应用ATOVS资料反演大气温湿廓线

本文用牛顿迭代的方法反演NOAA-15极轨气象卫星ATOVS资料，求解大气温度廓线和水汽廓线，本文利用一阶变分原理从辐射传输方程中得到了大气温度、水汽权重函数的解析形式，并改进了传统使用的线性迭代方法，利用牛顿非线性迭代方法求解大气表层温度，大气温度廓线及大气水汽廓线，并根据大气参量的自相关性，将大气温度廓线、大气水汽廓线用经验正交函数（EOF）的线性组合表示，减少了要反演的参数，提高了反演稳定性和迭代速度。     

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.     

利用AIRS卫星资料反演大气廓线Ⅰ.特征向量统计反演法

引进美国威斯康星大学的IMAPP（International MODIS／AIRS Preprocessing Package）软件包，介绍了利用高光谱分辨率大气红外探测器AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）观测辐射值，用特征向量统计法反演大气温度、湿度等垂直廓线的算法，采用亮度温度分类和扫描角分类回归后，减小了反演误差。并将其应用到中国地区，通过与无线电探空值及欧洲中期天气预报中心ECMWF（European Center of Medium-range Weather Forecasts）客观分析场的比较，结果表明：该方法所获得的温度、水汽反演结果与探空观测及ECMWF大气廓线分布一致，且AIRS因其高光谱分辨率（即高垂直空间分辨率）显示了精细的大气结构。     

基于偏差原则利用MODIS红外资料反演大气廓线以及表层温度

遥感方程或大气辐射传输方程是属于第一类非线性Fredholm积分方程,这类方程的显著特征是不适定的,尤其此类问题解的不稳定性,增加了反演的难度.因此需要研究控制反演不稳定性和提高反演精度的有效方法.为了使解稳定,光滑参数γ作为约束因子是必要的.文中结合牛顿非线性迭代法反演大气廓线,利用偏差原则来最优选择光滑参数γ,即在同步反演大气廓线的同时对γ采用分步迭代的原则.最后利用中分辨率和成像光谱仪(MODIS)红外资料进行反演试验,反演结果表明采用偏差原则选取γ明显优于经验法,反演的表层温度和大气可降水量与美国国家宇航局(NASA)的MOD07产品类似.     

附加影响因子对红外遥感资料反演大气温湿廓线的辅助作用

利用AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)实际观测资料和采用特征向量反演方法,研究了非红外遥感因子对红外遥感大气温湿廓线反演的辅助作用。这些因子包括：微波探测通道、纬度、地形、表面高度、表面温度、表面气压等。试验结果表明,微波通道可以明显改善对流层中低层(800 hPa以下)温度和湿度的反演结果,对800 hPa以上没有明显的作用。划分纬度带有助于提高反演精度。在较平坦的地区温度反演的均方根误差远远小于地形起伏较大的地区。而水汽反演误差对地形变化不敏感。增加附加影响因子对改善对流层中低层温度反演精度有十分明显的作用,对中低层湿度反演精度有一定的改善。     

红外超光谱资料(AIRS)反演“云娜”台风外围晴空大气温度廓线的研究

研究反演了2004年8月11日“云娜”台风附近晴空像元大气温度、臭氧廓线及表层温度、地表气压、地表比辐射率等参数,并与观测资料进行了对比验证。在研究了用高空间分辨率的MODIS成像仪的云检测信息来进行空间匹配,客观确定高光谱大气垂直探测器AIRS的云检测的基础上,用特征向量统计法反演的廓线作为物理反演法的初始猜值,然后利用牛顿非线性物理迭代法求解表层温度、表层气压、大气温度廓线和臭氧廓线等,并将反演结果与多种观测资料进行了对比验证。结果表明,反演得到的廓线水平分辨率可达到13.5 km（星下点）,垂直分辨率达到101层,反演误差较小,可以弥补高原、沙漠以及高原等地方常规观测资料的不足。     

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。     

利用高光谱红外探测资料反演大气参数

文章介绍了红外高光谱的卫星探测技术以及利用现有的机载和星载高光谱资料的反演方法，着重讨论了美国NASA地球观测系统上携带的大气红外探测仪AIRS的反演方法。     

FY-4A GIIRS高时间分辨率温湿度廓线反演及其在台风中的应用

针对2020年第9号台风"美莎克"期间FY-4A 高光谱红外干涉式大气垂直探测仪GIIRS每15 min一次的目标区跟踪加密观测资料,用三维卷积神经网络算法反演的全天空大气温度、湿度廓线分析了台风处于生命史不同阶段时暖心结构和湿度场结构的演变特征。结果表明:卷积神经网络的深度机器学习算法可以用来反演全天空的三维大气温度和湿度垂直廓线,不光适用范围广(晴空和有云视场)、反演精度高,而且反演速度快。利用静止卫星平台高时间分辨率的特性,反演得到的温度、湿度廓线可以细致追踪台风处于发展、成熟和登陆等阶段时暖心结构和湿度场的时空演变特征。台风从发展阶段(热带风暴和强热带风暴)到成熟阶段至登陆消亡时,暖心首先出现在对流层中高层较薄的区域,随着台风强度的加强,深厚的暖心结构明显、强度增加,水平面积增大且垂直往下延伸。由于对流云中强上升气流的输送水汽正距平区逐渐上传至300 hPa,台风最强时密闭云区与四周下沉气流区比湿差高到8 K·kg^-1。暖心结构和高湿度中心随着台风登陆而逐渐消失。     

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。     

红外高光谱资料模拟大气廓线反演对云的敏感性

用不同云顶高度和不同有效云量时的星载红外高光谱观测值,模拟大气温湿垂直廓线反演对云参数的敏感性。用特征向量统计反演法按照云顶高度和有效云量分类反演了大气温湿廓线,统计了不同云高（200,300,500,700和850hPa）及云高有50hPa误差时温度、水汽混合比反演的均方根误差随有效云量的变化。结果表明,随着有效云量的增大,云顶以下各高度层上的温度、水汽混合比反演误差都明显增大。云高有50hPa误差较准确已知而言,温度和水汽混合比的反演误差增大,但温度反演对云高误差的敏感性比水汽反演要高。     

Optimal Use of High Resolution Infrared Sounder Channels in Atmospheric Prof

ＯｐｔｉｍａｌＵｓｅｏｆＨｉｇｈＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＩｎｆｒａｒｅｄＳｏｕｎｄｅｒＣｈａｎｎｅｌｓｉｎＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＰｒｏｆｉｌｅＲｅｔｒｉｅｖａｌ￥ＬｉＪｕｎ（李俊）ａｎｄＨｕａｎｇＨｕｎｇ－Ｌｕｎｇ（黄鸿荣）（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔａｆｆｉｌ...     

A three-dimensional satellite retrieval method for atmospheric temperature and moisture profiles

A three-dimensional variational method is proposed to simultaneously retrieve the 3-D atmospheric temperature and moisture profiles from satellite radiance measurements. To include both vertical structure and the horizontal patterns of the atmospheric temperature and moisture, an EOF technique is used to decompose the temperature and moisture field in a 3-D space. A number of numerical simulations are conducted and they demonstrate that the 3-D method is less sensitive to the observation errors compared to the 1-D method. When the observation error is more than 2.0 K, to get the best results, the truncation number for the EOF＇s expansion have to be restricted to 2 in the 1-D method, while it can be set as large as 40 in a 3-D method. This results in the truncation error being reduced and the retrieval accuracy being improved in the 3-D method. Compared to the 1-D method, the rms errors of the 3-D method are reduced by 48% and 36% for the temperature and moisture retrievals, respectively. Using the real satellite measured brightness temperatures at 0557 UTC 31 July 2002, the temperature and moisture profiles are retrieved over a region （20°-45°N, 100°- 125°E） and compared with 37 collocated radiosonde observations. The results show that the retrieval accuracy with a 3-D method is significantly higher than those with the 1-D method.     

Simultaneous Non-linear Retrieval of Atmospheric Temperature and Absorbing Constituent Profiles from Satellite Infrared Sounder Radiances

Based on Zeng’s theory (1974), a successive linearized form of radiative transfer equation (RTE) is derived for simultaneous retrieval of atmospheric temperature and absorbing constituent profiles from satellite infrared observa-tions. It contains the temperature component weighting function and absorbing constituent (H2O, O3, CH4 etc.) com-ponent weighting functions. All these weighting functions reach maximum at their own “optimum information levels”, and make the remote sensing equations well-conditional. Then the atmospheric profiles are derived by Newton’s non-linear iteration method. Experiments of retrieval from both TIROS-N operational High Resolution Infrared Sounder (HIRS) and the simulated Atmospheric infRared Sounder (AIRS) show an significant improvement.     

边界层温度廓线遥感反演的本地化改进研究

采用MODIS资料和美国发展的MODIS大气温、湿度廓线统计反演算法,估算大气温度、湿度廓线作为初始场,应用101层快速透过率模式(PFAAST)估算了大气透过率,并采用Newton非线性迭代算法反演中国西北荒漠戈壁地区大气温度廓线。结果表明:该方法对边界层高度及以上部分的大气温度反演得比较好,误差基本都在2 K范围内,边界层范围内的温度反演误差较大,反演误差与气溶胶光学厚度增量和地表温度估算误差呈显著正相关关系,与大气水汽混合比的关系较差。文中从敏感性试验和理论分析角度阐述了地表温度和气溶胶光学厚度估算误差对大气温度反演误差的影响,发现不同光谱波段的地表温度权重均随地表温度的增加有不同程度增加,地表温度反演误差增加将增加地表温度权重,提高地表温度估算误差有助于提高地表温度权重的精度;荒漠戈壁地区大气边界层中气溶胶浓度较高,光学厚度较大,使边界层大气透过率降低,进而降低卫星红外遥感波段的地表温度权重和空气温度权重。由于该模式没有很好地考虑边界层中沙尘气溶胶的影响,使卫星反演的大气透过率偏高,以至于高估地表温度权重和大气温度权重,使得反演的表面温度和空气温度偏低。该研究结合太阳光度计获得的光学厚度资料,采用统计方法对气溶胶效应引起的大气透过率误差和表面温度估算误差进行校正,并对物理算法进行本地化改进,实现了边界层温度廓线的反演。     

基于MODIS数据的水体识别指数方法的比较研究

从典型地物光谱曲线分析入手,MODIS数据的第7、2、1波段对植被、陆地、水体区分明显。本文对长三角太湖流域地区,采用MODIS数据以五种常水体识别进行水体信息提取,然后分别从目视解译效果、水体区分度的计算和提取的水体面积三方面来对这五种指数方法进行比较和评价。结果表明,在应用MODIS数据进行水体识别时,比值植被指数（RVI,Ratio Vegetation Index）和混和水体指数（CIWI,Combined Index of Normalized Difference Water Index）模型的目视解译效果较好,且CIWI指数具有水陆区分度较大和水体面积提取精度较高的优点。     

基于MODIS LST的0cm地温空间扩展研究

将MODIS反演的地表温度与气象站观测的0 cm地表温度对比分析,发现尽管两者间存在一定的系统偏差,但二者的空间相关性很好。以气象站实测0 cm地表温度资料为基准,集成MODIS陆面温度,建立了月平均0 cm地温空间扩展计算模型。结果表明:模型模拟结果的宏观分布连续性好,区域分布特征细致,加密站验证总体误差较小,除个别月份以外,大部分月份月平均0 cm地温误差小于1℃。这充分体现了卫星遥感资料宏观连续和气象站实测数据直接可靠的双重优势,该研究结果对高原、高山、荒漠等观测台站稀缺地区的相关研究具有重要意义。     

MODIS反照率产品在模拟北京气温中的应用

地表反照率是制约地表能量收支平衡的基本因子,其变化会影响气温和降水等气象要素,进而影响区域乃至全球的气候。文中使用WRF模式,设计两组反照率敏感试验,探讨地表反照率参数对近地面2处气温模拟精度的影响。结果表明:(1)当北京地区地表反照率增大(减小)0.05时,气温相应降低(升高)0.1～0.5 K,气温变化从城区到郊区有一个明显的降幅,感热通量和潜热通量也相应减小(增大),且变幅主要为0～13 W/m2;(2)将控制试验和MODIS反照率敏感试验模拟结果与实况对比分析发现,两种试验的模拟结果偏低,但应用卫星反照率产品后,气温升高约0.2～0.7 K,更接近实际,即应用MODIS反照率产品替换WRF模式中原有反照率能进一步提高气温的模拟精度。     

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。