不同季节GPS掩星廓线精度的比较研究

以1a的探空资料为参照,对南半球4个不同季节COSMIC掩星观测的折射指数、温度及气压廓线在0～30km高度区间的精度进行了分析。结果表明,虽然就整个高度区间平均而言,春季掩星廓线的精度最差,但不同高度区间掩星廓线的精度差别较大。无论折射指数、气压还是温度,掩星廓线在5～25km区间的精度都优于0～5km与25～30km区间。在0～5km的低对流层,由于水汽的影响,夏季的折射指数廓线精度最低;冬季则最高。在5km以上,夏季气压廓线的精度比其他季节高。不同季节各高度层掩星温度廓线的精度则无显著差异。     

利用FY3C与FY3D GPS掩星资料研究中低纬地区偶发E层形态的比较

偶发E层(sporadic E, Es)是主要发生在90~120 km高度的电子密度显著增强的电离层薄层,Es层的存在会导致掩星观测中全球导航卫星系统信号强度和相位的强烈波动。利用2019-01—2021-12风云三号C（Fengyun-3C,FY3C）和风云三号D(Fengyun-3D,FY3D)卫星GPS（global positioning system）掩星观测的50 Hz信噪比数据提取Es层信息,进而对两颗卫星数据分别反演得到的60°S~60°N中低纬地区Es层发生率的时空分布及季节变化进行比较。结果发现,虽然两颗卫星掩星资料得到的Es层发生率分布形态基本一致,均反映了Es层的发生率与地磁场和中性大气背景风场的相关性,但在大部分季节和地区,由FY3D得到的Es层发生率低于由FY3C得到的结果,北半球夏季中纬地区尤为明显,而FY3C反演结果与基于电离层与气候星座观测系统掩星数据的反演结果更为接近。导致差异的可能原因包括两颗卫星信噪比廓线的上边界高度分布和地方时覆盖上的差异、两颗卫星掩星接收机噪声水平的差异等。上述结果表明,后续融合两颗卫星的掩星数据进行Es层相关研究时,可能需要顾及两颗卫星接收机的不同噪声水平,在Es层发生的判定策略上进行针对性调整。     

利用FY-3C折射率对大气边界层高度的反演与分析

2013年中国发射了首颗进行全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)掩星观测的气象卫星风云3号C星(Fengyun-3C,FY-3C),且已发布自2014年6月以来的FY-3C掩星大气产品,但目前还未见将其应用于大气边界层的相关研究。首次尝试利用FY-3C折射率产品确定边界层高度并进一步进行空间分布分析。结果表明,在小波协方差变换法基础上,进行尖锐度约束,能够确定FY-3C掩星低层大气折射率廓线中可能存在的突变,反演边界层高度。所得到的2015―2018年各年边界层高度全球分布在不同纬度及海洋和陆地上的差异基本体现了边界层与地表气候及地形的关系,但FY-3C折射率产品在低层大气的精度和垂直分辨率相对较低。因此,反演成功率总体上较低,反演结果对边界层高度空间分布细节特征的呈现仍有待提升。     

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。     

澳大利亚上空COSMIC掩星廓线的反演

基于几何光学反演方法,由附加相住延迟序列出发,对2007年6月6日发生在澳大利亚上空的一次COSMIC掩星事件进行了反演.将反演得到的折射角、折射率、干温与湿度廓线分别与COSMIC数据分析与管理中心(COSMIC data analysis and archive center,CDAAC)的相应产品进行了比较.结果表明,两者在低对流层存在较显著的差异.以距离该掩星地点300 km以内、观测时间差异2 h以内的无线电探空资料为参照,反演的折射率廓线与CDAAC的折射率廓线在低对流层都存在一定的误差.对于该掩星事件,CDAAC通过变分法反演的湿度廓线并不比本文的反演结果更接近探空廓线;在1 km以下,其变化趋势甚至与探空结果相矛盾.     

利用COSMIC掩星资料分析南极地区对流层顶变化

利用2011年全年的南极地区的COSMIC掩星资料,反演了大气温度剖面,进而提取对流层顶参数(温度和高度),定量分析了南极地区对流层顶的时空变化特征。在南极地区,温度递减率对流层顶比最冷点对流层顶更准确,且掩星反演法与臭氧、无线电探空仪等结果基本一致。南极对流层顶整体表现为位相相反的一波结构,温度变化范围为200~230K,高度变化范围为9~11km。南极地区对流层顶在冬季和春季"消失",在夏季和秋季出现逆温层。南极地区对流层顶温度在冬季和春季表现出明显的梯度特征,纬度方向上,极点附近低,四周较高;经度方向上,西南极地区较低。     

不同GPS掩星电离层剖面产品相关性分析

将在一定时空限定范围内的不同低轨卫星COSMIC、GRACE、CHAMP、FY3C的电离层掩星电子密度剖面定义为一个掩星对来对比分析不同类型掩星电离层产品。结果表明：COSMIC掩星对之间的电子密度剖面整体轮廓符合得很好，电子密度剖面主要在250 km以下和500 km以上存在较大的偏差，250~500 km的电子密度整体偏差较小，统计得到的COSMIC掩星对的电子密度参量NmF2和hmF2的相关系数能分别达到0.99和0.97，具有高度相关性，不同COSMIC卫星之间没有明显的系统误差；COSMIC、GRACE、CHAMP和FY3C不同低轨卫星间的电子密度剖面略有差异，通过统计电子密度参量NmF2和hmF2之间的相关系数，COSMIC和CHAMP的相关系数分别为0.95和0.86，COSMIC和GRACE的相关系数分别为0.98和0.94，COSMIC和FY3C的相关系数分别为0.96和0.92，不同掩星类型之间的电子密度参量之间也具有高度相关性，验证了不同卫星任务GPS掩星电离层剖面的一致性。     

激光掩星探测大气UTLS温度和水汽的方法及仿真

以高精度和高垂直分辨率探测大气区间对流层顶—平流层底UTLS（Upper Troposphere/Lower Stratosphere,5—35 km）的温度和水汽廓线是提高大气条件变化监测水平的关键,而利用激光掩星方法同时探测温度和水汽则是对现有探测技术的重要补充。本文研究了激光掩星协同探测和反演温度和水汽分子数密度的方法,其中重点研究了双吸收波长近红外激光反演温度的方法,具体为从近红外波段氧气吸收光谱中,选择2个不同跃迁能级对应的特征吸收峰,在每个吸收峰附近各选出1个吸收线,利用2个吸收线对应的双吸收波长激光以及参考线对应波长激光进行掩星探测,进而由探测数据反演出温度。整个温度和水汽协同反演步骤是先反演温度廓线,然后由温度廓线以及5 km参考高度处的压强先验值计算得到压强廓线,最后在温度和压强廓线基础上,结合水汽单吸收波长和参考波长激光掩星数据,反演得到水汽分子数密度廓线。此外,本文对探测和反演过程进行了模拟仿真,通过在近红外波段选择合适的氧气吸收波长和水汽吸收波长,模拟得到掩星透过率数据,以此反演得到温度和水汽分子数密度廓线。并通过对整个过程的分析,明确了反演过程中的误差项及其传递关系,结合数值仿真结果,说明了各个误差项的影响大小。结果显示,在UTLS区间内,温度反演误差总体小于1.05 K,水汽分子数密度反演误差总体小于4%,该误差范围说明了温度和水汽协同反演方法的可行性。     

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%.     

利用IGRA2探空数据和COSMIC掩星资料对FY-3C掩星中性大气产品进行质量分析

根据IGRA2无线电探空数据和气象、电离层和气候卫星联合观测系统(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate, COSMIC)掩星资料,对2015—2017年包含折射率、温度和比湿廓线在内的FY-3C掩星中性大气产品进行质量分析。结果表明:FY-3C掩星折射率廓线25 km以下整体无系统偏差,相对偏差标准差≤5%;温度廓线存在系统负偏差,标准差≥1.5 K;比湿廓线越趋地表质量越低,5 km下标准差≤1.2 g/kg。总体而言,FY-3C掩星数据质量较好,在2015—2017年间逐年提高,但在近地面和25km以上有待进一步提高。对2017年产品的进一步分析表明:就季节而言,折射率廓线和温度廓线质量均在冬季最差,比湿廓线质量在夏季最差;就纬度带而言,折射率廓线在低纬度带质量最差,温度廓线质量的分纬度带比较结果在不同高度范围存在差异,比湿廓线在低纬度带质量明显低于中高纬度带;此外,FY-3C掩星大气产品数据质量随昼夜和海陆变化也存在一定差异。     

热红外与可见光数据的云边缘高度匹配

高分辨率数据中云高度的差异性突显,特别是边缘处高度在云阴影识别和地表辐射估算等方面成为需要考虑的重要因素。热红外数据获取云高度分辨率较低、缺乏细部差异性特征,为解决这一问题,首先将对应的热红外和可见光数据进行特征点配准,再将基于热红外数据计算的云高度重采样至高分辨率,然后以基于欧式距离变换的围线搜索方法及距离加权将热红外云边缘高度匹配至对应的可见光图像,最后根据云阴影的相似度匹配方法确定真实云高度。结果表明,算法在遵循热红外云高信息分布变化规律的同时,可以得到较准确的高分辨率云边缘高度,一定程度上解决了热红外技术获取云高在分辨率上的局限,扩展了其在云高反演方面的作用。     

利用COSMIC掩星资料分析大气重力波参数的全球分布特征

本文介绍了从单一温度廓线提取重力波的水平波长、垂直波长、势能和动量通量的方法,利用2007~2008年COSMIC干温廓线数据计算得到了可以表征中尺度重力波活动特征的相关参数值在各年夏季和冬季的全球分布。结果与国内外已有的相关结果在形态分布上符合较好。结果表明,在20~30 km大气层,重力波在北半球处于冬季时的活动明显强于夏季,重力波的活动呈现纬向分布特征,夏半球高纬地区的重力波活动有明显的季节性变化,重力波的活动主要受地形和对流作用影响。COSMIC数据计算的动量通量分布大致与势能分布趋于一致。     

Potential to estimate the canting angle of tilted structures in clouds from microwave radiances around 183 GHz

The effects of cloud structures on microwave radiances at frequencies from 89-190 GHz are investigated by simulations using the Goddard cumulus ensemble model data as input for a radiative transfer model. It was found that the brightness temperatures at these frequencies have different sensitivities to clouds with a tilted structure. The different sensitivities to altitude and amount of hydrometeors allow the estimation of the canting angle and tilt direction of tilted clouds using brightness temperatures at the water vapor channels at 183.3 /spl plusmn/ 1 and 183.3 /spl plusmn/ 7 GHz. The estimated canting angle and tilt direction are in agreement with the model situation. This method provides a potential to estimate tilted convective structures from microwave radiometric observations at 183.3 /spl plusmn/ 1 and 183.3 /spl plusmn/ 7 GHz. It is applied to a tilted storm observed from the National Aeronautics and Space Administration's ER-2 aircraft flying at about 20 km on August 26, 1998 during the third Convection and Moisture Experiment using the observed downlooking brightness temperatures at the water vapor channels of a Millimeter-wave Imaging Radiometer. The estimated results are in good agreement with the realistic storm situation obtained from the simultaneous observations of the ER-2 Doppler radar. This method also provides information about the vertical displacement of cloud structure and thereby to estimate the accurate location of surface rainfall. This is important when validating precipitation retrieval based on observations of the ice scattering above surface rainfall against surface rain observations using the microwave frequencies sensitive to high altitudes.     

SBDART的参数化短波辐射传输模型

云层对地气系统辐射能量平衡有重要的调节作用,然而传统1维大气辐射传输模型仅能考虑晴空和全云两种情况。为了更好地研究云层对地表短波辐射的影响,以大气辐射传输模型SBDART(Santa Barbara Disort Atmospheric Radiative Transfer)为基础,在短波辐射传输基本方程中引入半球天空有效云覆盖度和区域真实云覆盖度两个关键云参数,考虑太阳方向和半球天空云层覆盖情况,对模型进行几何关系的修正。结合短波辐射的影响因素和SBDART模型的内置参数,选择13个参数,使用全局定量敏感性分析软件Sim Lab对修正后的模型进行参数敏感性分析及应用讨论。研究结果表明:该模型能够较好地描述云层对地表短波辐射的影响;对下行短波辐射和地表短波净辐射而言,太阳天顶角和地表反照率的影响最为显著;两个云覆盖参数在很大程度上也影响了地表短波辐射分量;在模型实际应用过程中,敏感性较强的6个参数均可以通过卫星遥感数据得到,模型具有较好的应用前景。由此可见,改进的短波辐射传输模型能够更好地考虑不同云层条件下、不同太阳–云–观测几何下的短波辐射传输问题,有利于提高短波辐射参量的遥感反演精度。     

基于密集匹配点云的DEM生产可行性研究

无人机倾斜摄影直接生产的成果通常包括三维模型、TDOM、DSM等,然而规划设计通常不能直接利用倾斜数据输出的DEM,需要辅以人工编辑。作为倾斜摄影影像处理的过程成果,密集匹配点云未得到充分利用。其与激光雷达点云具备相似的结构,且点云密度可自由选择,在不考虑数据量的情况下,密集匹配点云的点密度可数倍于激光雷达点云。此外,密集匹配点云无需单独赋色,即具有纹理信息, 对人工目视编辑自动分类后的地面点具有一定的辅助作用。本文对比分析了同一测区的密集匹配点云与激光雷达点云,验证了密集匹配点云用于房屋建筑区及稀疏林区地面点滤波并生产DEM的可行性。     

Landsat TM遥感影像中厚云和阴影去除

提出了一种新的利用多时相Landsat TM影像数据进行的厚云及其阴影去除的方法。该方法通过分析厚云及其阴影的光谱特征, 设计了厚云和云阴影识别模型。该算法的实现是采用图像配准技术、非监督分类、像元替换等运算, 计算出厚云和云阴影区域的TM影像替换数据, 进而得到消除或者减少云影响的TM遥感影像。试验结果表明本文提出的厚云及其阴影去除方法效果很好, 能消除或者弱化云对TM影像数据的影响。     

ICESat-2机载试验点云滤波及植被高度反演

新一代星载激光雷达卫星ICESat-2将采用多波束微脉冲光子计数技术,并进行高程剖面式的对地观测。由于该点云数据具有背景噪声大、密度低并呈线状分布等特点,传统的点云滤波算法并不适用,研究新的点云滤波算法十分必要。本文以ICESat-2的机载模拟器MABEL数据为例,首先介绍了微脉冲光子计数激光雷达的基本原理和数据特点,并针对高程剖面点云提出基于局部距离统计和最小二乘局部曲线拟合的点云滤波算法;然后,对美国加利福尼亚州Sierras-Forest地区MABEL试验中532 nm通道的光子点云进行滤波处理,并利用识别的地面点插值得到3 m分辨率的线状DEM,进而估算了该区域美国云杉的平均树高;最后,对该滤波算法进行精度评价,并分析了误差来源及其对DEM精度和树高反演精度的影响。结果表明:(1)该算法整体精度达97.6%,能有效剔除绝大部分噪声点且对地形起伏具有较强的自适应能力;(2)误分噪声点影响了滤波过程中局部地形的拟合,而滤波过程中的分类误差将降低DEM和树高反演的精度。     

利用COSMIC掩星资料计算平流层大气风场方法分析

利用大气压强、温度、密度等与风场之间的关系,通过大气折射指数、高度及温度数据均可以推算出大气风场,选用2007年1、4、7和10月COSMIC掩星观测的压强和折射率、高度、温度等月平均数据,构建了三种推算大气风场的方法。从风场的纬度高度分布、经度纬度分布及纬圈平均纬向风在不同季节的特性等方面,将计算结果与ECMWF ERA-interim再分析风场结果进行对比,发现计算结果与模式风场基本一致,能够反映出中高纬度大气风场的变化规律,偏差随高度的增高而逐渐增大,1hPa等压面以下偏差在10m/s以内。采用不同掩星数据推算出的大气风场之间的彼此差别很小,折射率与温度资料推算的大气风场几乎相同,高度数据推算出的风场相对前两者偏差稍大,但一般不超过2m/s。     

多样地表和大气状况下的MODIS数据云检测

云覆盖作为天气和气候变化的一个重要因子,对地表-大气能量平衡和水循环有着重要的影响,因此,快速、准确地利用卫星遥感技术检测云覆盖具有重要的实用价值和科学意义。利用卫星遥感数据,尤其是常用的Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)影像数据,因其具有较高的光谱和时间分辨率,以及2330 km扫描幅宽,为大范围实时、准确地进行云检测提供了可能。目前,基于MODIS数据发展了大量的云检测方法,但因地表类型的多样性和大气状况(如空气污染和沙尘事件等)的复杂性,目前已有的云检测方法,检测精度通常具有较大的不确定性,且针对不同地表和大气状况缺乏普适性,同时也缺乏对检测精度的定量化评估。因此,本文首先比较了常用的3种云检测算法,并基于前人经验提出了两种改进方法(方法4和方法5),首先区分出云和冰雹,摒弃了不稳定的亮温波段,两种算法均适用于复杂地表和大气状况的云检测算法。结果显示,方法5可以较好地应用于基于MODIS数据的云检测,总体精度达92.6±7%,改进了现有基于MODIS数据的云检测算法;方法4平均总体精度82.9±13%,虽然精度相对较低,但云残留少,适合作为对云敏感度高的研究工作的云检测方法。     

Modelling of radiation transfer in Earth’s hazy atmosphere and calculation of path radiances in IRS LISS-I Bands

A model (named ATMRAD) of radiation transfer in the Earth’s hazy atmosphere based on simplistic solution of radiation transfer equation and tropical model atmosphere is developed to estimate path radiance for correction of remote sensing multispectral data. The atmosphere is assumed to be cloud free and plane-parallel stratified with various quatities specified for 46 layers in its 100 km assumed thickness and model altitude profiles of haze aerosols specified for 23 km and 5 km visibility ranges. Altitude profiles of haze for any intermediate visibility ranges are deduced from linear mixing of the two profiles for 23 and 5 km visibilities. Deirmendjian size distribution function is assumed for aerosols. The radiation transfer calculations have been performed for 126 wavelengths in 0.25 to 3.0 μm range by considering Rayleigh and Mie Scatterings by air molecules and aerosols; and absorption by atmospheric gases. The model calculations have been carried out for path radiances in bands of IRS LISS-I sensor for different visibility ranges and solar illumination angles.