CMAQ模式卫星产品源同化模型及其在空气质量预报中的应用研究

对比分析了2006年1月和8月华北地区OMINO2卫星遥感二级产品和NO2实测浓度变化趋势的一致性,重点构建了CMAQ空气质量模式卫星遥感产品源同化模型,采用变分订正方法和CMAQ卫星遥感产品源同化技术方案探讨了华北地区冬夏季OMI高分辨率柱浓度卫星资料在空气质量数值预报中的应用.分析结果表明,无论冬季还是夏季,华北地区NO2实测浓度与OMINO2卫星遥感柱浓度的变化趋势具有较好的一致性,两者的相关性较显著,该卫星资料可适用于华北地区卫星遥感-地面观测综合变分分析;经过线性和变分订正后,北京周边地区OMINO2柱浓度的空间分布特征与实测值分布一致,而且可清晰反映出NO2空间分布特征,即NO2的城市局地污染特征较明显.经变分订正的OMINO2柱浓度的空间分布特征可看出,北京的西南、东南地区污染源对北京地区的NO2浓度的影响较大.采用高分辨率的OMINO2卫星遥感资料同化修正排放源时,WRF-CMAQ模式对于华北地区冬、夏季NO2浓度水平预报和趋势预报可取得较显著的改善效果.采用经变分订正的、高分辨率的OMINO2卫星遥感资料进行源同化时,可模拟得到与实测浓度分布较一致的、高分辨率的NO2浓度信息,弥补了采用地面...     

基于微波亮温及集合Kalman滤波的土壤湿度同化方案

基于集合Kalman滤波及SCE-UA(shuffled complex evolution)算法发展了能够直接同化微波亮温的土壤湿度同化方案. 该方案以陆面过程模式CLM 3.0中的土壤水模型作为预报算子, 以辐射传输模型作为观测算子. 整个同化过程分为参数优化和土壤湿度同化两个阶段, 利用SCE-UA算法优化辐射传输模型中难以确定的植被光学厚度参数和地表粗糙度参数, 并利用优化参数作为观测算子的模型参数进行同化. 通过人工理想试验表明该同化方案可以明显改善表层土壤湿度的模拟精度, 并且对深层土壤湿度的模拟也有一定程度的改善; 利用AMSR-E亮温(10.65 GHz垂直极化)所进行的实际同化试验表明顶层(0~10 cm)土壤湿度同化结果与观测的均方根误差(RMSE)由模拟的0.05052减小到0.03355, 相对减小了33.6%, 而较深层(10~50 cm)平均减小了20.9%. 这些同化试验显示该同化方案的合理性.     

遥感用途的高光谱中短波红外辐射传输精确计算

中短波红外同时含有来自太阳反射和大气发射的能量,关于该波段的大气辐射传输计算是光学遥感领域一项基础性和应用性很强的工作,国内研究并不多见.本文基于累加法,考虑了有限薄层条件下太阳直射反射、多次散射、大气发射三项基本因素的近似计算,构建了可以同时处理太阳散射和大气发射并存的中短波红外大气辐射传输计算模型.同国际通用的DISTORT模型比较了夜晚单层云、白天多层气溶胶、水云冰云双层云以及多层云、气溶胶同时存在4种场景下的计算精度.结果显示:除个别通道外绝对偏差均小于2×10~(-6)K,同样条件下计算速度是DISORT算法的2~3倍.利用该模型对影响计算精度的4个因素模拟分析显示:在2230~2400cm~(-1)强吸收带大气热发射辐射有很大的贡献,太阳入射辐射可以忽略;在2400~2580cm~(-1)窗区波段,忽略太阳辐射可以引入几十K的误差;采用层平均温度简化热辐射计算,在强吸收波段计算误差相对较大;基于单次散射假设的累加法最小光学厚度值越小,计算误差越小.满足计算精度需求条件下可以考虑采用大气分层平均热辐射简化、选择合适最小光学厚度值,以提高计算效率.该研究构建的自主辐射传输计算模型,将在处理国产星载高光谱仪器的资料模拟、反演、同化中发挥作用.     

基于MODTRAN模型对高分五号卫星断层逸出气体探测能力的辐射模拟

地下流体监测数据和地表断层调查都显示构造活动强烈期和大地震前后活动断裂带会伴有大量气体逸出。 中国即将发射的高分五号(GF-5)卫星搭载的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪及全谱段光谱成像仪两个传感器, 主要以大气气体的探测为应用目标。 本文基于两个传感器的参数设置, 使用大气辐射传输模型, 对断层逸出气体中的水汽、 CH₄和CO₂三种气体在大气中的含量变化对卫星传感器的辐射影响进行了仿真模拟, 分析了两个传感器对水汽、 CH₄和CO₂气体异常的探测能力。 结果表明, GF-5卫星两个红外传感器特定的光谱通道对大气水汽、 CH₄和CO₂气体异常变化均有不同程度的敏感性, 可以期待发展具有较高精度的相关气体遥感反演模型, 用于地震的监测及预测。     

风云三号C星微波湿温探测仪的定标和验证

风云三号C星(FY-3C)已经于2013年9月23日发射升空,其上装载的微波湿温探测仪(MWHTS)已于9月30日开机正常工作.MWHTS具有对大气温度和湿度垂直分布进行同步探测的能力.MWHTS为跨轨扫描式微波辐射计,在89~191GHz毫米波段内设置了十五个探测通道,其中包括118.75GHz氧气吸收线附近的8个大气温度探测通道,183.31GHz水汽吸收线附近的5个大气湿度探测通道,以及89GHz和150GHz两个窗区通道.设置在118.75GHz的一组毫米波探测通道是国际上业务卫星首次使用的大气探测通道,这组通道和183.31GHz通道对大气进行联合探测,将获得更加精细的大气温湿度垂直分布数据,为数值预报和气候研究提供丰富信息.为保证MWHTS观测资料的定量应用,对仪器性能和定标精度进行了在轨测试.利用MWHTS在轨正常工作后的三个月数据,对仪器在轨定标的基础数据:冷空和黑体计数值,黑体和仪器温度进行监测分析和质量检验,经过质量检验的在轨定标基础数据,结合发射前真空试验得到的非线性订正项在轨定标生成MWHTS观测亮温数据.评估MWHTS在轨辐射定标结果的精度和偏差特性使用了三种方法:1通过场地定标试验获取大气温湿廓线和地面温度等大气参数信息,结合微波逐线正演辐射传输模式MonoRTM(Monochromatic Radiative Transfer Model)模拟MWHTS的上行微波辐射亮温,与MWHTS实际观测结果进行对比分析;2两个通道特性一致的同类星载被动微波载荷同时观测同一目标,观测亮温的差异主要取决于两个载荷的定标系统偏差.选取美国SNPP上搭载的微波探测仪器ATMS作为MWHTS的参考载荷,基于SNO(simultaneous nadir overpass)技术,对两个仪器的观测亮温进行交叉比对,观测亮温时空匹配及均匀性检验的条件为:观测时间差异小于20min,观测像元中心距离小于3km,观测角度在星下点附近差异小于5°,观测像元周围3×3像元内的亮温标准差小于1K;3基于美国国家环境预测中心的全球数据同化系统GDAS(Global Data Assimilation System)数据,利用快速辐射传输模式CRTM(Community Radiative Transfer Model)对MWHTS各通道亮温进行正演模拟,模拟结果(O)和仪器实际观测的亮温(B)之间的差异记为"O-B",对偏差值"O-B"进行统计特征分析.仪器中心频率的变化、正演模式模拟精度和模式输入廓线自身的误差都会对"O-B"产生影响.但是对于首次使用的探测频点而言(如118.75GHz通道),由于国际上没有同类载荷可以进行交叉比对,借助于正演辐射传输模式计算得到"O-B"偏差的分析结果可以在一定程度上反映仪器整体定标情况.外场地定标试验结果显示除通道14外,其他14个通道的亮温差都在1.3K以内;与同类载荷ATMS的在轨观测进行直接交叉比对表明通道14与ATMS的亮温偏差最大,但中心频点一致的5个水汽探测通道的标准差都小于1K;将MWHTS观测结果和正演辐射传输模式模拟结果即"O-B"进行偏差分析显示,靠近118.75GHz吸收线中心的通道2—6"O-B"标准差小于0.5K,其他通道"O-B"标准差和ATMS相应通道的结果相当;MWHTS观测和模拟偏差随角度变化的研究表明通道1,7~13和15观测结果对角度有一定依赖性.     

基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟分析

针对对流层主要污染物(对流层臭氧、NO_2、SO_2及HCHO)的高分辨率、高频次监测需求,开展了基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟观测实验.在参考现有极轨卫星载荷的遥感监测能力和仪器参数基础上,根据静止卫星观测模型,利用正演辐射传输模式模拟观测光谱.根据最优估计反演理论,分析光谱仪的主要指标参数对各目标气体的反演敏感性和反演误差.基于各目标气体反演精度需求,提出光谱仪的观测波段、光谱分辨率和信噪比等关键指标参数的建议方案.为评估选定的光谱仪参数能否满足需求,利用大气化学输送模式模拟中国区域大气成分的三维分布,进行中国区域的模拟反演实验.结果表明,针对各目标气体,满足反演需求的实验数目均达到90%左右.臭氧总量和平流层臭氧的反演精度可达到2%,且各气体反演在太阳天顶角高于70°范围内仍可以获得有效数据.因此,我们所提出的静止卫星观测方案和仪器参数方案具有一定可行性,为优化将来中国静止轨道卫星光谱仪仪器指标提供了理论依据和模拟工具.     

二氧化碳柱浓度的卫星反演试验及地基验证

基于最优估计理论,采用LBLRTM和VLIDORT辐射传输模式以及包含Line Mixing效应的aer_v_3.2数据库,构建了一套短波红外高光谱卫星反演XCO2的算法.利用该算法试验了Line Mixing效应对卫星反演结果的影响,对GOSAT卫星观测光谱数据进行了系统性试验反演,并利用选取的TCCON站点一年中的匹配观测资料进行了地面验证,同时与GOSAT卫星官方L2B产品进行了比对.试验表明,忽略Line Mixing将系统性低估约0.25%的CO2柱浓度.在气溶胶光学厚度小于0.3的大气条件下,本文反演算法反演结果与GOSAT官方数据产品精度接近,与地基观测值相差小于1%,而高浓度气溶胶背景下卫星反演CO2浓度的有效方法仍有待于突破.     

GMS 5资料反演地表温度的一个修正算法

本文研究发展利用GMS 5/VISSR每小时卫星观测资料反演地表温度的方法,首先利用时空判断法进行云检测寻找晴空像元,然后从辐射传输方程出发,由实时探空资料求取大气上行、下行辐射率及大气透过率,根据由AVHRR NDVI导出的地表比辐射率,用单时相双光谱分裂窗法反演得到地表温度.比较反演结果与54511站及其他中国基准站2000年地面0cm地表温度实测值,相对于国际上其他经验公式而言,本文算法在精度上有所提高.敏感性分析试验着重于大气衰减的影响.基于本文算法,给出了内蒙中东部地区地表温度连续4天的变化实例以及东亚部分陆地“纯晴天”地表温度图.     

短波红外三维亚像元低层水云散射效应对二氧化碳反演的影响分析

由于大气短波红外辐射传输散射的复杂性,目前二氧化碳物理反演算法通常假定为晴空平面平行大气.然而通常的云检测算法难以识别视场内亚像元低层水云存在的场景,直接影响了二氧化碳遥感产品的精度.本文基于三维矢量辐射传输计算方法模拟了三维亚像元水云在短波红外1.6μm波段的散射效应,并估算了忽略此散射效应可能引入的二氧化碳反演偏差.结果表明：1.6μm波段云区表现为强反射特征,阴影区表现为减弱特性.忽略三维云散射后,云区视场辐射模拟结果偏低,且相对偏差量随地表反射率的减小、太阳天顶角的升高和云层光学厚度的增大而增大;而阴影区辐射模拟结果将偏高,相对偏差量随太阳天顶角升高、云层光学厚度的增大而增大;在云区和阴影区吸收通道都表现了相对更大的偏差.估算结果显示在低反射率、高太阳天顶角和高云层光学厚度场景中,晴空平面平行假设可能引入高达10～15 ppmv反演误差,远高于观测需求.如何剔除三维云散射影响的观测,或者在反演算法中修正三维云散射效应对于提高二氧化碳反演精度将非常重要.     

基于转动拉曼散射的大气Ring效应差分截面卷积算法研究

Ring效应是指地球大气中的N2和O2分子对太阳光的转动拉曼散射导致夫琅禾费线变短的现象.使用差分吸收光谱算法,反演大气NO2和SO2等痕量气体浓度的时候,Ring效应是影响反演结果精度的一个重要因素.本研究利用卷积算法计算得到的差分Ring光谱截面,与辐射传输模型计算结果比较,得到如下几个结论：（1）直接采用卫星遥感获得太阳光谱数据和大气转动拉曼散射截面,忽略压力展宽,卷积后,可获得Ring光谱.经过除以原始太阳光谱,三次多项式差分后可以得到针对卫星遥感反演痕量气体所需的差分Ring光谱.标准化后与Vountas等利用辐射传输模式计算得到的结果比较,相关系数R2=0.9663.（2）利用两个固定波长与变化波长分别计算得到的Ring光谱,经过差分计算后三者差异非常小;经标准化后与辐射传输模式计算得到的结果比较,R2分别达到0.9624,0.9639和0.9663.因此可以采用反演光谱范围中的固定波长作为一组转动拉曼散射截面进行卷积计算,降低计算量,加快计算速度.在本项研究中,计算量减少为原计算量的0.128%.（3）大气与N2和O2分子的转动拉曼散射截面信号的频谱特征相似,可直接使用N2和O2分子的转动拉曼散射截面代替大气进行卷积运算.     

Lee生物光学模型在不同水体组分特性下的适用性

辐射传输模型和生物光学模型均可用于模拟水体遥感反射率.前者模拟精度高,但计算复杂.不利于水质参数的反演;后者简便易反演,但在浑浊水体中的模拟精度还有待进一步检验.本文通过设计大量不同组分浓度组成的水体,以辐射传输模型(即Hydrolisht模型)模拟结果为真值,对生物光学模型(即Lee模型)模拟二类水体遥感反射率的精度...     

BRD和DOAS SO_2总量遥感反演算法的比对

大气中SO_2是一种对城市大气环境变化和全球辐射能量平衡有着重要影响的痕量气体.BRD(Band Residual Difference Algorithm)和DOAS(Differential Optical Absorption Spectroscopy)算法是两种主要的SO_2总量遥感反演算法,分别被用于美国和欧洲不同卫星载荷数据的SO_2反演.然而,目前缺少两种算法在相同观测条件下SO_2反演的精度比较及不确定性分析、在物理数学反演机制上的差异追因.因此,本文基于相同的仿真模拟数据和卫星紫外辐射观测数据,反演获得不同大气状况下的BRD和DOAS SO_2总量并进行精度比较验证.从算法反演通道、O_3吸收、气溶胶、地表反射率和观测角度影响等方面,讨论分析BRD和DOAS反演结果差异及反演误差的原因.结果表明,在低浓度SO_2情况下,BRD反演SO_2总量更接近于正演输入SO_2总量,DOAS反演结果存在高估,但相对于BRD算法,DOAS算法长时间序列卫星反演结果更能表现出SO_2的季节变化特征;在高浓度SO_2情况下,BRD(310.8~314.4nm)和DOAS(315~327nm)反演结果的绝对值差异明显且存在低估,BRD(310.8~314.4nm)SO_2反演值及反演精度都低于DOAS(315~327nm)反演结果.基于高光谱分辨率大气辐射传输模型SCIATRAN的反演不确定性分析结果显示,反演通道选择、紫外O_3吸收、气溶胶、地表反射率和观测角度对SO_2总量反演精度的影响较大.本研究对于SO_2卫星遥感反演算法的改进及SO_2反演产品的应用具有重要的科学意义,也可促进中国未来大气成分SO_2卫星遥感产品的研发.     

基于区域ATOVS数据同化的2008中国南方低温雨雪冰冻灾害的暴雪监测研究

2008年1月中国南方地区遭受了严重的低温雨雪冰冻灾害, 地面常规观测、地面雷达观测等气象监测手段因受冰雪灾害的影响, 未能提供全面及时的雪情信息. 为了补充雪情数据, 国家卫星气象中心采用区域ATOVS卫星遥感数据和NCEP预报数据, 利用与美国NCAR合作开发的WRF三维变分预报/同化系统(其中陆面子过程选用NOAH方案), 建立了基于区域ATOVS数据同化的2008中国南方低温雨雪冰冻灾害的暴雪监测系统, 提供了暴雪灾害时段内每6 h一次的雪水当量演化分布数据. 本文系统阐述了基于区域ATOVS数据同化的2008中国南方特大暴雪灾害监测方案, 并对比分析了同化前、后模拟结果与观测资料的吻合度. 研究表明: 同化后的分析场能更好地反映此次强降雪过程的天气特征, 雪深的计算精度较同化前有明显改进, 从而验证了基于区域ATOVS数据同化的雪情监测方案的可行性. 该研究不仅为暴雪天气灾害应急服务提供了及时准确的雪情空间分布和演变信息, 也为区域ATOVS数据的应用开辟了新途径.     

中尺度涡的高度计资料同化模拟

中尺度涡在大洋环流中有着重要的作用. 为检验高度计资料同化应用于中尺度涡模拟的效果, 提高环流模式对中尺度涡模拟的精度, 使用三维变分的OVALS同化系统结合POM模式进行了中尺度涡同化模拟实验. 该系统将卫星高度计资料同化反演成为温盐伪观测数据, 然后再次进行常规温盐同化, 得到温盐分析场. 根据中尺度涡现象的物理特性, 经过对比检验, 对系统中的同化参数作了合理设置. 使用T/P和ERS1/2的10 a卫星高度计的海表高度异常资料, 分别用同化与非同化两种方案对西北太平洋的中尺度涡进行对比模拟实验. 将实验结果与观测数据的比较表明, 加入高度计资料同化的模拟结果远远好于未使用同化的模拟结果. 说明高度计反演温盐场的同化方法用于对于模拟中尺度涡现象是非常有效的.     

陆面微波比辐射率的卫星观测研究进展

复杂多变的陆地表微波比辐射率,造成陆面上星载微波观测反演大气参数较为困难,也使得许多卫星微波资料不易同化应用到数值模式,因此迫切需要提供准确可靠的陆面微波地表比辐射率信息.随着卫星观测技术的迅速发展,利用丰富的星载被动微波观测直接反演陆面微波比辐射率成为一种主要手段.国外针对星载微波成像仪和微波垂直探测器开展较为系统的陆面微波比辐射率研究,建立不同类型的地表比辐射率反演方法,开发地表比辐射率参数化方法并应用于辐射资料同化.对于卫星观测反演陆面微波比辐射率存在的问题,开展了评估分析和方法订正.国内利用卫星观测也开展了一些陆面微波比辐射率研究工作,尚需要系统、综合的提炼.对于地表特征复杂的中国地区,还需要评估认识不同陆面微波比辐射率反演方法在我国适用情况,需要增强陆面微波比辐射率数据质量的认识以及业务应用.     

陆面微波比辐射率的卫星观测研究进展

复杂多变的陆地表微波比辐射率,造成陆面上星载微波观测反演大气参数较为困难,也使得许多卫星微波资料不易同化应用到数值模式,因此迫切需要提供准确可靠的陆面微波地表比辐射率信息.随着卫星观测技术的迅速发展,利用丰富的星载被动微波观测直接反演陆面微波比辐射率成为一种主要手段.国外针对星载微波成像仪和微波垂直探测器开展较为系统的陆面微波比辐射率研究,建立不同类型的地表比辐射率反演方法,开发地表比辐射率参数化方法并应用于辐射资料同化.对于卫星观测反演陆面微波比辐射率存在的问题,开展了评估分析和方法订正.国内利用卫星观测也开展了一些陆面微波比辐射率研究工作,尚需要系统、综合的提炼.对于地表特征复杂的中国地区,还需要评估认识不同陆面微波比辐射率反演方法在我国适用情况,需要增强陆面微波比辐射率数据质量的认识以及业务应用.     

三种下垫面温度及结冰预报模型研究

应用地表热量平衡方程,考虑太阳短波辐射、大气和地面的长波辐射、潜热、感热传输等能量之间的平衡,并考虑水汽、气溶胶、浮尘以及云等对太阳短波辐射的吸收和散射,建立了一种较实用的下垫面温度预报模型.应用湖北省恩施和金沙2009年冬季2月对土壤、水泥、沥青三种不同下垫面温度和自动气象站的常规气象要素观测进行模拟分析,并与该时段...     

湖泊水色遥感研究进展

从卫星传感器、大气校正、光学特性测量、生物光学模型及水体辐射传输、水质参数反演方法等方面,系统分析了湖泊水色遥感的发展现状.湖泊水体物质组份的复杂性以及卫星传感器与实际需求的矛盾决定了湖泊水色遥感的难度.目前湖泊水色遥感在一些关键问题上仍没有实质性进步,离水色遥感监测的业务化尚有一段距离.令人欣慰的是,卫星传感器以及水色遥感反演算法的不断发展和进步,让我们看到了胜利的曙光.     

基于紫外辐射传输模型AURIC-2012的气辉辐射模拟

AURIC是由美国计算物理公司CPI与空军Phillips实验室联合开发的中高层大气紫外-可见光-近红外气辉辐射传输模型,是目前唯一用来进行中高层大气气辉辐射模拟研究的通用模型.基于MODTRAN模型的理论,AURIC可以进行80 km高度以上的辐射传输模拟并将辐射波段扩展到远紫外波段(80 nm).目前,CPI公司只面向全球发布了AURIC v1.2软件封装包,其只能进行2000年以前的单点计算,不适用于批量的中高层大气辐射模拟,更不能用于星上大气成分的批量反演.本文利用Matlab对AURIC v1.2地磁参数模块、大气电子密度模块、大气温度及各种中性气体成分密度模块进行了替代,将更新模块与原有的辐射计算模块相结合,将AURIC v1.2更新为AURIC-2012模型,其可以批量地进行全球的大气辐射传输模拟,可以与星载测量数据相结合进行中高层大气成分的批量反演,如O/N2、电子密度等,同时也为模型辐射计算模块的进一步改进和辐射机制的参数更新奠定基础.基于AURIC-2012模型,进行了气辉临边柱辐射强度模拟和体辐射率计算,并将结果分别与GUVI柱辐射强度和TIDI体辐射率实测值进行了比较,得到两者峰值的模拟平均相对误差都小于20%.最后,利用AURIC-2012对气辉临边柱辐射强度随纬度和高度的分布进行了二维模拟,并基于模拟对昼、夜气辉辐射强度分布特性及影响因素进行了分析.     

百米级气象数值模拟研究进展与展望

21世纪开始,随着天气气候模式和超算机计算能力的发展,加之气象精细化预报服务需求日益增长,气象数值模拟迈入“百米级”发展阶段.本文系统回顾并归纳了近20年来百米级气象数值模式研发和模拟应用两方面的研究进展.重点关注百米级大气模式资料同化和浅积云对流、云微物理、边界层和城市陆面等物理参数化方案的研发进展,以及模式对天气系统、边界层特征、降水、雾和城市化效应的模拟研究.基于百米级模式的研发和应用现状,指出该研究领域的五个重点发展方向,包括有限域高分辨率资料同化方法、云和边界层作用反馈、百米级城市陆面模式、人工智能方法对参数化方案的改进、模式分辨率与计算资源的平衡配置,以期为系统开展百米级气象数值模拟研究与应用提供参考.