FY-3D/HIRAS光谱定标精度评估中的最佳光谱区域选择

光谱定标精度的精确评估和监测,是红外高光谱数据应用之前的重要工作。光谱定标精度评估常用"互相关"方法,即通过平移观测谱使得观测谱与参考基准谱之间满足最大相关或最小标准差条件。考虑到计算耗时,无须在全谱段检测频偏,而用部分光谱区域评估光谱定标精度。为全面评估"互相关法"对光谱区域选择的依赖程度,初步选择光谱区域依据理论模拟光谱(只考虑仪器离轴效应)的敏感性分析,最佳光谱区域选择基于实际观测光谱的敏感性分析。基于模拟光谱的敏感性分析表明:光谱精度评估方法对光谱区域的选择在中波波段不敏感,在长波和短波波段比较敏感,其敏感性与光谱区域内吸收带的包络特征、辐射能量的大小有关;选择不同光谱区域引入的绝对误差在长波和短波波段最大分别可达3.05和3.35 ppm(1 ppm=10~(-6));因此,当光谱区域选择在辐射能量较大,大气成分含量稳定的大气分子吸收带,能有效减小"互相关法"引入的误差。进一步基于风云三号D星红外高光谱大气探测仪(FY-3D/HIRAS)观测光谱,研究提出了HIRAS光谱精度评估的最佳参考光谱区域:长波波段为[716,766] cm~(-1),中波波段为[1270,1320] cm~(-1),短波波段为[2159,2209] cm~(-1),基于上述光谱区域评估的HIRAS光谱偏差平均值均优于2 ppm,长波和中波的标准差优于2 ppm,短波的标准差约为4 ppm。研究结果对其他红外干涉仪器的光谱定标精度评估和频率长期稳定性监测也具有参考作用。     

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.     

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。     

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。      

杭州市大气逆温特征及对空气污染物浓度的影响

利用2003-2009年杭州市逐日探空观测资料及杭州市环境监测站空气污染物浓度监测资料,对杭州市主城区低空温度层结特征及与3种主要空气污染物（SO₂、NO₂和PM₁₀）浓度之间的关系进行了统计分析。结果表明：杭州市主城区低空大气温度层结全年以弱稳定为主,一年四季皆有逆温层存在;冬半年逆温发生频率高于夏半年,逆温层厚度冬季较厚、夏季较薄,逆温强度秋季最强、夏季最弱。通过计算污染物浓度与逆温特性的相关关系,发现污染物浓度与逆温层底高呈负相关,与逆温频率、厚度、强度呈正相关,由此说明杭州市主城区低空大气逆温层结状况是影响该市空气污染程度的重要因素之一。     

江苏不同量级降雪过程的对比分析和预报指标研究

利用常规观测资料和NCEP 1°×1°再分析资料,通过对2008-2018年共11年间发生在江苏省的区域性中雪、区域性大雪、区域性暴雪天气过程的对比分析,发现影响江苏区域性降雪的主要天气系统是500 hPa西风槽、700 hPa西南急流和地面冷空气。决定降雪量级的因素主要是700 hPa西南急流强度和范围,降雪区上空水汽输送强度、水汽辐合强度、水汽辐合厚度也与降雪量级有一定的正相关关系。暴雪时700 hPa水汽通量≥14 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1,且水汽来源更为丰富,均来自于孟加拉湾和南海;大雪和中雪时,700 hPa水汽通量分别≥12 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1和10 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1。暴雪期间,水汽辐合区内水汽通量散度都≤^-1×10^-7g·s^-1·hPa^-1·cm^-2,水汽辐合厚度达200~400 hPa,明显强于大雪和中雪。有利于江苏发生区域降雪过程的温度垂直分布条件为:地面≤2℃、t₉₂₅≤-1℃、t₈₅₀≤-2℃、t₇₀₀≤-1℃、t₅₀₀≤-14℃。随着降雪量级的增大,中低层温度阈值呈降低趋势。中低层逆温是产生区域性大雪及暴雪的必要条件,而中雪发生时不一定都有逆温层结,只要近地层温度条件合适,就能产生降雪。随着降雪量级的增大,逆温层强度明显增强、厚度明显增厚。暴雪、大雪和中雪时逆温强度阈值分别为3~8℃、2~8℃和1~3℃,其逆温层厚度分别为150~200 hPa、100~200 hPa和50~100 hPa。降雪过程中上升运动强中心位于600400 hPa。暴雪时,上升运动区相对大雪和中雪时的更为深厚,基本整层都为上升运动区,垂直运动发展旺盛。暴雪和大雪时上升运动中心值均≤-0.7 Pa·s^-1,中雪时中心值≤-0.3 Pa·s^-1。     

北京市秋季城区和郊区大气边界层参数观测分析

应用2001年9月北京城区和郊区同步大气边界层观测资料,对大气边界层热力和动力参数进行了计算分析.结果表明:北京市秋季,逆温出现的时间城区滞后于郊区;逆温层高度城区大于郊区,200m通常为郊区的逆温层顶和城区的逆温层底部;逆温层强度城区弱于郊区;城市热岛强度为3℃;城区感热通量的输送大于郊区;城区下垫面粗糙度远大于郊区;郊区总辐射和紫外辐射的强度明显大于城区.     

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...     

银川市大气边界层逆温影响因素及其与冬季PM2.5的关系

为了探究银川市大气边界层逆温特征和影响因素及其与冬季PM_2.5污染的关系,利用2015—2020年银川气象站探空、地面气象观测资料及银川市空气质量监测数据,在分析银川市大气边界层逆温及地面气象要素特征基础上,以冬季为研究时段,探讨逆温与地面气象要素对PM_2.5污染的影响。结果表明：(1)银川市清晨大气边界层较傍晚更易出现逆温,且逆温多为贴地逆温,贴地逆温较悬浮逆温强度大、厚度小;逆温频率和厚度冬季最大、夏季最小,逆温强度秋季最强、夏季最弱。(2)冬季晴天,地面平均风速1.0～1.5 m·s^-1、相对湿度30%～60%的气象条件下易出现逆温。(3)贴地逆温是影响冬季PM_2.5污染天气的主要气象因素之一,当逆温厚度超过596 m、强度超过1.4℃·(100 m)^-1时,易出现PM_2.5污染天气,且随着逆温厚度增大、强度增强,污染加重。(4)冬季PM_2.5污染天气下,清晨天空状况多为晴天,通常地面平均风速小于1.3 m·s^-1     

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。      

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。     

基于系留探空试验的古尔班通古特沙漠低空气象廓线解析?

利用2011年10月15—24日在古尔班通古特沙漠腹地系留气艇边界层试验的探测资料,分析了沙漠腹地近地层风、温、湿等气象要素廓线垂直分布特征及其变化情况,结论如下:(1)20时—08时存在逆温,08时逆温最强,逆温强度为2.85℃/100 m,逆温层高度为700 m,之后逆温逐渐消失;夜晚近地层湿度明显大于上层大气,在100 m高度差内,湿度先快速减小再缓慢增大,与白天相反,20时近地面出现逆湿,1 100 m高度湿度发生明显切变;逆温层以上风速随高度变化呈多峰态,逆温层范围内风速增大趋势明显,900~1 100 m之间存在200 m厚的恒风区,1 100 m以上风速再次增大,白天的风速小于夜间。(2)风速波动范围大约为2~8 m/s,近地面100 m范围内风速随高度快速增大,风向由东南风向南风转变,600~900 m之间风速变化减缓,风向由从南风逐渐向东风转变,以东南风为主,风速与风向同步改变。(3)600 m以下随温度升高湿度快速减小,600~1 100 m之间又持续增大,1 100~1 500 m之间呈波动变化的趋势,1500 m增大明显。(4)风切变指数夜晚大于白天,最大值在23时(20.88),最小值在中午14时(0.97),平均风切变指数为9.61。混合层厚度平均为125.88 m。     

FY-3 IRAS水汽通道亮温正演精度改进方法

卫星大气探测仪器的正演模拟是卫星资料同化和定量遥感的基础, 同CO₂吸收通道相比, 目前红外水汽探测通道的亮温正演模拟误差较大。利用国际上通用的TIGR (thermodynamic initial guess retrieval database) 43廓线库作为训练样本, NESDIS (national environment satellite, data and information service) 35廓线库作为独立检验样本, 对水汽廓线按照整层大气水汽总量为阈值进行分组训练, 基于RTTOV (radiative transfer for TOVS) 模型训练获得风云三号气象卫星红外分光计的正演回归系数并模拟计算观测亮温。以0.045 kg·m-2作阈值进行分组训练为例, 结果表明:该方法可有效改进水汽通道亮温的正演精度, 特别是对低水汽含量廓线的模拟精度改进比较明显, 最大可达0.17 K。进一步分析表明:分组训练方法改进水汽通道辐射模拟精度的原因是提高了水汽光学厚度的计算精度。     

基于探空资料的江西典型冻雨天气过程垂直结构分析

利用探空资料和地面观测资料,对1959—2008年发生在江西的典型冻雨天气过程的大气垂直结构进行了分析。结果表明:冻雨的形成与大气饱和层、冰晶层、暖层、逆温层、冷层及特征物理量等因素的关系密切。对流层中下层的大气呈饱和或准饱和的逆温状态,饱和层顶位于暖层之上是冻雨发生的主要层结特征。冰晶层底部的平均高度为675hPa,平均厚度为2309m;暖层底部的平均高度为834hPa,平均温度为4.1℃,平均厚度为1765m;逆温层的平均温差为7.5℃;冷层的平均厚度为1668m,平均最低温度为-3.9℃;平均地面最低温度为-1.2℃;冻雨发生时大气整层比湿积分指数须增大为1000以上,干暖盖强度指数须降到-5℃以下。     

利用静止气象卫星红外通道遥感监测中国沙尘暴

气象卫星的红外窗区通道 (8~12 μm) 对于通常大气气溶胶几乎没有响应, 但对于较大颗粒且浓度较强的沙尘气溶胶, 尤其是沙尘暴有明显的信号反应。空气中的沙尘在红外分裂窗通道表现出两个特征:一是对地表发射到空间的红外信号产生衰减, 造成卫星探测到的地气系统亮温降低, 这就是所谓的红外差值沙尘指数IDDI; 二是沙尘粒子在红外分裂窗两个通道的比辐射率不同, 11 μm比12 μm的比辐射率低, 从而造成这两个通道的亮温差是负值。基于这两个特征和沙尘多通道光谱聚类法, 针对静止气象卫星观测数据进行了沙尘暴卫星遥感监测业务算法开发, 输出沙尘暴监测产品和红外差值沙尘指数产品, 这一算法不仅用于已经退役的GMS-5卫星, 而且应用于正在运行的静止气象卫星FY-2C, 它还为沙尘暴的定量或半定量遥感提供参考借鉴。     

我国东部地区冬季的低层逆温

一、分析方法本文包括三个部份:(1)逆温随纬度分布;(2)地形对逆温的影响;(3)武夷山逆温。第1和第2部份是用高空07时规定层和特性层资料,计算离地面2000米以内各个特性层的高度,然后根据规定层和特性层的高度和温度值用内插方法分层计算各高度的温度,上层温度较下层温度高(或等温)定为逆温层。分析逆温层时,我们按逆温层底离地面的高度(米)分为接地、0相似文献   

基于L波段雷达探空资料的南京低空逆温特征

利用2010—2015年南京市逐日的08时(北京时间,下同)和20时L波段雷达探空秒级数据资料,研究南京市边界层内(2 km以下)接地逆温和悬浮逆温的出现频率、逆温层厚度以及逆温强度等,对该地区低空大气逆温特征变化进行了详细分析。结果发现:南京市逆温日的发生频率较高,达81.68%,其中接地逆温23.9%,悬浮逆温71.8%,早间发生频率高于晚间,月分布均表现为盛夏季节频率低,秋冬季节发生频率高。逆温层厚度也是夏季最薄,冬季到初春厚度较大;早间的逆温层厚度大于晚间的逆温层厚度,悬浮逆温厚度大于接地逆温厚度。南京市逆温强度夏季小,冬季大,有明显的季节变化趋势。逆温强度早晚差异较小,但接地逆温平均逆温强度是悬浮逆温的1.5倍。逆温强度达到2.0℃/hm的强逆温有50%以上出现在冬季。通过计算污染物浓度与逆温强度的相关性,发现污染物浓度(PM_(2.5)、PM_(10)、SO_2、NO_2、CO)与逆温强度有很好的正相关性,由此说明低空大气逆温层结状况对空气质量有一定影响。     

杭州市大气逆温特征及对空气污染物浓度的影响

利用2003—2009年杭州市逐日探空观测资料及杭州市环境监测站空气污染物浓度监测资料,对杭州市主城区低空温度层结特征及与3种主要空气污染物（SO2、NO2和PM10）浓度之间的关系进行了统计分析。结果表明：杭州市主城区低空大气温度层结全年以弱稳定为主,一年四季皆有逆温层存在;冬半年逆温发生频率高于夏半年,逆温层厚度冬季较厚、夏季较薄,逆温强度秋季最强、夏季最弱。通过计算污染物浓度与逆温特性的相关关系,发现污染物浓度与逆温层底高呈负相关,与逆温频率、厚度、强度呈正相关,由此说明杭州市主城区低空大气逆温层结状况是影响当地空气污染程度的主要因素之一。     

云降水物理与人工影响天气研究进展

<正>1云雾物理观测与数值模拟研究1.1环北京春季大气气溶胶分布、来源及其与CCN转化关系的飞机探测利用2009年春季开展的"环北京云观测试验"观测的气溶胶和云凝结核（CCN）数据,研究了试验期间大气气溶胶的分布、来源特征及其与CCN的转化关系。结果表明,高浓度气溶胶基本分布在4500 m以下的区域,量级可以达到10³ cm^-3。4500m以上气溶胶呈显著下降趋势,量级仅为10 cm^-3;气溶胶平均直径在0.16⁰.19μm之间。4500m以下气溶胶平均粒子谱呈双（多）峰分布,而在4500m以上基     

机载微波大气温度探测仪多高度飞行观测试验结果分析

机载微波大气温度探测仪可以机动灵活地获取大气温度廓线信息。针对一次机载微波大气温度探测仪的多高度飞行观测试验,基于逐线积分模式和大气参数廓线库,建立用于不同飞行高度的快速辐射传输模式,分析了仪器观测亮温的质量并对仪器观测进行了订正;建立了基于神经网络的微波大气温度廓线反演算式,分析了不同高度、不同通道选择对于大气温度廓线反演性能的影响。研究结果表明:（1）较低飞行高度计算得到的各地表敏感通道地表比辐射率之间具有较好的一致性;（2）采用订正算式订正后,不同飞行高度的模拟亮温与观测亮温具有较好的一致性;（3）机载微波大气温度反演最优通道组合依赖于平台飞行高度;（4）采用最优的通道组合,4 200 m、3 200 m和2 500 m高度层温度反演均方根误差范围分别为0.5~1.8 K、0.5~1.3 K和0.4~1.0 K。