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。     

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。     

高分五号卫星大气参数探测综述

高分五号卫星搭载了大气痕量气体差分吸收光谱仪、主要温室气体探测仪、大气多角度偏振探测仪、大气环境红外甚高分辨率探测仪、可见短波红外高光谱相机和全谱段光谱成像仪共6台载荷,对全球环境监测及中国大气气溶胶、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳、甲烷和云等多个环境与气象综合监测方面有着重要的意义。为了更好的了解高分五号卫星任务的大气监测内容,本文对高分五号卫星其中的4个大气探测载荷特征和数据处理算法进展进行了总结,涉及各个载荷参数信息、算法介绍和产品初步结果等相关内容。高分五号卫星是中国专门用于大气环境监测任务的遥感卫星,随着后续卫星的发射升空,将对中国乃至全球大气环境监测提供强有力的数据支撑。     

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。