风云三号卫星红外高光谱探测技术及潜在应用

高光谱大气探测仪具有高光谱分辨率、高灵敏度和高精度光谱辐射定标等特点,在大气温湿度廓线反演、数值天气预报同化、气候变化研究以及大气痕量气体探测等应用上有显著的优势。我国风云三号极轨气象卫星的FY-3A/B/C三颗卫星上成功装载了自主研制的通道式红外探测仪器—红外分光计(IRAS),获取了从可见光到红外波长范围内26个通道的辐射观测,并应用于资料同化、全球大气温度和水汽廓线反演等。从FY-3D星开始将装载红外高光谱大气探测仪以替代IRAS,标志着红外高光谱大气垂直探测系统新纪元的开始。以风云三号卫星红外高光谱大气探测仪为例,介绍了卫星红外高光谱探测技术的进展和地面应用系统预处理过程的关键技术环节,给出了红外高光谱资料的潜在应用,并对在数值天气预报同化和大气探测应用方面的难点问题进行了分析和探讨。     

利用神经网络方法从高光谱分辨率红外遥感资料反演大气温度廓线

采用主分量分解数据压缩技术和基于误差反传学习算法的三层前馈神经网络(BP神经网络),使用AUQA/AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)高光谱分辨率红外观测资料,对不同光谱通道组合,在中纬度复杂地形上反演了垂直空间分辨率为1 km的大气温度廓线,并与相匹配的ECWMF分析场资料进行了比较。结果表明,从AIRS资料能够获得1 K/km垂直分辨率的对流层温度反演精度。但是青藏高原对反演结果有明显的影响,并且这种影响与光谱波段有关。消除这种影响的途径之一是增加非卫星观测的附加预报因子。同时改进了神经网络反演策略,采用逐层反演的方法,缩短了所需要的网络训练时间。     

地基傅立叶红外高光谱遥感观测大气成分平台建设及其反演技术研究

利用国际大气成分地基观测网络(NDACC)通用的德国BRUKER公司生产的傅立叶红外(FTIR)高分辨率地基光谱仪器IFS 120M,在国家卫星中心建立了地基高光谱观测平台,进行高光谱数据获取及其反演技术初步研究.阐述了地基高光谱观测平台的建设,高光谱仪器的调试和观测参数化研究结果,并且阐述了光谱的预处理和定标研究,利用地基高光谱在可见光波段的观测结果,进行了气溶胶光学厚度反演技术的初步研究.     

AIRS晴空大气温度廓线反演试验

2002年5月发射的Aqua是美国地球观测系统中的第2颗卫星EOS-2(Earth Observing System),它携带的大气红外探测仪AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)是目前国际上最先进的超高光谱分辨率红外大气垂直探测仪.1200的光谱分辨率和全球覆盖能力使其可以观测全球大气状态及其变化.对其超高光谱分辨率资料的处理和应用的研究既有科学意义,又有实用价值.利用AIRS实际观测资料反演大气温度,本文使用的是便于处理大数据量的统计反演方法中的特征向量法,计算回归系数使用的是AIRS观测辐射值和T213数值预报分析场.本文从通道个数、地形及地表发射率影响、增加预报因子、国外同类产品比较等4个方面进行了大气温度反演试验研究.研究结果表明:(1)在利用超高光谱分辨率仪器进行反演时,合理选择通道是非常必要的;(2)AIRS反演的大气温度在对流层顶和中上层具有较高的精度,在对流层低层,尤其是近地面反演精度不够理想;(3)增加地表温度,地表发射率和地形3个预报因子,可以提高近地面的反演精度;(4)文中反演的大气温度精度与国外同类产品精度基本一致.     

METOP星载干涉式超高光谱分辨率红外大气探测仪(IASI)及其产品

为了深入了解国际卫星红外大气探测仪器的新特点,以欧洲METOP卫星装载的超高光谱红外大气探测仪(IASI:Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)为例,介绍卫星红外探测仪研发背景、仪器特征和数据产品处理,并与第1个高光谱大气红外探测仪(AIRS:Atmosphenic Inftared Sounder)作了比较分析.采用干涉分光技术的IASI为地球大气遥感提供了丰富的研究资料,可用于反演大气、海洋、云和大气成分,对我国风云卫星的高光谱红外大气垂直探测仪器的研发具有重要参考价值.     

基于一维变分算法的红外高光谱(IASI)卫星遥感大气温湿廓线研究

大气温湿度廓线是大气重要参数,在数值天气预报及天气预警中具有重要的应用价值。为获得高精度的大气温度与水汽混合比廓线数据,研究了基于Metop-A/IASI红外高光谱资料的大气温度与水汽混合比廓线变分反演方法。利用IASI高光谱传感器温度和水汽探测通道资料,结合CRTM模式和WRF模式预报技术,使用一维变分方法,研究了卫星资料质量控制、背景误差协方差本地化、观测误差协方差计算等方法,构建了大气温度及水汽混合比廓线变分反演系统,并在北京、青岛、沈阳3个地区开展了反演试验。以探空为标准的反演结果对比显示,使用WRF模式预报值作为背景场,温度的平均误差绝对值小于0.6 K,均方根误差为0.89 K;水汽混合比的平均误差绝对值小于0.021 g/kg,均方根误差为0.02 g/kg。试验结果表明:基于一维变分方法,可以利用Metop-A/IASI红外高光谱资料进行大气温度与水汽混合比廓线高精度探测。     

FY-3A气象卫星红外分光计温度廓线模拟反演试验

为了考察风云三号(FY-3)气象卫星红外分光计的性能, 以该仪器初样阶段的光谱通道特征和仪器响应函数为基础, 进行大气温度垂直廓线模拟反演。选用红外分光计15 μmCO₂吸收带的不同通道组合进行模拟反演, 结果表明:总体上红外分光计具有较好的大气温度反演能力, 窗区通道8的加入可有效提高近地面层温度反演精度;利用迭代算法反演大气温度时, 初估廓线对反演精度影响较大, 初估廓线与真值愈接近, 反演精度愈高;现有仪器通道灵敏度设计指标可满足大气温度反演基本要求, 如仪器灵敏度降低, 反演精度也随之降低, 提高仪器灵敏度, 有利于提高仪器的使用效果。     

红外窗区大气透过率的测量

文章主要介绍了红外窗区太阳光谱测量的实验装置，观测方法和数据处理方法。处理了2390—3470 cm-1和750—1300 cm-1区域内的太阳光谱资料，得到了它们的大气透过率数据，并对处理结果进行了初步分析。我们认为这些大气透过率对气象卫星遥感仪器红外窗区通道选择和卫星气象资料反演等都是有用的。     

利用人工神经网络方法反演大气温度廓线

高光谱大气红外探测仪AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)资料能够显示小尺度的大气温度垂直结构,为数值预报和天气诊断提供了更加准确精细的初始场.目前处理数据主要使用晴空大气业务反演国际MODIS/AIRS处理软件包IMAPP (International MODIS/AIRS Preprocessing Package)中的特征向量统计回归算法,由于统计法算法简单,反演精度受到较大限制.现提出一种利用人工神经网络的算法来对晴空状况下AIRS模拟辐射值进行大气温度廓线反演的方法,并与特征向量统计法结果相比较.结果表明,神经网络方法与特征向量统计法反演所耗时间相当,减小了反演误差,各高度层温度反演精度均有不同程度的改进,获得了较好的反演结果.     

卫星高光谱大气CO2探测精度验证研究进展

卫星高光谱大气CO₂遥感探测对全球气候变化研究意义重大,卫星CO₂反演产品的地基观测验证是获得产品精度评价、发现算法可适用范围和局限性的重要环节,因此地基高光谱CO₂的观测验证研究对提高卫星产品定量精度至关重要。本文综述了当前国际上大气CO₂探测卫星的研制进展,短波红外大气CO₂的反演方法进展,重点阐述了地基高光谱CO₂探测技术进展及其对卫星大气CO₂的定量探测精度验证方法和技术研究进展,并对该研究领域未来的发展提出展望。     

Study of the Simultaneous Physical Retrieval Method for Meteorological Parameters over the Continental Plateau of China

ＳｔｕｄｙｏｆｔｈｅＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｔｒｉｅｖａｌＭｅｔｈｏｄｆｏｒＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｖｅｒｔｈｅＣｏｎｔｉｎｅｎｔａｌＰｌａｔｅａｕｏｆＣｈｉｎａ￥ＬｉＧｕａｎｇｑｉｎｇ；（黎光清）Ｄｏｎ...     

Review and Development on the Studies of Chinese Meteorological Satellite and Satellite Meteorology

Meteorological satellite and satellite meteorology are the fastest developing new branches in the atmospheric sciences. Today the meteorological satellite has become a key element in the global atmospheric sounding system while the satellite meteorology is covering the main components of earth's system science. This article describes the major achievements that China has made in these fields in the past 30 years. The following contents are involved: (1) History and present status of China's meteorological satellites. It covers the development, launch, operation, technical parameters of China's polar and geostationary meteorological satellites. (2) Major achievements on remote sensing principle and method. It describes the retrieval of atmospheric temperature and humidity profiles, cloud character retrieval, aerosol character retrieval, precipitation retrieval as well as the generation of cloud wind. (3) Achievement on the studies of meteorological satellite data application. This part covers the applications of meteorological satellite data to weather analysis and forecast, numerical forecast, climate monitoring, and prediction of short-term climate change. Besides, the new results on data assimilation, climate monitoring, and forecast are also included.     

INVERSION OF MOISTURE PROFILES BY A NONLINEAR ITERATIVE PHYSICAL RETRIEVAL*

The Advanced TIROS-N Operational Vertical Sounder(ATOVS) measurements are used to generate the atmospheric parameters,such as temperature and moisture profiles,under both clear and cloudy situations.This paper describes briefly the nonlinear iterative physical retrieval method.By using this retrieval scheme,an experiment has been carried out to retrieve the moisture profiles from ATOVS measurements on the NOAA-16 satellite for July of 2002.ATOVS profile retrieval results are evaluated by root mean square(RMS) differences with respect to RAdiosonde OBservation(RAOB) profiles.The accuracy of the retrieval is about 15%-23% for the relative humidity profile in this study.     

一种新的TOVS大气湿度反演方法及试验

利用国家气象中心的数值天气预报（NWP）6 h预报场。作为同步物理反演模式初估场，由气象卫星垂直探测（TOVS）资料推导出大气湿度，并给出了试验结果。结果表明，TOVS湿度反演的相对误差（RMS）约为20%。其中，夏季反演结果略优于冬季，而且低层（1000 hPa）和高层（500 hPa以上）与初估场相比有较大的改进，中层（850，700 hPa）二者大致相当。与统计回归反演结果相比其精度约提高10%。该研究为在我国建立“卫星反演/数据同化/数值预报”相互影响的循环系统奠定了基础     

中国气象卫星和卫星气象研究的回顾和发展

气象卫星和卫星气象是大气科学中发展最迅速、成就最显著的一项大气探测技术和新兴的分支学科。目前 ,气象卫星已经成为地球大气探测系统中的主要成员 ,而卫星气象学则正在覆盖地球系统科学中的主要方面。文中从 3个方面综述自 2 0世纪 70年代以来的 30多年时间内 ,中国在这一领域内取得的主要成就 :(1)中国气象卫星的发展历史和现状 ,重点介绍了中国的极轨和地球静止气象卫星的发射、运行状况和主要技术指标及发展史。 (2 )气象卫星遥感原理和方法等方面的主要成果 ,重点评述了大气温湿廓线遥感反演、云特性反演、气溶胶特性反演、降水反演和云迹风生成等 5个方面的主要成果。 (3)气象卫星资料应用研究成果 ,主要包括气象卫星资料在天气分析和预报中的应用、在数值预报中的应用和在气候监测和短期气候预测中的应用。此外还包括同化和气候监测与预测研究的最新成果。     

APPLICATION OF THE VARIATIONAL METHOD OF TOVS DATA OVER THE TIBETAN PLATEAU IN IMPROVEMENT OF THE INITIAL FIELD OF NUMERICAL MODELS

In this paper,TOVS satellite data are used through variational method on the data-sparseplateau area.Diagnoses are carried out to find a way to solve the large error problem of modelinitial field.It is put forward that TOVS retrieval data can be used to improve the initial field ofnumerical prediction model on Tibetan Plateau area.Through variational method,TOVS data areprocessed and the liability of the initial information on the plateau is improved.Diagnostic resultsconfirm further that the application of TOVS retrieval data can improve our capability to describethe dynamic system features on the plateau and the objectivity of related initial information such asthe distribution of water vapor channel and stratification stability.     

APPLICATION OF THE VARIATIONAL METHOD OF TOVS DATA OVER THE TIBETAN PLATEAU IN IMPROVEMENT OF THE INITIAL FIELD OF NUMERICAL MODELS*

In this paper,TOVS satellite data are used through variational method on the data-sparse plateau area.Diagnoses are carried out to find a way to solve the large error problem of model initial field.It is put forward that TOVS retrieval data can be used to improve the initial field of numerical prediction model on Tibetan Plateau area.Through variational method,TOVS data are processed and the liability of the initial information on the plateau is improved.Diagnostic results confirm further that the application of TOVS retrieval data can improve our capability to describe the dynamic system features on the plateau and the objectivity of related initial information such as the distribution of water vapor channel and stratification stability.     

一种融合卫星反演水汽资料的方法在中尺度数值模式中的应用和数值试验个例

本文探讨了一种将卫星反演的水汽资料计入MM5中尺度模式的方法，并对长江流域暴雨实例进行了模拟试验。在工作中，分别比较了将T63同化资料、常规探测资料及卫星与常规资料融合的水汽初场加入到模式，做几种不同初场的12小时降水预报（每6小时输出结果一次），经比较其结果表明：卫星与常规资料融合后的数值模拟预报，一般比单独用T63及常规探测资料作初值进行预报效果要好，初步说明了这种新方法的可行性与合理性。     

晴空时大气红外遥感及其反演问题研究 II. 反演试验研究

前文给出了卫星红外观测资料的反演处理方法，并对方法作了理论上的分析，在本文中，我们将此方法应用到TOVS、GOES-8实际资料及AIRS模拟观测资料处理中并重点对TOVS资料进行试验。在反演中，我们将大气温度廓线和水汽混合比（lnq）廓线用各自的经验正交函数（EOF）表示以提高反演的稳定性并缩短计算时间，同时采用一种过滤操作以加速迭代的收敛速度。除了用本文提出的方法对TOVS资料进行处理外，还用国际TOVS处理软件包（ITPP-4.0）对同样的资料进行反演。试验表明，本文方法的反演结果优于ITPP的结果。AIRS模拟反演结果表明，高分辨率红外垂直探测器的遥感精度能够达到温度1 K、水汽10%。     

TOVS水汽及演的误差分析及其订正

该文利用同步物理反演法以６小时数值预报场为背景场对１９９２年１月份ＮＯＡＡ－１２卫星垂直探测（ＴＯＶＳ）资料进行了大气参数反演，并对水汽反演误差进行了检验和分析．以常规观测作为检验的标准，检验结果按３条轨道统计，发现反演的相对湿度平均误差与背景场的误差密切相关，均为负值；在高层和高纬度，误差绝对值随高度的增加而增加，随纬度的升高而增加；误差的日际变化在高层比较稳定，低层振动较大．对反演误差进行订正后的结果表明，在５００ｈＰａ以上反演均比背景质量要好，尤其轨道Ａ所有层次上订正后的反演比背景场好．