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AIRS产品分析中国地区近地面甲烷浓度时空特性

甲烷(CH4)作为仅次于二氧化碳(CO2)的第二大温室气体,不仅在全球和区域尺度光化学反应中起着重要作用,而且在能量收支平衡及气候变化方面有着重要的影响。2013年,Auqa/EOS的大气红外探测仪(AIRS)热红外近地表CH4产品在AIRS Version6.0产品中发布,其结果尚未在中国进行验证,利用热红外传感器分析中国近地表CH4浓度的时空分布还处于初始阶段。本文利用中国青海瓦里关(WLG)、中国台湾鹿林山(LLN)及蒙古乌兰乌勒(UUM)地基观测资料对AIRS V6.0近地面CH4浓度产品进行了验证,误差在2%以内,二者相关系数r分别为0.68、0.5、0.69,变化趋势一致,进而从地域、季节变化和年际变化3个方面探讨了2003年—2013年中国地区近地面CH4浓度的时空分布特征。结果表明:CH4浓度最低值位于西藏地区(1800 ppbv),高值区位于新疆维吾尔自治区北部、内蒙古自治区及黑龙江北部(1920 ppbv);夏季高,冬季低,季节性变化明显,年际变化基本上呈增长趋势。     

RETRIEVING ATMOSPHERIC SOUNDING PROFILES AROUND TYPHOON YUNNA USING INFRARED HYPERSPECTRAL MEASUREMENTS AIRS

In this study,we derived atmospheric profiles of temperature,moisture,and ozone,along with surface emissivity,skin temperature,and surface pressure,from infrared-sounder radiances under clear sky (cloudless) condition.Clouds were detected objectively using the Atmospheric Infrared Sounder under a relatively low spatial resolution and cloud-mask information from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer under a high horizontal resolution;this detection was conducted using space matching.Newton’s nonlinear physical iterative solution technique is applied to the radiative transfer equation (RTE) to retrieve temperature profiles,relative humidity profiles,and surface variables simultaneously.This technique is carried out by using the results of an eigenvector regression retrieval as the background profile and using corresponding iterative forms for the weighting functions of temperature and water-vapor mixing ratio.The iterative forms are obtained by applying the variational principle to the RTE.We also compared the retrievals obtained with different types of observations.The results show that the retrieved atmospheric sounding profile has great superiority over other observations by accuracy and resolution.Retrieved profiles can be used to improve the initial conditions of numerical models and used in areas where conventional observations are sparse,such as plateaus,deserts,and seas.     

Atmospheric profile retrieval with AIRS data and validation at the ARM CART site

The physical retrieval algorithm of atmospheric temperature and moisture distribution from the Atmospheric InfraRed Sounder （AIRS） radiances is presented. The retrieval algorithm is applied to AIRS clear-sky radiance measurements. The algorithm employs a statistical retrieval followed by a subsequent nonlinear physical retrieval. The regression coefficients for the statistical retrieval are derived from a dataset of global radiosonde observations （RAOBs） comprising atmospheric temperature, moisture, and ozone profiles. Evaluation of the retrieved profiles is performed by a comparison with RAOBs from the Atmospheric Radiation Measurement （ARM） Program Cloud And Radiation Testbed （CART） in Oklahoma, U. S. A.. Comparisons show that the physically-based AIRS retrievals agree with the RAOBs from the ARM CART site with a Root Mean Square Error （RMSE） of 1K on average for temperature profiles above 850 hPa, and approximately 10% on average for relative humidity profiles. With its improved spectral resolution, AIRS depicts more detailed structure than the current Geostationary Operational Environmental Satellite （GOES） sounder when comparing AIRS sounding retrievals with the operational GOES sounding products.     

青藏高原上空甲烷的时空分布特征及其夏季高值形成机制分析

利用搭载在美国Aqua卫星上的大气红外探测仪(AIRS)观测资料反演的全球甲烷(CH_4)产品和NCEP再分析资料,分析了2003~2014年青藏高原上空CH_4的时空变化特征,探讨了夏季CH_4高值变化与季风的关系。研究结果表明:就青藏高原整体而言,CH_4浓度随高度增加递减;对流层中高层CH_4含量季节变化较为明显,其平均浓度在7~9月处于高值,6月、10月次之,其余月份处于低值。2003~2014年CH_4含量呈逐年上升趋势,年增长率约为4.66ppb(10-9)。高原上空CH_4空间分布分析显示,高原北部CH_4浓度高于南部地区。夏季风期间,随着高原上的强对流输送和上空南亚高压的阻塞,对流层中高层CH_4浓度明显增加并不断积累,在8月底至9月初出现最大值。在分析季风指数的基础上发现,夏季季风影响下的强对流输送是高原对流层中高层CH_4高值形成的主要原因之一,对流层中高层CH_4浓度最大值出现时间较季风指数的峰值滞后约半至一个月,随着夏季风的撤退,CH_4浓度高值迅速降低。     

AIRS资料质量控制对飓风路径模拟的影响试验

对WRFDA模式中AIRS亮温资料质量控制方案进行了检验,并以美国Earl飓风为例进行数值试验,研究了质量控制方案对飓风路径模拟的影响。试验结果表明:WRFDA模式中11条质量控制原则对红外高光谱AIRS亮温资料的同化效果影响很大,不论是加入逐条质量控制原则,还是缺席某条质量控制原则,飓风路径的模拟情况都比不上控制试验;而在所有质量控制原则都加入之后,在大部分模拟时段内同化试验中模拟的飓风路径偏差都要小于控制试验,而且同化试验中最大路径偏差也小于控制试验。不同的质量控制原则对观测资料的过滤能力也不一样,其中地表发射率Jacobian分量检测、临边检测、云检测和SST检测等4个质量控制原则剔除卫星资料数量相对较多。本文中AIRS亮温资料质量控制方案的对比试验,可以为中国发展红外高光谱卫星系统提供非常有益的借鉴和参考。     

大气二氧化碳遥感反演精度检验及时空特征分析（可下载全文）

 利用卫星遥感探测大气二氧化碳(CO₂)浓度,相比传统的地面观测方法,具有稳定、连续、大尺度观测等诸多优点,能更好地获得全球CO₂的时空分布与变化特征。随着卫星遥感技术的发展,一系列具备大气CO₂探测能力的卫星相继发射升空,大气制图扫描成像吸收光谱仪(SCIAMACHY)、温室气体观测卫星(GOSAT)、大气红外探测仪(AIRS)等卫星传感器,已经获得了多年的全球CO₂浓度分布产品。对这些卫星资料进行对比分析,并与本底观测数据进行全球范围的长时间序列的对比验证。研究显示,3种CO₂卫星遥感产品中,SCIAMACHY数据系统性略高于本底数据,且观测范围局限性较大;GOSAT数据稳定性较好,但系统误差较大,平均低于本底数据近9ppmv;AIRS数据产品相比前两者优势突出,单月全球覆盖率达到90%左右,与本底观测数据平均误差小于2ppmv(0.5%),相关系数达到0.9以上,能够较好地反映全球大气CO₂浓度的时空特征。卫星遥感产品与本底观测资料显示,全球CO₂浓度空间分布呈现出明显的纬度分布规律与海陆分布规律,时间变化规律方面则表现出明显的季节性周期变化。     

Study on the association of green house gas (CO2) with monsoon rainfall using AIRS and TRMM satellite observations

Monsoon water cycle is the lifeline to over 60 per cent of the world’s population. Throughout history, the monsoon-related calamities of droughts and floods have determined the life pattern of people. The association of Green House Gases (GHGs) particularly Carbon dioxide (CO₂) with monsoon has been greatly debated amongst the scientific community in the past. The effect of CO₂ on the monsoon rainfall over the Indian–Indonesian region (8–30°N, 65°–100°E) is being investigated using satellite data. The correlation coefficient (R_xy) between CO₂ and monsoon is analysed. The R_xy is not significantly positive over a greater part of the study region, except a few regions. The inter-annual anomalies of CO₂ is identified for playing a secondary role to influencing monsoon while other phenomenon like ENSO might be exerting a much greater influence.     

2002~2005年长白山火山气体的释放特征与地球化学异常研究——多源高光谱遥感证据

长白山火山区是我国具有潜在喷发危险的活火山,在2002~2005年火山活动性增强出现了岩浆房扰动。利用卫星遥感技术具有观测范围大、观测时间长且连续的优势。因此,本文利用对流层污染探测仪（MOPITT）和大气红外探测仪（AIRS）高光谱遥感数据提取了2002~2005年长白山天池火山区CO总量、O₃总量、水汽总量和地表温度异常信息,讨论了高光谱遥感气体地球化学异常信息与火山活动性之间的关系,并对2002~2005年长白山天池火山区火山活动性进行了研究。结果表明,高光谱遥感数据观测到的气体地球化学（CO、O₃、水汽）异常与地震、形变监测结果以及地面流体（CO₂、He、H₂）观测结果相一致,表明MOPITT和AIRS高光谱遥感卫星观测到的气体异常变化较好地反映了2002~2005年大规模的深部岩浆局部扰动。在2002~2005年火山活动期间,CO总量、O₃总量、水汽总量和地表温度均出现了显著异常且异常出现时段相应准偏差显著增大,反映了气体逸出量在时间上具有不均一性,可能与火山、地震活动过程中地应力的作用和变化有关。从气体异常持续的时间以及地面观测结果综合分析,2002~2005年岩浆房扰动并没有产生长时间的地幔物质流的上升和迁移。在火山活动性增强的时间段内,地表温度出现异常低值,这可能与太平洋板块俯冲过程中引起的断裂拉张增强有关。此外,火山活动过程中逸出的气体进入大气圈产生大气化学反应也会导致高光谱遥感所观测到的气体地球化学异常。研究结果为2002~2005年长白山火山活动性的研究提供了来自高光谱遥感数据的气体地球化学新证据,也对高光谱分辨率遥感数据在火山活动规律的研究以及火山监测中的应用具有一定意义。     

墨西哥下加利福尼亚M_W 7.2地震前后CO遥感地球化学异常

利用AIRS产品数据提取了2010年4月4日墨西哥下加利福尼亚MW7.2地震前后震中及其附近CO总量和CO体积混合比随时间变化的信息,讨论了CO气体地球化学变化与地震活动的关系。数据表明,下加利福尼亚地震前约一个月CO总量升高,高出前两年同期平均值2～4×1017 mole/cm2,在地震发生前后CO总量和近地表CO体积混合比有波动现象,且8日平均数据的标准偏差增大,约为非地震时段的2倍。该现象应该归因于地震孕育发生过程中地应力作用使岩石圈脱气增强、大气电磁和化学反应引起的CO含量的增加。研究结果表明利用卫星高光谱遥感数据提取与地震有关的CO气体地球化学信息,对地震监测预报有重要意义。