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%。     

利用卫星红外高光谱资料反演大气甲烷浓度垂直廓线

基于欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF)大气廓线库和RTTOV9.3辐射传输正向模式,探讨了大气CH₄混合比浓度垂直廓线和柱总量的经验正交函数(EOF)反演方法,并利用地基傅里叶热红外光谱仪(FTS)观测数据和红外EOSAQUA卫星的大气红外传感器(AIRS)实际观测资料进行反演实验和验证。并且与地基傅里叶热红外光谱仪(FTS)观测结果相比,300hPa以下EOF模型反演的CH₄混合比均方根相对误差小于AIRS的CH₄产品,CH₄柱总量的相对误差也小于AIRS产品。与AIRS的CH₄产品相比,EOF模型反演的CH₄混合比廓线相关系数为0.97,均方根相对误差小于2.5%。验证结果表明EOF模型可以为物理反演提供很好的初始值,由于其稳定且运算更快捷,在业务化运行方面具有很大应用前景。     

大气温湿廓线反演问题的研究

介绍了反演大气温湿廓线的主要传感器特性,阐述了ATOVS、MODIS和AIRS这3个卫星传感器的仪器特征及其相应的大气温湿廓线反演原理和方法,对其利弊进行初步分析,总结了大气温湿廓线反演问题的发展趋势.     

红外高光谱资料反演有云时大气温湿廓线的模拟研究

在模拟星载红外高光谱辐射观测值对云高和有效云量的敏感性基础上展开了有云时大气温湿廓线反演的模拟研究,用特征向量统计反演法反演大气温湿廓线时进行云顶高度分类在一定程度上可提高反演精度,但在云顶以下高度反演误差仍然较大.在AIRS像元中加入匹配的晴空MODIS红外观测值,可以提高云顶以下高度的反演精度,云顶所在高度越高大气参数反演精度提高越大,尤其足温度反演精度,有云时模拟的均方根误差在整层大气中几乎小于2K.     

TERRA/MODIS热红外通道陆地晴空大气可降水分裂窗反演

大气水汽在遥感反演地表温度中起到关键作用,精确的大气水含量对于提升反演精度有着重要意义,而热红外方法是夜晚获得区域大气水汽含量的唯一方法。本研究采用热红外方法中的改良分裂窗算法,首先,使用TIGR大气廓线与MODIS波谱响应函数通过MODTRAN辐射传输模式进行模拟,将大气廓线的水汽含量与大气透过率进行回归;然后,根据MODIS数据产品特点,使用2015年夏季MODIS数据观测角小于20°的范围进行反演;最后,将白天反演水汽分别与全球GPS地基大气水汽观测网络和MODIS近红外水汽产品进行比较,均方根误差分别为5.5 g/cm2和6.4 g/cm2,显示了高度的区域一致性。由于MODIS观测角度较大,本研究未对其他角度进行反演,若对其余角度的MODIS数据进行反演,可根据余弦角度变化,针对不同角度范围进行模拟与回归。     

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.     

大气CO2浓度时空变化卫星遥感监测的应用潜力分析

GOSAT卫星观测反演大气CO2浓度精度已经提高到了1—2 ppm,而卫星数据能否准确地揭示全球和区域大气CO2浓度变化特征还缺乏充分的评价与分析。本文针对已经连续运行观测3年的GOSAT卫星,收集了来自美国NASA-OCO团队(ACOS)和日本环境研究所GOSAT团队(NIES)基于各自算法反演的两套大气CO2柱浓度数据,描述并分析了全球大气CO2时空变化特征。分析结果表明,从XCO2反演的绝对值结果来看ACOS总体上比NIES的高出约2 ppm左右,但从时空的相对变化上它们揭示了相近的大气CO2浓度时空变化特征。两套数据显示出全球平均大气CO2浓度在2010年—2012年的3年期间年增量分别为1.8 ppm和2.0 ppm;季节变化幅度,北半球最大4—6 ppm,南半球最大约2 ppm,这与地面观测结果基本一致。进一步将EDGAR 4.2人为排放总量格网化数据与GOSAT卫星观测反演的CO2浓度进行相关统计分析,结果指出两套数据对人为排放量有着微弱的响应。本文结果指出目前GOSAT卫星观测反演的XCO2可以检测出全球和区域大气CO2浓度的年变化、季节变化和区域空间变化的特征;GOSAT卫星10.5 km空间分辨率的观测虽难于检测出点源的浓度变化,但从区域上对人为排放的累积效应的监测显示了一定的应用潜力。     

利用GPS/MET与CHAMP掩星资料反演地球中性大气参数的比较

采用Abel积分反演算法 ,在干大气模式下 ,分别针对GPS/MET与CHAMP特定掩星事件的Level2数据进行处理 ,得到了相应的折射指数与大气参数廓线。分别将反演结果与UCAR和GFZ公布的结果进行比较 ,证明了反演算法的正确性与通用性。分析了两个温度反演结果都存在系统误差和CHAMP温度反演结果误差较大的原因 ,并提出了改进建议     

AIRS/TOVS/TOMS反演的臭氧总量的对比分析

本文利用2003-2005年的AIRS(Atmospheric Infrared Sounder),TOVS(The TIROS Operational Vertical Sounder)和TOMS(Total ozone mapping spectrometer)卫星资料反演的大气臭氧柱总量分析了全球范围内大气臭氧的分布和变化特征.北半球大气臭氧柱总量有明显的季节变化,在春季达到最大值约为322.25DU,秋季达到最小值约为277.83DU,变化幅度约为45DU,南半球季节变化不明显;大气臭氧柱总量有明显的纬度变化,低纬度地区臭氧柱总量较低,基本维持在250-270DU,高纬度地区臭氧柱总量较高,北半球中高纬地区平均约为294DU,南半球中高纬地区平均约为279DU.几种反演结果的对比分析表明,AIRS的全球(60°N-60°S)平均臭氧柱总量的值比TOVS和TOMS的值高大约3-5DU.其反演值在南极大陆和沙漠地区出现异常.与地基观测资料相比较,AIRS和TOMS反演值与地面站观测值之间具有一致的变化趋势,并存在较好的相关性.     

遥测地表温度与比辐射率的迭代反演方法──理论推导与数值模拟

首先在地表比辐射率为已知的条件下,提出一个非线性迭代温度反演模型,我们对不同的地表和大气条件进行了模拟计算,结果表明当大气温度廓线误差－２Ｋ－２Ｋ,水汽廓线误差±２０％时的温度均方根误差为０．４８Ｋ。当大气模式误差一个模式时反演的温度均方根误差为０．８５Ｋ。在此基础上,引人相邻像元的概念,相邻像元的大气状况可以认为是相同的,应用两个时相的遥感影像数据,假定在两个相近时相之间地表比辐射率值不变,建立地表比辐射率与温度的反演模型。我们对不同的地表和大气条件进行了模拟计算,结果表明当大气温度廓线误差－２Ｋ－２Ｋ,水汽廓线误差±２０％时地表温度均方根误差小于１．５Ｋ,地表比辐射率均方根误差小于０．０２,地表辐射均方根误差为１％;当大气温度廓线误差－２Ｋ－２Ｋ,水汽廓线误差±１０％时,地表温度均方根误差小于１．０Ｋ,地表辐射均方根误差小于０．６％。     

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。     

利用差分吸收激光雷达探测二氧化碳浓度廓线

针对大气中二氧化碳(CO2)浓度在对流层分布变化明显的特点,采用激光雷达主动观测方式获取低空CO2廓线浓度.利用自主研制的基于染料差分激光技术的CO2探测差分吸收激光雷达,在中国安徽省淮南市进行了长期观测,受制于白天的低信噪比,只进行了夜间观测,并通过开发先进的信号处理算法获取了高空间、高时间分辨率的CO2廓线浓度以及...     

针对Terra/MODIS数据的改进分裂窗地表温度反演算法

针对Terra/MODIS数据提出改进的分裂窗地表温度反演算法。充分考虑了传感器观测角度(VZA)的影响,并对地表和有效大气辐射按照不同的亮度温度区间分别进行Planck函数简化。利用TIGR3大气廓线库中的875条晴空大气廓线,ASTER波谱库中的106条地物发射率波谱,结合MODTRAN4大气辐射传输模型模拟得到分裂窗算法系数。利用MODTRAN4模拟数据对算法精度进行验证,结果表明本文的改进算法和原算法的均方根误差RMSE分别为0.34K和0.65K。敏感性分析表明,在中等湿润的大气条件下,算法对大气水汽含量并不敏感。该算法降低了传感器观测角度带来的地表温度反演误差。利用2009年6月美国SURFRAD辐射观测网6个站点的实测数据对改进算法、原算法以及MOD11_L2地表温度产品进行了对比验证,RMSE分别是0.93K、1.49K和1.0K,表明本文算法可以提高反演精度。     

利用AIRS观测资料进行红外高光谱大气探测能力试验的研究

利用EOS Aqua卫星平台上搭载的光栅式高光谱分辨率大气红外探测仪器AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）的实际观测资料，采用经验正交函数展开法（特征向量法）进行了大气温度、湿度廓线的反演误差敏感性试验研究。试验内容包括光谱覆盖、通道覆盖、通道宽度等。通过这些试验，研究在中国现有的经济、技术条件下要达到在对流层1km气层温度、湿度分别小于1K和20％的反演精度和垂直分辨率所应该具备的光谱通道特征，为发展中国自己的红外高光谱分辨率探测技术提供科学依据。试验计算结果表明，基于中国现有的经济和技术基础，发展具有100个左右的光谱通道，通道宽度为2-4个波数的干涉式红外大气探测仪器（比中国目前FY-3初期的滤光片式红外分光计的光谱波段宽度减小3-4倍），可明显改善大气参数反演精度，基本满足现阶段使用要求。     

利用MODIS红外资料反演大气参数以及表层温度的研究

提出了用牛顿非线性迭代法同时反演大气参数和表层温度,该反演算法应用到我国渤海地区MODIS红外资料中,可反演得到中尺度范围内的大气温度、水汽廓线,其误差分别不超过1.5 K和18%.反演得到的表层温度、大气可降水量(TPW)和大气稳定度(TTI)与美国国家宇航局(NASA)MOD07产品相似.     

GPS-LEO掩星探测地球大气的方法

近年来伴随导航定位技术与无线电掩星技术的结合，一种崭新的遥感地球大气的方法-Global Positioning System/Meteoroloby(GPS/NET)应运而生，该方法可以有效地探测大气温、压、湿等气象参数。本文在介绍利用GPS-LEO掩星技术探测地球大气的原理，以及反演大气参数的方法、步骤的基础上，给出了模拟掩星数据反演出的温度廓线、密度廓线及部分GPS/NET实验数据的初步反演结果。通过分析可以看出，利用掩星技术反演出的温度廓线与大气实际情况相符，并且与ECMWF、NCEP的结果吻合较好。在干空气假设条件下，近地面大气的反演结果与实际情况还存在一定误差，有待深入研究解决。     

基于GPS掩星技术反演大气参数模型的优化

准确掌握地球大气中的水气分布，了解水气变化趋势对天气现象、全球气候变化、数值预报具有理论研究及实用价值。以无线电掩星技术为基础，利用掩星数据反演大气参数剖面。对原反演模型的不足进行了论证，并给出了反演个例。详细地论述了通过引入MM5先验温度T再通过线性迭代的方法反演对流层下部水汽廓线原理，给出了优化后模型反演个例。并对模型优化后反演廓线中存在的问题进行了分析，提出了下一步优化方向。     

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。     

近地表大气逆温条件下的地表温度遥感反演与验证

为了减少近地表大气逆温对地表温度遥感反演精度的影响,提出在晴空的地表温度"通用劈窗算法"模型中增加一个温度改正项来实现。在建立该误差改正项时,利用正常条件下的通用劈窗算法系数和具有不同逆温强度的逆温廓线,并结合大气辐射传输模型MODTRAN计算,得到近地表大气逆温条件下的地表温度反演误差,并在分析了该误差值与相应的逆温强度的关系后,发现该温度改正项可以表示为近地表大气逆温强度的二次项函数。为了进一步提高地表温度的反演精度,将地表温度和大气水汽含量进行分组,分别针对每个分组来确定温度改正项方程的系数。模拟结果表明,在逆温强度为1.7 K/100m时,该温度改正项可以使地表温度的反演精度提高0.44 K。利用内蒙古海拉尔试验站的实测数据对地表温度反演结果进行了验证,在近地表大气存在逆温的条件下,该方法能提高地表温度的遥感反演精度0.47K。但是,由于本文提出的方法需要已知大气温度廓线来计算大气逆温强度,因此在实际应用中该方法受到了一定的限制。     

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。