GNSS/PWV与风云四号A星GIIRS水汽廓线融合应用研究

中国新一代地球静止气象卫星风云四号A星（FY-4A）搭载的干涉式大气垂直探测仪（Geostationary Interferometric Infrared Sounder, GIIRS）以红外高光谱干涉分光方式探测三维大气温湿结构,取得了在静止轨道上探测大气的突破性进展。地基全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）是一种连续监测大气可降水量（Precipitable Water Vapor,PWV）的有效手段,基于2018年6—8月中国地基GNSS站监测的PWV和FY-4A/GIIRS水汽廓线的业务产品以及常规无线电探空资料,开展GNSS/PWV与FY-4A/GIIRS水汽廓线快速融合应用,以提高卫星资料反演大气水汽廓线的精度。结果表明:与常规无线电探空相比,FY-4A/GIIRS水汽廓线产品在大气低层均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）为4.5 g/kg,700 hPa为2.4 g/kg,500 hPa以上因水汽含量较低RSME小于1.5 g/kg。GNSS/PWV与FY-4A/GIIRS水汽廓线融合后,FY-4A/GIIRS水汽廓线误差整层RMSE减小20%,从近地层到600 hPa RMSE平均减小20%—25%,尤其是850—700 hPa改善最明显,极大改善了卫星水汽反演资料的可用性。对一次多系统影响的暴雨天气过程应用分析表明,GNSS/PWV和FY-4A/GIIRS融合产品可获得高时、空密度的大气水汽廓线,对强降水的临近预报有非常重要的支撑作用。      

基于FY-3/IRAS利用非线性模式反演OLR

FY-3系列卫星星载IRAS仪器设有26个通道,其中20个通道用于探测地球大气在红外波段的热辐射,通道辐射率代表了地球大气系统在大气顶的向外辐射光谱信息,与总波段的射出长波辐射（OLR）通量相关性高。该文基于逐线辐射传输模式计算软件LBLRTM对全球2521条大气廓线的大气顶射出辐射率模拟数据,计算了每条廓线的OLR和FY-3B/IRAS,FY-3C/IRAS通道辐射率,用统计回归方法建立了利用IRAS的多通道辐射率计算OLR的非线性理论回归模式;应用模式和FY-3B/IRAS,FY-3C/IRAS的L1级数据,处理得到2016年4月1-30日的全球日平均、月平均OLR格点产品。与Aqua/CERES,Terra/CERES仪器宽波段观测OLR产品对比表明:对于水平分辨率为1°×1°的全球月平均OLR格点产品,均方根误差为2.22 W·m-2,相关系数为0.9982 W·m-2,平均偏差为-0.2 W·m-2,表明FY-3/IRAS仪器定标及反演模式均达到较高水平。文中还回顾了历史上不同气象卫星的多种OLR反演算法模式,并对不同模式精度进行了比较。     

国际卫星红外大气探测器发展新特点

为了深入了解国际卫星红外大气探测仪器的新特点,推动其资料应用,以美国NASA Aqua卫星装载的高光谱红外大气探测仪器AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)为例,介绍卫星红外探测仪研发背景、仪器特征、研制技术、数据产品处理和应用。研究表明,AIRS开辟了卫星大气探测的新时代,它为其他未升空的高光谱仪器提供了不可或缺的研究资料,对将装载于我国风云卫星的高光谱红外大气垂直探测仪器的研制具有重大的参考价值。     

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。     

风云三号C星微波大气探测载荷性能分析

风云三号C星是我国第二代极轨气象卫星的首发业务星,星上装载了3个被动微波遥感载荷(微波成像仪、微波温度计Ⅱ型和微波湿温探测仪),其中微波成像仪完全延续了风云三号A/B星的设计,两个微波大气探测载荷微波温度计Ⅱ型和微波湿温探测仪是在风云三号A/B星微波温度计和微波湿度计成功在轨运行和应用的基础上,根据应用需求在功能和性能两个方面从设计层面实现了大幅提升。本文重点介绍风云三号C星微波温度计Ⅱ型和微波湿温探测仪的功能、性能和设计指标,综述风云三号C星星载微波大气探测能力。风云三号C星星载微波大气探测系统,通过通道细分、探测频点增加和空间采样技术优化,突破了我国星载微波探测载荷技术瓶颈,提升了大气温湿度廓线的综合探测能力。     

基于风云卫星红外高光谱资料遥感逆温层研究

大气逆温层会阻碍大气垂直运动的发展,传统上只能利用地基无线电探空资料进行监测和分析。星载高光谱红外大气探测可以反演晴空区大气温、湿度廓线,为大气逆温层监测提供了一种可能的技术手段。为探索中国卫星监测逆温层的方法和途径,本研究基于风云三号D星搭载的红外高光谱大气探测仪(FY-3D/HIRAS)观测资料,利用RTTOV(Radiative Transfer for TOVS)快速辐射传输模式模拟了不同逆温强度、不同逆温层顶高度对HIRAS红外通道观测亮温的影响。结果表明,在780—1000 cm^-1窗区光谱内的精细谱线对应的通道对逆温层最为敏感,与参考通道(926.875 cm^-1)的亮温差可以用于大气逆温层识别。文中定义了逆温强度敏感指数和逆温层顶高度敏感指数,模拟结果表明,强吸收(通道1:784.375 cm^-1、通道2:798.750 cm^-1)、中吸收(通道1:803.125 cm^-1、通道2:852.500 cm^-1)、弱吸收(通道1:840.000...     

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-2D静止气象卫星OLR反演模式

介绍FY-2D卫星OLR反演模式的建立过程以及模式与NOAA卫星OLR反演模式的相互对比,包括:地球大气红外辐射传输方程,全球3812条大气廓线的大气顶射出辐射率、射出长波辐射通量密度的模拟计算,3812条廓线FY-2D窗区通道1、2、水汽通道的通道辐射率模拟计算,通道辐射率的临边变暗订正关系式的确立、3个通道波段的窄波段辐射通量密度的模拟计算.通过3812条廓线的窄波段辐射通量密度与OLR的X-Y坐标散点图,建立OLR回归关系式;并通过NOAA-17 AVHRR通道5 OLR反演模式与FY-2D窗区通道2 OLR反演模式形式的互比,得出两星的OLR反演模式接近,给出2007年2～4月OLR产品个例和产品精度分析.     

风云三号(03)批降水测量卫星探测能力及应用

风云三号(03)批是我国第二代极轨业务气象卫星的第三个批次,由上午、下午、晨昏和降水测量四颗业务卫星组成。其中,我国首发的降水测量卫星计划装载双频降水测量雷达、微波成像仪、GNSS掩星探测仪和光学成像仪。通过仿真技术,分析风云三号降水测量卫星的功能、性能和设计指标,探讨其降水探测能力。分析表明,风云三号降水测量卫星装载的降水测量雷达从设计层面分析,与美日第二代降水测量卫星GPM搭载的降水雷达DPR性能相当;风云三号降水测量卫星的轨道设计覆盖了南、北纬50°范围内的热带和中纬地区,对影响我国区域的台风系统结构具有三维探测能力;风云三号降水测量卫星上装载的被动微波辐射计相比GPM搭载的微波成像仪增加了50~60和118GHz双氧吸收通道,对陆地弱降水反演等具有应用潜力。总之,风云三号降水测量卫星加上同星配置的其他载荷,整星的降水探测能力优于美日第二代降水测量卫星GPM。     

基于往返式平漂探空的FY-3D卫星反演温度检验

往返式平漂探空观测（以下简称平漂探空）可实现对流层至平流层低层大气温度廓线垂直探测以及平流层低层内持续4 h的水平温度分布探测。该文介绍利用平漂探空试验数据对风云3号气象卫星D星（FY-3D）反演温度数据的检验评估算法,基于该算法和2021年3—9月长江中下游平漂探空试验数据完成对卫星反演大气温度数据的检验。结果显示:FY-3D卫星反演的温度数据准确度总体较高,与平漂探空上升段数据平均绝对偏差约为1.34℃,与下降段数据平均绝对偏差约为1.93℃;卫星反演的100 hPa以上和850 hPa以下温度误差分别偏大0.59℃和0.33℃;卫星反演平流层温度准确度低于温度廓线,平均绝对偏差约为3.92℃;与平漂探空数据相比,卫星大气温度廓线分辨率较低、趋势较平滑,无法显示大气温度垂直分布和平流层温度水平分布的细节特征。     

风云三号气象卫星红外分光计探测大气CO2浓度的通道敏感性分析

依据红外分光计（InfraRed Atmospheric Sounder,IRAS）光谱通道特征,发展了基于IRAS的大气辐射传输计算模式。以大气分子吸收光谱数据集（HIgh resolution TRANsmission,HITRAN） 2004为初始谱线输入资料,利用该模式模拟计算IRAS在CO2 吸收带的10个通道辐射率测值对CO2浓度变化的响应,并对比了其与大气温度和水汽、O3等气体浓度误差对辐射率测值的影响,探讨了利用风云三号气象卫星探测大气CO2浓度的可行性。结果表明,IRAS的通道4最适于用来监测大气CO2浓度的变化,当CO2体积混合比浓度变化在10×10-6时,对应的辐射率变化同仪器等效噪声辐射率相当,所以IRAS在理想状态下,最高可分辨的大气CO2浓度变化约为10×10-6。     

"风云三号"气象卫星简介

风云三号(简称FY-3号)气象卫星是我国自行研发的第二代极轨气象卫星,它通过全球、全天候、多光谱三维定量探测手段,可获取温度、湿度、气压、云层、辐射等众多遥感数据和资料,将为天气预报、气候预测、环境监测等领域提供有效的服务。1卫星构造及姿态1.1卫星构造FY-3号气象卫星采用分层设计,自上而下依次为:有效载荷舱、服务舱和推进舱等。其中,卫星对地面有效载荷配置了地球辐射探测器、红外分光计、扫描辐射计、中分辨率成像光谱仪、微波辐射计、臭氧总量探测器、臭氧垂直分布探测器、辐射计量监测仪等。卫星的天地数据传输系统安装有两…     

人工神经网络法反演晴空大气湿度廓线的研究

高光谱分辨率大气红外探测器AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)作为第一个超高光谱大气红外探测仪,开辟了卫星大气探测的新时代.以无线电探空值与SARTA(Stand-Alone Radiative Transfer Algorithm辐射传输模式)v1.05版的前向模式模拟出的AIRS辐射...     

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。     

中国首颗降水测量卫星(风云三号G星)的探测能力概述与展望

2023年4月16日09时36分(北京时)中国首颗降水测量卫星—风云三号G星(FY-3G)成功发射,本文在介绍风云三号降水星技术特征的基础上,着重分析FY-3G降水探测能力及在暴雨监测中的应用前景。结果表明：卫星轨道高度407 km、倾角50°,装载了Ka/Ku双频降水测量雷达、微波和光学成像仪的FY-3G卫星,可对影响中国大部分地区的台风、暴雨、强对流等灾害性天气系统三维结构进行探测。FY-3G在设计层面上,降水探测能力与目前美国第二代全球降水测量计划(GPM)核心星(GPMCO)相当,在载荷类型、数量、通道设置等方面优于GPMCO卫星。FY-3G业务运行后将与风云三号上午、下午和黎明星等其他极轨气象卫星以及风云高轨静止卫星组成风云降水探测星座体系,提升风云卫星星座的降水总体探测能力,为气象防灾减灾提供更强的基础支撑。     

风云三号气象卫星掩星大气产品精度的初步检验

风云三号气象卫星C星于北京时间2013年9月23日成功发射,其上搭载了中国第一个以掩星方式探测中性大气和电离层大气的民用新型有效载荷——全球导航卫星掩星探测仪(Global Navigation Satellite System Occultation Sounder, GNOS)。GNOS可以接收GPS(Global Positioning System)导航卫星和中国北斗导航卫星信号,进而得到全球范围内的中性大气和电离层大气的探测结果。利用常规无线电探空资料,对GNOS接收GPS信号的掩星探测大气产品(包括折射率、密度、温度以及湿度廓线)进行检验,结果表明:在近地面至25 km垂直范围内,GNOS掩星大气产品折射率廓线和干大气密度廓线的平均偏差在0.5%左右,标准偏差在2%左右;温度廓线的平均偏差约为0.5 K,标准偏差约为2 K;水汽廓线的标准偏差在6 km 以下为0.25—1.0 g/kg。对于风云卫星首次尝试的掩星观测技术,GNOS掩星产品的精度基本达到预定目标,在未来还有改进的空间。     

风云三号卫星微波大气温度探测仪资料偏差订正方法研究

为推动中国风云三号卫星(FY-3A/B)资料在区域数值天气预报中的同化研究,重点研究FY-3A的大气温度垂直探测仪(MWTS)资料的偏差订正问题。在欧洲中期天气预报中心(ECMWF)原全球TOVS辐射偏差订正方案的基础上,结合MWTS资料特征,建立适用于FY-3A卫星MWTS辐射率资料的偏差订正系统,并评价MWTS的偏差订正效果。结果表明:（1） 同纬度带和扫描位置的扫描偏差不同,各通道表现出不同的偏差特征,通道1扫描偏差较大(0~5 K),通道2、3、4较小(0~0.6 K);（2） 扫描偏差订正和气团偏差订正后的观测残差基本符合均值为零的正态分布;（3） 偏差订正后的观测残差标准方差有所降低,这将提高卫星资料对分析场的调整。证明了FY-3A MWTS资料质量较好,具有同化应用的潜力,开发的偏差订正系统可为FY-3A MWTS资料在区域模式中的同化应用提供条件。      

预估临边探测大气温度和水汽廓线的反演精度

针对在研仪器——大气辐射超高光谱探测仪的临边探测模式,模拟计算了大气温度和水汽的权重函数。以此为基础,利用信息量和权重函数线性化方法,结合仪器的可探测亮温阈值0.3 K,计算并分析6种大气状态下,大气温度和水汽混合比廓线在不同反演精度条件下可获得的光谱通道数,在满足最佳光谱通道数200的要求下,理论上预估其反演精度。温度廓线整体反演精度为0.6 K,水汽混合比廓线反演精度可达到5%,但热带大气在16~20 km高度的水汽廓线反演精度仅为10%。反演精度预估,仅提供了一种全面认识仪器性能的方法,精度的确定还有赖于真实探测数据的获取和反演方法。