从MODIS数据中反演大气廓线和地表参数

MODIS的设计目的是能够每隔1-2天测量一次全球范围生物的和物理的过程.我们可以从该仪器提供的数据中获得进一步的地球表面和低层大气的全球动力和过程信息.对MODIS数据,利用遗传算法,首先从大气温度探测波段中,反演得到大气温度廓线信息;然后从水汽波段中获得水汽廓线信息;最后在已有的温、湿廓线基础上,校正测量辐射亮度数据.校正了大气影响后,利用MODIS29、31、32大气窗口波段,采用比辐射率约束方法(Emissivityboundsmethod)缩小波段比辐射率取值范围,然后采用遗传算法实现陆面温度、波段比辐射率等地表参数的同时反演.模拟试验表明,利用遗传算法可以从MODIS数据中获得较为精确的大气廓线信息和地面参数信息,为全球温室效应和全球变化研究提供支持.     

月球表面实时温度模型

国外相关研究结果表明,月球表面的光度学稳定度可达10^-8/年,是自由空间内稳定的辐射参考源,可用于星载遥感仪器的外定标。与基于地球表面目标观测的在轨定标方法相比,最大的优势在于在轨月球观测信息中没有大气辐射的贡献,大气窗区和非窗区处理方式几乎一致。同时,作为整体发射率稳定的自然天体,月球表面的温度范围在90—390 K之间,完全满足通常对地观测探测的动态范围要求。月球复杂的表面辐射特性,是制约对月定标技术发展的主要原因之一。月球表面辐射特性与月表发射率、月表温度密切相关。月表温度分布是月球重要的热物理参数之一,是月球表面热演化模型的必要边界条件,同时也是研究月球表面发射谱的关键参数。获取月表温度的方法大致可以分为两大类：直接测量温度数据和建立物理模型预测。直接测量温度数据又可以细分为下面3种方法：地基遥感测量、绕月探测卫星遥感测量、登陆月球直接测量表面温度。地基观测的空间分辨率很低,只能反映出一大片区域的平均温度;另外两种方法花费巨大,且不能对全月的温度变化进行长期的观测。月表温度物理模型基于热传导理论,结合月壤样本的热物理参数,将月球当成半无限固体,根据Stefan-Boltzmann定律和能量守恒定律,得到月表物理温度和太阳辐照度、月球内部热流的关系。太阳辐照度是月表温度分布的最重要的因素。本文以天文计算为基础,准确描述月表有效太阳辐照度与太阳常数、太阳辐射入射角以及日月距离之间的关系,建立一个可以计算任意时刻、任意经纬度坐标点的月表温度模型,从而有助于准确描述月表辐射特性。与风云二号G星的观测结果对比,该模型可以准确描述月相的变化。阿波罗15号首次开展了一系列探索月球的科学试验,其中在登月点附近开展的月表热流试验是ALSEP（Apollo Lunar Surface Experiments Package）的重要组成部分。月表热流试验提供了登月点附近长时间的月表温度数据,通过与阿波罗15号实测数据进行对比,当太阳高度角大于0°时,该模型可以准确描述月球表面的温度变化;当太阳高度角在一定范围内时,模型的温度误差在1 K以内。     

月球表面实时温度模型（英文）

国外相关研究结果表明,月球表面的光度学稳定度可达10–8/年,是自由空间内稳定的辐射参考源,可用于星载遥感仪器的外定标。与基于地球表面目标观测的在轨定标方法相比,最大的优势在于在轨月球观测信息中没有大气辐射的贡献,大气窗区和非窗区处理方式几乎一致。同时,作为整体发射率稳定的自然天体,月球表面的温度范围在90—390 K之间,完全满足通常对地观测探测的动态范围要求。月球复杂的表面辐射特性,是制约对月定标技术发展的主要原因之一。月球表面辐射特性与月表发射率、月表温度密切相关。月表温度分布是月球重要的热物理参数之一,是月球表面热演化模型的必要边界条件,同时也是研究月球表面发射谱的关键参数。获取月表温度的方法大致可以分为两大类:直接测量温度数据和建立物理模型预测。直接测量温度数据又可以细分为下面3种方法:地基遥感测量、绕月探测卫星遥感测量、登陆月球直接测量表面温度。地基观测的空间分辨率很低,只能反映出一大片区域的平均温度;另外两种方法花费巨大,且不能对全月的温度变化进行长期的观测。月表温度物理模型基于热传导理论,结合月壤样本的热物理参数,将月球当成半无限固体,根据Stefan-Boltzmann定律和能量守恒定律,得到月表物理温度和太阳辐照度、月球内部热流的关系。太阳辐照度是月表温度分布的最重要的因素。本文以天文计算为基础,准确描述月表有效太阳辐照度与太阳常数、太阳辐射入射角以及日月距离之间的关系,建立一个可以计算任意时刻、任意经纬度坐标点的月表温度模型,从而有助于准确描述月表辐射特性。与风云二号G星的观测结果对比,该模型可以准确描述月相的变化。阿波罗15号首次开展了一系列探索月球的科学试验,其中在登月点附近开展的月表热流试验是ALSEP(Apollo Lunar Surface Experiments Package)的重要组成部分。月表热流试验提供了登月点附近长时间的月表温度数据,通过与阿波罗15号实测数据进行对比,当太阳高度角大于0°时,该模型可以准确描述月球表面的温度变化;当太阳高度角在一定范围内时,模型的温度误差在1 K以内。     

利用COSMIC掩星折射指数分析全球大气边界层顶结构变化

基于小波协方差变换法,由折射指数廓线确定大气边界层顶高度,利用2007至2012年气候星座观测系统（Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate,COSMIC）掩星折射指数廓线分析全球大气边界层顶参数随地理位置、季节和日变化的特征,结果表明全球大气边界层顶结构受热力因素和大气动力因素的影响,具有明显随经纬度变化的特征。在大气动力因素主要影响下,30°S~30°N范围内陆域比海域的季节变化幅度更强。对全球大气边界层顶高度月均值和去季节性变化距平值的分析表明2008年和2011年大气边界层顶高度出现季节性异常。大气边界层顶气压与高度在全球呈负相关,而温度与高度在南北纬40°~90°呈正相关,30°S~30°N呈负相关。2012年全球大气边界层顶高度日变化幅度均值为0.37 km,同纬度海洋与陆地区域年平均边界层顶高度的日变化有一定相关性。     

武汉地区大气特征的日变化及季节变化分析

大气温度和湿度是描述大气动力和热力状态的重要参数。重点分析武汉地区由微波辐射计测量获得的温度和湿度廓线、大气边界层高度(atmospheric boundary layer height,ABLH)以及液态水路径(liquid water path,LWP)廓线的日变化及季节性变化。首先在有云和无云情况下,对RPG-HATPRO型微波辐射计和探空气球的探测结果进行比较。微波辐射计反演得到的温度、湿度在2 km以下相较于探空气球偏低,2 km以上则均表现为偏高;观测精度会因天气条件的不同而变化,使用微波辐射计产品时,应着重考虑云的影响。然后分析2011—2015年各气象要素的日变化和季节变化,实现武汉地区对流层大气的热力学表征。ABLH从上午8时开始增加,下午15时达到最高值,之后开始下降,在夜间整体保持稳定。LWP在夜间含量要高于白天,冬季高于夏季。结合高度信息,分析得出相对湿度(relative humidity,RH)在0～1 km随高度的增加而上升,随后下降。对武汉地区气象参数的日变化与季节性变化进行观测与分析,为气象探测、大气污染研究、空气质量监测、天气预报等提供了可靠信息。     

2008年新疆乌恰M6.7地震多参量时空变化特征研究

研究与孕震过程相关的多种地球物理和地球化学参量的变化特征,可为进一步理解孕震过程中不同圈层多参数的耦合机理提供依据。基于NOAA卫星观测资料分析了2008年乌恰M6.7级地震前后长波辐射异常变化,根据异常时空特征与地震时空窗的对应关系检测到震前的长波辐射异常信息。结合卫星观测获得的地气系统地表温度、大气温度、大气相对湿度、大气压力、一氧化碳含量等地球物理和地球化学参量,基于DTS（Deviation-Time-Space）准则开展了多参量综合分析。结果表明,长波辐射异常点位上的地表温度、大气温度及大气相对湿度在地震前存在耦合关系,而检测到的一氧化碳异常出现在震后4 d,这可能与本次地震的断层特性及震后余震频发有关。此外,震前5—10 d出现的大气压力突变也可能对地震发生起到触发作用。因此,建议将地气系统中长波辐射的异常变化看作与地震活动相关的重要参量,其他地气系统参量作为辅助参量,在未来的地震监测研究中应重视多参量间的耦合及关联性研究。     

用CUPID模型模拟小麦组分温度分布：敏感性分析与验证

组分温度分布是决定农作物冠层热红外辐射方向特性的重要因素之一,为了分析小气候参数对冠层组分温度的影响,并分析其不确定性,对一个典型的土壤-植被-大气传输（SVAT）模型CUPID进行了组分温度模拟的敏感性和不确定性分析,并用实测温度分布信息进行了验证。详细描述了模拟和验证过程,结果表明：土壤组分温度不确定性较大,冠层组分温度不确定性较小（约2%）,气温和土壤湿度对总体不确定性贡献最大;模拟组分温度与实测温度分布趋势一致。     

利用走航式数据对南大洋大气CO2廓线遥感反演

利用中国第24次南极考察期间获取的南大洋上空走航式大气CO2数据和大气红外探测器(AIRS)探测的辐射率,进行基于纬度分类下的统计回归,其结果作为物理反演的初始猜测场。通过逐线积分辐射传输模式,利用AMSU大气温度廓线和AIRS中13个通道的辐射测值反演南大洋上空的大气CO2浓度廓线,与WDCGG提供的固定站点下的大气CO2浓度进行比较,反演精度随纬度的变化而变化,从低纬到高纬相对误差分别为0.31%、1.17%、2.63%。与同期国外卫星产品CO2/AIRS比较,相对误差为1.11%、1.07%。     

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。     

遥感反演和站点观测的地气温度分布特征差异

地表温度和近地表大气温度是地球系统、大气系统以及地—气相互作用物理过程的重要参量。在陆地—大气的相互作用过程中,水汽含量、NDVI指数、下垫面变化等因素会对地—气热量传输造成一定的影响。本文首先利用地表温度产品（MYD11A1）以及气温站点数据（GSOD）获得全国尺度下地表温度年最大值、近地面气温年最大值。在此基础上,使用趋势分析法分析2003年—2018年地、气温度年最大值时空分布特征及变化趋势,以及地—气温差气候倾向率变化趋势。最后,结合大气总水汽含量产品（MYD05）、NDVI指数（MYD13A3）、二氧化碳平均浓度增长率分析导致地表温度年最大值与近地面气温年最大值趋势发生变化的原因。研究结果表明：（1）在全国尺度下,2003年—2018年地表温度年最大值呈现北高南低的空间分布特征。近地面气温年最大值的空间分布与地表温度年最大值相反。大气总水汽含量年最大值在热带、亚热带季风气候区内总体较高。水汽含量既影响近地面气温的大小,同时也受到近地面气温的影响,因此,水汽含量年最大值与近地面气温年最大值表现出一定的空间分布一致性特征。（2）在2003年—2018年期间,地表温度年最大值的气候倾向率在空间上表现出北高南低的分布特征。近地面气温年最大值的气候倾向率在空间上也表现为北高南低,与地表温度年最大值的气候倾向率变化基本一致。但地表温度年最大值的变化幅度要大于近地面气温年最大值,并且在个别区域表现不一致。主要分布在天山地区、三江平原以及秦岭南侧地区,地—气年最大值变化趋势相反即地—气差减小。（3）大气总水汽含量年最大值的增加可造成近地面气温年最大值的增加,而植被覆盖度的上升可造成地表温度年最大值下降。但在天山地区大气总水汽含量与地—气差的响应不明显,但天山地区的近地面气温年最大值与CO₂平均浓度增长率的关系较为明显。（4）遥感数据反演的地表温度年最大值和站点观测的近地面气温年最大值空间分布表现出差异,但时间变化趋势基本一致。     

FY-3C/MWHTS资料反演陆地晴空大气温湿廓线

针对风云三号C星微波湿温探测仪(FY-3C/MWHTS)的陆地晴空观测资料,建立了一维变分反演系统,对大气的温湿廓线进行反演。为了更好地描述温湿廓线的相关性,同时减小温度和湿度在反演过程中相互之间的误差传递,提出了使用背景协方差矩阵的联合矩阵和单独矩阵进行组合反演的方法。对于MWHTS模拟亮温和观测亮温之间的偏差,使用逐扫描点的统计回归方法进行校正。选择中国部分陆地区域的晴空观测亮温进行温湿廓线的反演,并利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析数据、美国国家环境预报中心(NCEP)分析数据以及无线电探空观测(RAOB)数据对反演结果进行验证,温湿廓线的反演结果与ECMWF再分析数据验证的最大均方根误差分别是2.59 K和11.87%,与NCEP分析数据验证的最大均方根误差分别是1.88 K和21.50%,与RAOB数据验证的最大均方根误差分别是3.43 K和25.48%,验证结果表明了反演结果的可靠性。另外与国外同类载荷AMSU观测亮温的物理方法和统计方法反演精度进行了对比,结果表明:MWHTS具有较强的湿度廓线以及高空温度廓线的探测能力,且针对MWHTS的观测亮温建立的一维变分反演系统具有较高的反演精度。与NCEP 6小时预报廓线的验证结果表明:反演的湿度廓线可以提高预报廓线的精度。     

昆仑山Ms8.1地震前后大气温度垂直分层变化特征研究

研究引潮力的相位变化周期与发震的关系,进而确定地震大气温度增强异常识别的背景指示时间,采用大气分层技术,处理美国国家环境中心的NCEP大气温度数据,分析了昆仑山MS8.1地震前后不同高度层的大气温度垂直分布动态演化,结果显示:地震发生时引潮力值所处最大振幅相位附近,反映引潮力对本次地震的发生具有触、诱发的作用;孕震区地表及其上附多层大气热变化经历震前起始增温,震后消亡的连续时间演变过程,增温区集中在地震活动断裂带及其附近区域,呈现出与构造紧密关联的非均匀加热,与岩石受力,由形变—破裂过程中向外热辐射变化过程相吻合,表明大气增温与昆仑山地震活动相关;热增强表现出自下而上的从地表开始增温,并随大气运动抬升扩散,在一定高度的高空逐渐消亡的过程,符合地面对大气加热导致大气升温、抬升、扩散、消亡的大气热动力学特性,表明下垫面构造运动是本次温度异常变化的主控原因;大气增温过程与引潮力(低值—高值)的变化过程具有一定的同步性,显示引潮力为地震大气温度异常识别过程中,背景温度选择提供具有力学含义、可预先计算获得的时间指示,而通过引潮力周期获得的大气温度变化反映了临震构造应力的变化,将引潮力变化与大气温度垂直分层分析结合,将有助于区分地震热异常与非震热异常。     

利用走航式数据对南大洋大气CO2廓线遥感反演

利用中国第24次南极考察期间获取的南大洋上空走航式大气CO₂数据和大气红外探测器(AIRS)探测的辐射率, 进行基于纬度分类下的统计回归, 其结果作为物理反演的初始猜测场。通过逐线积分辐射传输模式, 利用AMSU大气温度廓线和AIRS中13个通道的辐射测值反演南大洋上空的大气CO₂浓度廓线, 与WDCGG提供的固定站点下的大气CO₂浓度进行比较, 反演精度随纬度的变化而变化, 从低纬到高纬相对误差分别为0.31%、1.17%、2.63%。与同期国外卫星产品CO₂/AIRS比较, 相对误差为1.11%、1.07%。     

暴雨期间GNSS遥感气象要素的时序变化

针对暴雨短临预报准确率不高的问题,该文结合香港地区的暴雨实例,分析暴雨发生期间天气尺度特征和GNSS气象要素的时序变化特点及其各要素之间的相关性。研究结果表明:强烈的西南气流带来丰富水汽,高空强烈的辐散抽吸引起低层气压降低和对流运动的发展,配合中层低槽过境和低层冷空气南下,为暴雨发生提供条件;天顶对流层延迟变化的主要贡献来自大气水汽含量,可以用天顶对流层延迟替代大气水汽含量分析大气中的水汽累计及变化情况;暴雨发生前,气温较高,大气水汽含量和相对湿度时序增长快速,增长强度及其维持高水平状态的时长与后续雨量有较好的对应关系;大气水汽含量和相对湿度时序的上升分别反映了降水之前的充足水汽供应和水汽正在转向于饱和状态。     

Himawari 8 AHI数据地表温度反演的实用劈窗算法

地表温度是水文、气象、气候和环境等研究领域中的关键参数,利用热红外遥感可快速获取区域和全球高精度的地表温度数据。Himawari 8号是日本发射的新一代地球静止轨道气象卫星,星上搭载AHI(Advanced Himawari Imager)成像仪,具有更高的时空分辨率。利用AHI第14(11.2μm)和15(12.35μm)通道星上亮温数据,提出反演地表温度的实用劈窗算法,其中输入的发射率数据利用ASTER GED(Global Emissivity Dataset)v4计算得到。劈窗算法的系数由观测角度和大气水汽含量分区决定,其中大气水汽含量由两个劈窗通道直接估算得到。利用黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验(Hi WATER)4个站点的实测数据和中国7个湖泊中心点的MODIS地表温度产品对反演结果进行验证,结果表明,算法的均方根误差(RMSE)在3 K以内,达到目前常用遥感地表温度产品的精度。同时与利用MOD11C3 C6产品估算的发射率和温度反演结果进行对比分析,发现ASTER GED反演的结果具有更高的精度,适合用来生产高精度的地表温度产品。     

高光谱热红外遥感：现状与展望

高光谱热红外数据中蕴含着丰富的长波光谱信息,可以更精细的揭示地气耦合过程导致的辐射变化,反映热红外谱段特有的地物诊断特征,同时高光谱特性也可以为热红外关键特征参数的病态反演问题提供更合理的假设和约束条件,具有重要的研究价值和应用前景。高光谱热红外遥感技术自诞生起,在吸纳多光谱热红外遥感技术的基础上迅速发展,成为热红外遥感领域的重要研究方向和突破点。然而,当前高光谱热红外遥感存在着可用数据不足,处理方法传统,反演精度有限,应用难以有效实施等问题。为进一步明晰高光谱热红外遥感的研究进展和现存挑战,本文在高光谱热红外相关文献深入分析的基础上,梳理了高光谱热红外研究的发展脉络和热点,介绍了现有国内外主要的高光谱热红外传感器,分析了高光谱大气效应校正、地表温度和发射率分离以及地气关键特征参数一体化反演的现状和问题,总结了相关典型行业应用,展望了高光谱热红外的发展方向,以期为未来高光谱热红外研究工作的开展提供借鉴和帮助。     

超光谱热红外数据通道选择方法在O3和CH4廓线反演中的应用

与高光谱热红外数据相比,超光谱热红外数据中包含了臭氧(O₃)和甲烷(CH₄)在大气垂直剖面上更多的状态信息,为提升O₃和CH₄廓线的反演精度提供了可能。然而,超光谱热红外数据通道之间的间隔较窄,这在给数据引入一些特有可反演信息的同时还引入了大量的相似信息,这些特征均无法被现有的基于高光谱热红外数据的通道选择方法识别。为了保证超光谱热红外数据反演O₃和CH₄廓线的效率和精度,我们提出了一种基于大气灵敏度和雅可比剖面的通道优选方法(OWSP法)。该方法首先通过分析通道对不同气体的灵敏度情况,优选出受其他气体干扰较小的通道为初选通道;其次,深度分析通道雅可比特征后提出了优化雅可比矩阵的策略,具体为将通道雅可比量化为表征通道信息容量的因素,并采用迭代的方法获取最终的通道选择结果。本文将OWSP方法应用在阿拉善、北京—天津、长江三角洲和珠江三角洲4个典型地区的冬夏季大气条件下,与常用的最佳灵敏度法(OSP法)相比,OWSP方法所选的通道集合中冗余信息少,同时也可以识...     

高分五号AIUS气温反演通道的选择

高分五号卫星搭载的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪AIUS（Atmospheric Infrared Ultraspectral Sounder）是中国研发的第一个红外波段具有甚高光谱分辨率的掩星探测仪，为大气分布状态的研究提供了强有力的数据支持。气温是表征大气热力状态的重要参数，其分布状态直接影响地—气系统长波辐射和太阳短波辐射的相互作用，进而对全球辐射能量的收支平衡产生影响。采用高光谱数据直接进行气温反演的数据量较大、存储不便，并且不同波谱信息之间存在相关性，因此需要进行通道选择。考虑到实际气温反演精度受干扰成分的影响较大，致使反演精度较低，本文基于信息熵的通道选择算法与目标成分及干扰成分的敏感性分析相结合开展试验完成AIUS掩星观测数据的通道选择，为后期AIUS的温度反演奠定基础。首先，基于RFM（Reference Forward Model）正向辐射传输模型进行目标成分及干扰成分的敏感性分析，探究通道选择的可行性及进行初步的通道选择；然后，基于信息熵的理论进行通道选取，并对结果进行分析讨论；最后，依据通道选取结果，结合最优化算法进行温度反演效果验证。研究表明，掩星观测对气温变化具有较高的敏感性，该通道选择方法在掩星观测模式下是可行的；随通道数目的增加，信息量大体呈对数型增加，在通道个数为1000时接近饱和；在保证运算效率条件下，选用AIUS的100个通道进行温度反演，可基本满足精度需求。     

浅谈地铁工程监理测量工作

成都地铁1号线一期工程,全长约18．5km,全部为地下线,共设16座地下车站和车辆段及出入段线、OCC控制中心、国铁专用线以及与规划的5、6、4、2、3、7号线及6号线支线在相关7个站点的衔接。1号线一期工程于2005年12月开工,2009年12月建成,2010年开始试运营。在地铁建设期间,实行监理测量可以对地铁全线的测量工作进行统一管理,保证在地铁建设期间基础测量工作统一性、完整性和可靠性,进而保证全线按设计要求准确贯通。监理工作有以下4个方面特点和要求。     

卫星观测方位对遥感成像的影响

光学卫星成像主要是通过传感器接收地表对太阳入射光线的反射、地表辐射和大气散射等能量,形成影像数据。卫星侧视成像时,太阳与卫星之间的位置关系随日期、地理位置和地方时变化,当条件适当时,两者处于对称关系,从地面上看类似镜面反射状态。此时,由于地表的非朗伯性,就使卫星接收的反射能量偏高,造成接收得到的图像亮度高于正常水平,甚至过饱和而不可用。本文以SPOT卫星为例,从卫星的观测方位和太阳的照射方位入手,讨论卫星观测方位对遥感成像质量的影响。经分析,每年5—9月期间,在北纬32°—45°地区,当SPOT卫星以较大的侧视角向左侧成像时,卫星观测方向和太阳入射方向在成像区投影共线并且太阳的高度角与卫星的高度角近似相等的可能性很大,从而影响卫星成像的质量。