参数之一. 利用疏勒河上游流域2010年7月25日过境的HJ-1B卫星数据, 采用修正的Jimenez-Mufloz&Sobrino普适性单通道算法反演了疏勒河上游流域的地表温度. 与MODIS LST产品的对比验证表明, 该算法在研究区有较高的精度. 同时, 对不同土地利用类型的地表温度的分析表明, 土地利用类型不同, 其地表温度存在一定的差异, 其中, 稀疏草地的地表温度最高, 裸岩次之. 研究发现, 在河流和冰川区, 修正的单通道算法可能高估了表面温度. 同时, 对模型反演所需的关键地表参数的敏感性分析发现, 算法在一定范围(0~0.01)内对比辐射率不太敏感, 但超过该范围则变得非常敏感, 而对大气水汽含量比较敏感. 因此, 一定程度上, 地表比辐射率和大气水汽含量的精度对HJ-1B卫星数据反演地表温度的准确性起主要作用.     

云分析预报方法研究进展

云作为地球大气系统的重要组成部分,不仅影响着气候变化和天气系统的发展演变,还与航空活动密切相关,一直以来是空军和民航部门非常关注的气象要素之一。在云探测、资料同化和反演方法发展的基础上,从实际业务保障和数值模式发展需求出发,综述国内外云分析、预报方法和云分析预报系统开发的研究成果,分析各类方法的优势和不足,明确国内外研究的主要差距,并探讨国内未来研究的方向。云分析方法中,探空对云廓线识别较好,卫星可见光和红外资料在云顶信息反演方面优势明显,多普勒雷达能够获取对流层中层和底层的云信息,而毫米波雷达能够很好地反映云三维结构信息,发展潜力巨大。云预报方法中,传统的统计和诊断方法发展较为成熟,而考虑了大气温湿和云微物理状况的大气辐射传输模式正演模拟云顶亮温的方法是未来的发展趋势。加强云探测技术,综合利用云分析预报方法,借鉴国外先进云分析预报系统的设计理念,积极开发我国自主的云分析预报系统,推动天气预报、航空气象保障和数值预报模式的发展将会是我国云研究的重要方面。     

面波频散反演地下层状结构的蚁群算法

介绍了一种新的算法——蚁群算法的概念和特点,及其在瑞利波反演地下层状结构中的应用,分析了使用蚁群算法应该注意的事项,提出了通过对初步搜索结果中信息素浓度分布曲线的分析,从而修改、缩小搜索范围,以提高反演速度的方法,并对层状介质模型以及实测数据的频散曲线进行反演,验证了方法的有效性。     

中国风云卫星与海洋卫星近海SST资料融合技术及应用研究

选用美国LAPS(Local Analysis and Prediction System)数据融合系统对中国风云(FY)和海洋(HY)卫星在我国东部海域SST反演数据进行融合处理。该融合系统能够协调区域大气和下垫面海洋要素的时空特征,协调不同要素间的特征状态及匹配规律,生成适合多要素诊断计算的区域规范化数据。针对该系统没有现成的卫星SST反演数据输入接口,对船舶站SST反演数据接口进行了数值调整;依据FY卫星及HY卫星SST数据的不同特点,尤其是随卫星轨道发生的不同时空变化,在输入卫星反演数据至LAPS系统之前,进行了多项预处理,包括对卫星反演数据异常值的判别与剔除、海陆边界要素异常梯度的鉴别与去除、不同卫星轨道坐标系网格要素的规范化处理、平滑去噪音等。经多项验证,预处理后的FY和HY卫星监测反演数据更有利于LAPS系统资料融合效果的正确性与合理性。再经LAPS系统的数据融合处理和各项验证,融合场既能保持卫星SST精细化的时空特征描述,也弥补了卫星资料非区域全覆盖的局限。将SST融合场对寒潮与冷空气过程中的东部海域海气影响进行热动力物理量时空变化诊断应用,对海面SST和感热通量的中尺度强度演变、南北空间变化差异均给出了量化描述。     

利用卫星遥感资料反演感热和潜热通量的研究综述

区域平均感热和潜热通量是气象、水文、生态模式中的关键物理因子,卫星遥感反演为观测区域平均感热和潜热通量提供了可能。对利用卫星遥感资料反演地气通量的方法进行了总结和评述。首先描述了现在常用的反演方法,分析了方法中的各种假定对反演结果的影响,并对不同的模式反演结果进行了比较。还指出了评价卫星反演通量的精度时需要注意的问题。最后对该领域内现存的问题与发展方向进行探讨。     

Stratification and convection over Arabian Sea during monsoon 1979 from satellite data

From the temperature and moisture retrievals from satellites, two types of indices were derived: one indicating suppression of convection and the other indicating organized deep convection. Sea surface skin temperature and equivalent potential temperatures up to 500 mbar level of the atmosphere, derived from TIROS-N satellite products, are the basis of the two indices. The maps of these indices for various phases of 1979 monsoon are compared with percentage cloudiness, a product also available from TIROS-N satellite observations. Despite the various limitations of satellite soundings, it is shown that these satellite-derived indices can be used to indicate the strengths of atmospheric convection and inversion over the oceans.     

空间GPS无线电掩星反演大气参数方法及其应用

给出了空间无线电掩星反演大气参数的原理及其误差估计方法,介绍了国内外在该领域的研究进展。并针对该技术的一些特点,指出了若干尚需解决的问题。     

基于WorldView-02高分影像的BP和RBF神经网络遥感水深反演

遥感水深反演是水深测量的一种重要技术和手段.以美济礁水深反演为例,选择WorldView-02高分影像为数据源,在辐射定标和大气校正的基础上,构建BP（Back Propagation）和RBF（Radial Basis Function）人工神经网络水深反演模型,以遥感影像8个波段为输入层,通过tansig、logsig、高斯函数和purelin函数变换实现从输入层到隐含层、隐含层到输出层的转换,以便反演水深.最后对反演水深与实测水深采用回归分析,求解决定系数（coefficient of determination,R2）、平均决定误差（Mean Absolute Error,MAE）、均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）等进行比较,评价2种模型的精度.结果表明,RBF神经网络模型结构更简单,对样本要求更低,反演精度达到0.995,更适合遥感水深反演.      

Total column ozone retrieval using INSAT-3D sounder in the tropics: A simulation study

The present study examines the potential of infrared sounder observations from Indian geostationary satellite INSAT-3D for the estimation of total column integrated ozone over the tropical Indian region. A dataset with diverse profiles was used to create training and testing datasets using forward simulations from a radiative transfer model for infrared sounder channels. A study was carried out for the standard tropical atmospheric profile to examine the sensitivity of ozone band radiance corresponding to the atmospheric temperature, water vapour, and ozone mixing ratios at different atmospheric pressure levels. Further, statistical retrieval technique has been used for the total column ozone estimation using two different approaches: (i) ozone channel observation along with the a-priori estimate of temperature and water vapour profile and (ii) only sounder channels observations. The accuracy of the retrieval algorithms was examined for different errors in the atmospheric profiles for the method (i) and different sensor noise specification for the method (ii). This study has shown that accurate temperature information is very important for ozone estimation and lower instrument noise results in better ozone estimates.     

Ground temperature changes in eastern Canada: borehole temperature evidence compared with proxy data

Borehole temperature logs have been inverted to infer ground temperature histories (GTH) in eastern and central Canada. Regional ground temperature histories were obtained by simultaneous inversion of several temperature profiles from the same areas. Simultaneous inversion of 21 temperature logs sampled across all of eastern and central Canada yielded an average solution for this region. All but three of the studied sites show signs of warming in the last 150 years. This period of warming, which started after 1800 AD, was found throughout this part of Canada. The warming followed a cooler period corresponding to the little Ice Age. The inferred ground temperature histories exhibit long-term trends similar to those obtained from treering growth indices in nearby regions and stable isotope data in the southern hemisphere. The modern warming appears correlated with the atmospheric concentration of CO₂ as measured in ice cores.     

极端干旱荒漠区典型晴天大气热力边界层结构分析

利用极端干旱区敦煌野外观测试验资料，分析了极端干旱荒漠区夏季典型晴天位温、风速、比湿等主要物理要素的垂直结构特征及其地表热力和近地层大气运动特征的日变化规律。发现在极端干旱地区夏季晴天大气热力边界层结构十分独特。在夜间，贴地逆温层最低在900 m以上，最厚可以达到1 750 m，逆温层上面的残余层一般能达到4 000 m左右的高度。在白天，位温超绝热递减层高达1 000 m，超绝热递减层上面的混合层最高达3 700 m，混合层顶上还有大约450 m甚至更厚的夹卷层。当白天对流层发展达到残余层以后，混合层的发展明显加快。风速和比湿垂直廓线特征很好地印证了大气热力边界层独特的结构特征，地表热力和近地层大气运动特征也为这种独特的大气热力边界层结构提供了较好的物理支持。     

Application of 2D and 3D geoelectrical resistivity imaging for engineering site investigation in a crystalline basement terrain,southwestern Nigeria

Orthogonal set of 2D geoelectrical resistivity field data, consisting of six parallel and five perpendicular profiles, were collected in an investigation site using the conventional Wenner array. Seven Schlumberger soundings were also conducted on the site to provide ID layering information and supplement the orthogonal 2D profiles. The observed 2D apparent resistivity data were first processed individually and then collated into 3D data set which was processed using a 3D inversion code. The 3D model resistivity images obtained from the inversion are presented as horizontal depth slices. Some distortions observed in the 2D images from the inversion of the 2D profiles are not observed in the 2D images extracted from the 3D inversion. The survey was conducted with the aim of investigating the degree of weathering and fracturing in the weathered profile, and thereby ascertaining the suitability of the site for engineering constructions as well as determining its groundwater potential.