SBDART的参数化短波辐射传输模型

云层对地气系统辐射能量平衡有重要的调节作用,然而传统1维大气辐射传输模型仅能考虑晴空和全云两种情况。为了更好地研究云层对地表短波辐射的影响,以大气辐射传输模型SBDART(Santa Barbara Disort Atmospheric Radiative Transfer)为基础,在短波辐射传输基本方程中引入半球天空有效云覆盖度和区域真实云覆盖度两个关键云参数,考虑太阳方向和半球天空云层覆盖情况,对模型进行几何关系的修正。结合短波辐射的影响因素和SBDART模型的内置参数,选择13个参数,使用全局定量敏感性分析软件Sim Lab对修正后的模型进行参数敏感性分析及应用讨论。研究结果表明:该模型能够较好地描述云层对地表短波辐射的影响;对下行短波辐射和地表短波净辐射而言,太阳天顶角和地表反照率的影响最为显著;两个云覆盖参数在很大程度上也影响了地表短波辐射分量;在模型实际应用过程中,敏感性较强的6个参数均可以通过卫星遥感数据得到,模型具有较好的应用前景。由此可见,改进的短波辐射传输模型能够更好地考虑不同云层条件下、不同太阳–云–观测几何下的短波辐射传输问题,有利于提高短波辐射参量的遥感反演精度。     

神舟四号飞船微波辐射计定标和检验（Ⅱ）——微波辐射计地物参数反演及其检验

针对神舟四号飞船微波辐射计(RAD)特殊入射角、频率的特点,开发了海面和大气参数的反演算法。然后用这个算法模拟RAD不同通道的亮温。最后用发射后重新定标的亮温结合国外大洋浮标、小岛上的气象探空数据以及其他星载微波辐射计产品,对RAD反演算法进行改进,最后给出海面温度、风速和大气水汽含量的反演的结果,并且对这些结果进行了检验。     

SZ-4飞船多模态传感器辐射模态数据处理与质量评价研究

研究了飞船多模态传感器中辐射模态1B产品数据的处理以及生成全球亮温图的方法,对辐射模态数据与SSM/I和AMSR-E星载微波辐射计对应通道进行了星星比对分析,建立了对应通道之间的线性关系。结果表明,飞船辐射模态亮温与SSM/I及AMSR-E的测量值在绝对幅度上相差较大,但却高度的线性相关,这在一定程度上说明了SZ-4辐射模态各通道亮温对地表微波辐射响应的能力。     

扩展多波长偏振测量的太阳—天空辐射计观测网

太阳辐射和大气气溶胶的地基遥感观测在气候变化、大气环境和对地观测等领域有重要意义。结合多波长偏振测量技术在气溶胶观测中的应用,本文介绍了在中国典型区域建立的太阳—天空辐射计观测网SONET(Sunsky radiometer Oberservation NETwork)。主要内容包括:(1)多波长偏振太阳—天空辐射计的参数、基本原理和功能,以及据此建立的中国区域太阳—天空辐射计观测网及其站点的基本情况;(2)太阳直射、太阳主平面和平纬圈几何条件下,太阳—天空辐射和偏振的观测模式及其测量参数;(3)针对气溶胶、水汽等大气成分观测发展的太阳直射辐射、天空光辐亮度、线偏振度等观测量的定标和数据处理方法,并给出在晴朗和灰霾等天气下的SONET观测结果示例;(4)基于在SONET典型站点连续的较长期遥感观测,初步建立了城市、乡村和灰霾情况下的整层大气气溶胶参数模型。在扩展多波长偏振测量的基础上,SONET还发展了自动观测、快速数据处理、定期标定和维护等观测网运行关键技术,可为典型大气气溶胶模型构建、卫星气溶胶产品反演和验证、大气环境遥感监测等应用提供支撑。     

基于葵花-8卫星大气产品的地表下行短波辐射计算

地表下行短波辐射DSSR(Downward Surface Shortwave Radiation)的准确估算在气候变化研究和地表太阳能估算等领域具有重要作用。新一代静止气象卫星葵花-8(Himawari-8)具有高达10 min的对地观测能力,为DSSR近实时估算提供了新机遇。然而,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)对外公开的葵花-8辐射产品中,没有将其反演的云、气溶胶产品作为DSSR的输入参数,从而没有形成一整套的DSSR估算算法流程,缺乏产品输出的一致性。大气中的云、气溶胶是DSSR的重要影响因子,本文重点考虑云、气溶胶对太阳辐射的影响,基于大气辐射传输模式RSTAR构建了DSSR查找表,开发了DSSR的快速计算方法,进而将JAXA葵花-8二级云、气溶胶产品(光学厚度,粒子有效半径等)作为快速化计算方法的输入参量,计算得到了DSSR。通过与JAXA葵花-8二级DSSR产品(JAXA DSSR)对比,发现两者具有很好的空间一致性。为了进一步评价本文的DSSR计算精度,分别选取了陆地(Yonsei)和海洋(0n_165e)的观测数据验证了2016年4、7、10和12月本文计算的DSSR和同时期的JAXA DSSR产品,验证结果显示两者的DSSR在两个观测站点均具有非常高的相关性(全天空、晴空和云天条件下的相关系数R均大于0.88)。在两个站点云天条件下的验证结果中,考虑了云相态并在冰云模型中使用了非球形冰晶粒子(六棱柱)来计算DSSR,获得了比JAXA DSSR更小的偏差。本文提出的快速化计算方法能快速准确地计算DSSR,可为计算地表辐射收支等研究提供重要数据支撑。     

A New GIS-based Solar Radiation Model and Its Application to Photovoltaic Assessments

The solar radiation model r.sun is a flexible and efficient tool for the estimation of solar radiation for clear‐sky and overcast atmospheric conditions. In contrast to other models, r.sun considers all relevant input parameters as spatially distributed entities to enable computations for large areas with complex terrain. Conceptually the model is based on equations published in the European Solar Radiation Atlas (ESRA). The r.sun model was applied to estimate the solar potential for photovoltaic systems in Central and Eastern Europe. The overcast radiation was computed from clear‐sky values and a clear‐sky index. The raster map of the clear‐sky index was computed using a multivariate interpolation method to account for terrain effects, with interpolation parameters optimized using a cross‐validation technique. The incorporation of terrain data improved the radiation estimates in terms of the model's predictive error and the spatial pattern of the model outputs. Comparing the results of r.sun with the ESRA database demonstrates that integration of the solar radiation model and the spatial interpolation tools in a GIS can be especially helpful for data at higher resolutions and in regions with a lack of ground measurements.     

Cloud classification in NOAA AVHRR imageries using spectral and textural features

Clouds contribute significantly to the formation of many of the natural hazards. Hence cloud mapping and its classification becomes a major component of the various physical models which are used for forecasting natural hazards. The problem of cloud data classification from NOAA AVHRR (advance very high resolution radiometer) satellite imagery using image transformation techniques is considered in this paper. The singular value decomposition (SVD) scheme is used to extract the salient spectral and textural features attributed to satellite snow and cloud data in visible and IR channels. The goals of this paper are to discriminate between clear sky and clouds in an 8 × 8 pixel array of 1.1 km AVHRR data. If clouds are present then classify them as low, medium or high range. This scheme can effectively segregate clouds and non-cloud features in the visible and IR bands of the imagery. It can also classify clouds as low, medium or high range with a success rate of 70–90%. Computer-based snow and cloud discrimination and automatic cloud classification system will help the forecaster in various climatological applications, viz., energy balance estimation, precipitation forecasting, landslide forecasting, weather forecasting and avalanche forecasting etc.     

多样地表和大气状况下的MODIS数据云检测

云覆盖作为天气和气候变化的一个重要因子,对地表-大气能量平衡和水循环有着重要的影响,因此,快速、准确地利用卫星遥感技术检测云覆盖具有重要的实用价值和科学意义。利用卫星遥感数据,尤其是常用的Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)影像数据,因其具有较高的光谱和时间分辨率,以及2330 km扫描幅宽,为大范围实时、准确地进行云检测提供了可能。目前,基于MODIS数据发展了大量的云检测方法,但因地表类型的多样性和大气状况(如空气污染和沙尘事件等)的复杂性,目前已有的云检测方法,检测精度通常具有较大的不确定性,且针对不同地表和大气状况缺乏普适性,同时也缺乏对检测精度的定量化评估。因此,本文首先比较了常用的3种云检测算法,并基于前人经验提出了两种改进方法(方法4和方法5),首先区分出云和冰雹,摒弃了不稳定的亮温波段,两种算法均适用于复杂地表和大气状况的云检测算法。结果显示,方法5可以较好地应用于基于MODIS数据的云检测,总体精度达92.6±7%,改进了现有基于MODIS数据的云检测算法;方法4平均总体精度82.9±13%,虽然精度相对较低,但云残留少,适合作为对云敏感度高的研究工作的云检测方法。     

全极化微波辐射计对环境参数敏感性分析

为衡量全极化微波辐射计各通道对不同环境参数的探测能力,在构建全极化微波辐射传输正演模型的基础上,采用敏感性分析的方法,在固定背景场条件下,对全极化微波辐射计不同频率、各极化通道亮温对海面风速、海面风向、海面温度、大气水汽含量和云中液态水含量等重要环境参数的敏感度进行了分析和量化计算,对正演模型仿真亮温、星载全极化微波辐射计Wind Sat实测亮温相对于真实背景场参数、NCEP分析场资料和TAO/TRITON浮标实测海面风场数据的敏感性进行了分析。分析结果验证了全极化微波辐射计对海面风场的观测能力,衡量了上述重要环境参数对星载全极化微波辐射计各通道的单独影响程度,为中国自主研制全极化微波辐射计时通道指标设计、环境参数反演通道选取及算法提供支持。     

融合多尺度视网膜图像增强的动态云检测

云检测是气象卫星各类定量遥感产品的基础,无论是以云图为基础的天气分析还是以去云为前提的各类大气和地表参数反演、沙尘火情等灾害检测,都需要对遥感影像中的云进行准确识别,尤其是薄云和云边缘等细节识别。针对静止气象卫星(以Himawari-8为例)精细化云检测,本文提出了一种基于多尺度视网膜图像增强的动态云检测算法。该算法基于云层与背景信息辐射特征不同的原理,构建可见光和红外波段的晴空辐射背景场,通过多尺度图像增强和最大类间差方法对辐射差值进行云细节信息的增强和提取。利用2021-2022年的75景MODIS云检测产品作为验证数据进行算法精度验证,整体上算法精度达到91.13%,召回率为94.02%,精确率为86.71%,有较强的适用性和稳健性,且已经较好地支撑了近两年的定量遥感产品业务化应用。     

中国东南沿海地区大气反常结构遥感初探

对流层大气作为电波传播的主要媒介,其大气剖面参数直接影响无线电系统的作用距离和导航、定位精度,因此,研究大气剖面的微波遥感技术,尤其是大气反常结构,对分析评估无线电信息系统在复杂大气环境条件下工作性能和提供电波折射修正精度等具有重要的应用价值。中国东南沿海地区一直是研究的热点区域,本文选取青岛、射阳、厦门、海口4个站的气象探空仪观测数据,统计了这些地区大气波导的平均高度和厚度,对采用地基多通道微波辐射计的天顶和扫角亮温遥感其参数的算法进行了初步探索,提出了改进的组合神经网络算法来判别并遥感大气波导。同时,使用多年的探空数据对该算法进行了仿真验证,并用青岛气象站的实测数据验证了该算法的精度。结果表明该算法可用于遥感大气反常结构,并且与以往的算法相比更加实用、有效,可为雷达、通信、导航等系统设备提供环境信息保障。     

Mapping solar energy potential of southern India through geospatial technology

Abstract

There is an urgent need for alternate energy resources throughout the world due to the decline in the accessibility of fossil fuels and other conventional resources. In this pursuit, solar energy offers a favourable solution and can easily be converted into energy. There are some solar radiation models which provide point and area-based computations based on the geometry of surface orientation and visible sky. The work comprises the mapping of the solar energy generation potential of southern India to balance the competing and upcoming energy demands. The current work explores and employs the geospatial technology to prepare solar energy potential map to deliver the valuable inputs to the energy sector. The research was supported with satellite-derived global solar radiation and temperature data over a span of one year. The values obtained from the spatial radiation models were processed to get the improved datasets. Suitable cartographic visualization of solar insolation parameters was presented for enhanced understanding of the spatial distribution of solar potential, PV output, air-temperature or other spatial characteristics. Twelve monthly maps, an annual map, and another map with the location of the measurement stations were created to unravel a number of unturned mystery about the understanding of solar resource diversity in a spatial context, which will support our decisions & arguments for any kind business.     

神舟四号飞船微波辐射计定标和检验（Ⅰ）——微波辐射计外定标

文中针对神舟四号飞船辐射计 (RAD)的在轨定标特点 ,提出一种替代外定标方案 ,即利用地球表面典型地物的微波辐射对RAD的不同通道重新进行定标。选取了全球大洋开阔海域的浮标、星载微波辐射计产品和小岛上气象探空数据 ,通过理论计算得出的亮温作为辐射计测量的低端。利用南美洲热带雨林亮温作为高端 ,重新给出了RAD定标方程。同时 ,为了确定定标的效果 ,分别与国外星载微波辐射计相同或相近通道的亮温进行了比较。另外还结合南海地面配合试验的测量结果对辐射计定标数据进行了分析。     

极地区域气溶胶地基遥感观测及分析

依据全球气溶胶自动观测网在极地区域的观测,对以下问题进行了讨论:(1)温度订正在极地气溶胶光学厚度观测中的重要性及订正方法;(2)在极地进行仪器常数标定的可行性分析及温度效应的影响;(3)利用天空散射光观测反演气溶胶微物理和光学特性参数(粒子谱分布、散射相函数、复折射指数、单次散射反照率等)时,关于观测几何选择的问题,以及针对极地区域气溶胶特性的初步反演结果。这些研究可以为中国未来在两极地区开展基于自动太阳-天空辐射计的气溶胶地基遥感观测提供参考,为极地区域气溶胶卫星遥感及气候效应评估等研究提供重要支撑。     

中国北方地区春季气溶胶光学特性地基遥感研究

基于中国北方地区地基太阳直接/散射辐射计观测,分析了2001年春季气溶胶光学厚度、尺度和吸收特性。沙尘期间,气溶胶光学厚度显著升高,而尺度上升,粗粒子浓度显著增加,大气气溶胶表现出中性或异常消光特征。除沙尘活动之外,中国华北地区人为排放也是导致气溶胶光学厚度偏高的一个重要原因。中国沙尘源区气溶胶单次散射反照率小于以往观测和模式结果。北京和香河两地气溶胶光学厚度、Angstrom指数和尺度谱基本相似,说明华北地区人为排放与沙尘活动类似,也表现出区域尺度的特点。由于沙尘气溶胶与人为排放气溶胶相比,折射指数实部偏大、虚部偏小,从而北京地区沙尘期间单次散射反照率明显大于非沙尘期间,特别是在近红外波段,说明沙尘活动不仅可以通过增加气溶胶光学厚度,同时也通过改变气溶胶物理、辐射特性来影响下游地区的气溶胶辐射强迫。     

Estimating land-surface temperature under clouds using MSG/SEVIRI observations

The retrieval of land-surface temperature (LST) from thermal infrared satellite sensor observations is known to suffer from cloud contamination. Hence few studies focus on LST retrieval under cloudy conditions. In this paper a temporal neighboring-pixel approach is presented that reconstructs the diurnal cycle of LST by exploiting the temporal domain offered by geo-stationary satellite observations (i.e. MSG/SEVIRI), and yields LST estimates even for overcast moments when satellite sensor can only record cloud-top temperatures. Contrasting to the neighboring pixel approach as presented by Jin and Dickinson (2002), our approach naturally satisfies all sorts of spatial homogeneity assumptions and is hence more suited for earth surfaces characterized by scattered land-use practices. Validation is performed against in situ measurements of infrared land-surface temperature obtained at two validation sites in Africa. Results vary and show a bias of −3.68 K and a RMSE of 5.55 K for the validation site in Kenya, while results obtained over the site in Burkina Faso are more encouraging with a bias of 0.37 K and RMSE of 5.11 K. Error analysis reveals that uncertainty of the estimation of cloudy sky LST is attributed to errors in estimation of the underlying clear sky LST, all-sky global radiation, and inaccuracies inherent to the ‘neighboring pixel’ scheme itself. An error propagation model applied for the proposed temporal neighboring-pixel approach reveals that the absolute error of the obtained cloudy sky LST is less than 1.5 K in the best case scenario, and the uncertainty increases linearly with the absolute error of clear sky LST. Despite this uncertainty, the proposed method is practical for retrieving the LST under a cloudy sky condition, and it is promising to reconstruct diurnal LST cycles from geo-stationary satellite observations.     

中国陆地1km AVHRR数据集

介绍了中国陆地范围的长序列AVHRR数据集及处理方法。数据处理链包括辐射标定、导航定位、几何精纠正、云检测、大气纠正、双向反射纠正以及多时相数据合成等一系列过程。大气校正采用SMAC方法．利用每日的大气参数对臭氧、瑞利散射、气溶胶和水汽柱等4个主要大气因子的影响进行了纠正。利用地面能见度和水汽压信息反演气溶胶光学厚度，利用最大植被指数法合成旬数据集。完成了1991-2003年的AVHRR数据集处理，形成了标准的数据集。     

FY-3D MERSI-II地表温度遥感反演与验证

地表温度是是决定地表辐射能量收支的重要变量,在岩石圈、水圈、生物圈和大气圈的能量平衡和水量平衡研究中起着重要作用。利用热红外遥感技术可实现区域和全球尺度地表温度的快速获取,其受到了研究者的广泛关注。目前,FY-3D是国内光谱分辨率最高的对地观测卫星,极大的提高了对地观测能力,其搭载的中分辨率光谱成像仪（MERSI-II）经过大幅升级改进,性能有了显著提升,热红外数据的空间分辨率达到了250 m。本文使用大气辐射传输模型MODTRAN 5模拟了MERSI-II传感器热红外通道星上观测数据。在此基础上,构建了通用劈窗地表温度反演模型,结合ASTER GED全球地表发射率产品以及MERSI-II自身大气水汽反演算法,发展了地表温度遥感反演方法。最后,利用2019-08内蒙古乌海沙漠地区及美国SURFRAD多个站点的实测地表温度数据对本文提出的方法进行了验证。研究结果表明,相较地表实测数据,构建的劈窗算法反演的地表温度RMSE在1.6—2.6 K,反演精度达到了预期目标,还具有较高的空间分辨率,可以用于业务化的地表温度的反演,同时也说明其辐射定标精度有了一定保证,有效满足了区域和全球尺度地表温度遥感监测应用需求。     

基于NOAA/AVHRR数据的北极反照率反演及其变化研究

极地海冰反照率直接影响极区的热收支,反照率的变化对地气系统热量收支平衡及气候变化等的研究具有重要意义。本文采用由美国国家海洋与大气管理局NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)发射的NOAA卫星携带的先进的甚高分辨率辐射仪AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) Level-1B (L1B) 数据,经宽带反射率转换、各向异性校正、大气订正、云检测等处理,得到4 km宽带晴空地表反照率产品。将AVHRR反照率与北冰洋地表热收支SHEBA (Surface Heat Budget of the Arctic Ocean)实验数据进行印证,印证结果显示在冰雪冻结期二者平均偏差为-0.07,标准偏差为0.05。本文处理了2008年—2010年的AVHRR数据,结合第4次北极科学考察现场观测数据研究了北极冰面月平均反照率的变化,从降雪和冰脊两个方面分析了反照率的变化,结果显示反照率在冰雪融化过程中变化约为0.3,变化较大且较为迅速,表面粗糙的多年冰海域和较为平滑的一年冰海域的反照率在雪融化时期变化约为0.2且变化相对缓慢。研究结果表明,由冰雪融化引起的反照率变化较为快速且幅度较大,是引起北极反照率变化的主导因素。     

风云3号卫星微波湿度计的系统设计与研制

微波湿度计(MWHS)是风云3号卫星的主要有效载荷之一,其频率为150GHz(双极化)和183.31GHz(三通道),采用垂直于飞行方向的交轨扫描方式,科学目标是探测大气湿度的垂直分布.本文简要介绍微波大气湿度探测的基本原理,阐述了微波湿度计的系统构成及工作原理;描述了微波湿度计的性能指标要求.测试结果表明,微波湿度计性能指标满足设计要求.