FY-3B红外分光计亮温观测模拟偏差订正的初步研究

变分同化FY-3B红外分光计(InfraRed Atmospheric Sounder,IRAS)的通道亮温要求亮温观测模拟偏差满足高斯分布。由于卫星数据处理以及数值预报模式等包含的误差不服从高斯分布,因此需要对偏差进行订正。首先对IRAS资料进行云检测等初步质量控制;在统计了IRAS的20个通道亮温之后,发现扫描偏差具有星下点对称性;最后对扫描和气团偏差进行了订正。结果表明,订正后IRAS高层通道1、10以及近地面通道14的偏差绝对值有所增加,水汽通道13和地面通道20的偏差标准差有所增加,其它15个通道亮温观测模拟偏差均值从1.04 K减小到了-0.30 K,相应的标准差从2.28 K减小到了1.99 K。偏差概率分布更具高斯性。     

基于最小剩余法的FY-3B/IRAS资料云检测研究

由于红外探测器的观测易受云的影响及快速辐射传输模式对云亮温的模拟不精确,在同化风云三号B星(Feng Yun-3B)红外分光计(Infrared Atmospheric Sounder, IRAS)的亮温资料时,首先需要进行云检测,以获得晴空视场点或晴空通道信息。基于最小剩余法(Minimum Residual Method, MRM)对IRAS资料进行了云检测研究,该方法不仅能判识视场点是否有云,还能得到视场点的云参数(有效云量)。同时,采用FY-2E卫星云图对云检测效果进行了验证。结果表明,将该方法用于IRAS资料云检测是可行的。     

风云三号气象卫星红外分光计在轨交叉定标精度监测系统

为了满足定量遥感对红外探测仪器定标精度监测的需求,采用风云三号气象卫星红外分光计(IRAS)与国际基准红外高光谱探测仪器进行交叉比对的方法,建立了FY-3C气象卫星红外分光计与高光谱仪器IASI的在轨交叉定标精度监测系统.通过对2014年一年的IRAS观测数据的定标精度监测和分析,结果显示,IRAS与IASI的相关系数均在0.98以上,通道1和18的定标偏差最大,分别为-3.7 K和2.1 K,通道9和16也有超过1K的偏差,其他通道的平均偏差均在1 K以内.地表观测通道8、9、18、19、20由于受卫星观测时空变化频繁的影响偏差标准差较大,在1.5~3 K左右,其他通道观测误差稳定性较好,均在1.5 K以内.通道2、3、4,10~13的定标偏差随目标亮温变化趋势不明显,通道14~20定标偏差随目标亮温变化趋势最强,最低和最高目标亮温对应的定标偏差之间的差别最大可达到5 K.定标偏差的时间序列分析表明大部分通道的定标偏差在一年的时间内保持稳定,变化幅度不超过0.3 K;通道15、19、20的定标偏差变化幅度约为1 K,通道1、14、16、17、18定标偏差一年的变化范围达到2~4 K.总之,在轨交叉定标精度监测系统为实时监测定标精度的变化提供了有效工具,为诊断仪器性能和改进定标方案提供了参考依据.     

“艾利”台风过程中FY-2C与TRMM卫星红外通道信号差异分析

为了了解不同卫星平台上类似仪器探测结果的差异,分析对比了2005年8月27日至9月3日"艾利"台风期间,风云二号C星(FY-2C)自旋扫描辐射器(VISSR)与热带测雨卫星(TRMM)可见光及红外扫描仪(VIRS)中红外和远红外探测结果差异。研究结果表明,70%以上的VISSR和VIRS红外辐射亮温差小于5 K;晴空状况下VIRS较VISSR红外通道平均亮温偏低幅度小于1.5 K;有云情况下远红外通道VIRS比VISSR相应通道亮温平均偏高幅度也小于1.5 K,但中红外通道VIRS与VISSR的亮温差异较大,且随着云顶的升高,差异也增大。     

青海湖地区NCEP资料对风云二号C星热红外通道绝对辐射定标影响研究

为了分析大气廓线中温度和相对湿度变化对风云二号C星(FY-2C)热红外通道定标的影响,分别利用2005年6月25日青海湖场地定标试验的实际探空数据和对应时刻NCEP(美国国家环境预报中心)全球再分析大气廓线资料(简称NCEP资料)对FY-2C热红外通道进行定标计算,两种方法定标结果一致.利用2003年8月的14次青海湖实际探空数据和对应时刻的NCEP资料进行FY-2C热红外通道入瞳辐亮度和亮温的对比计算,利用辐射传输计算软件(MODTRAN 3.7)进行大气廓线对FY-2C热红外通道入瞳辐亮度和亮温的敏感性试验.计算结果表明对于青海湖地区,NCEP资料可用于FY-2C热红外通道的辐射定标计算.     

风云四号红外高光谱GIIRS中波通道亮温偏差订正

变分同化风云四号干涉式大气垂直探测仪（Geostationary Interferometric Infrared Sounder,GIIRS）中波通道亮温偏差要求满足高斯分布,因此需进行GIIRS资料偏差订正。在Harris B A等人提出的“离线”法的基础上,发展了基于随机森林（Random Forest,RF）的GIIRS偏差订正方法。在具体执行过程中,基于风云四号多通道扫描成像辐射计（Advanced Geosynchronous Radiation Imager,AGRI）云产品对GIIRS资料进行了云检测。试验结果表明,经过偏差订正的GIIRS亮温偏差满足高斯分布的假定。与“离线”法相比,RF法的订正效果更好。     

利用TERRA/MODIS对FY-3A/VIRR热红外通道进行交叉定标

针对FY-3A/VIRR传感器定标精度有限,且场地定标机会有限的问题,介绍了利用高精度的TERRA/MODIS 31通道对FY-3A/VIRR 红外4通道进行绝对交叉定标的方法。选用2013年1、3、和9三个月的卫星数据进行了交叉定标计算,并对交叉定标结果进行的验证。结果表明,VIRR利用交叉定标系数计算的通道亮温与MODIS匹配点处的实测结果具有很好的一致性,绝大多数的亮温偏差在1 K以内。对不同月份交叉定标结果进行的验证表明,交叉定标系数具有普遍适用性。     

FY-2B热红外通道星上实时绝对辐射定标

选取了2002年6月24日到8月30日00、06、12、18（世界时）的FY-2B卫星云图，获取这段时间青海湖晴空时的图像共34次，并获取其卫星计数值。利用青海湖自动浮标系统测得的水表温度和NCEP再分析资料的大气廓线,利用MODTRAN3.7计算大气层顶辐亮度和亮温，获得FY-2B热红外通道绝对辐射定标系数，从而计算等效黑体温度。同时获取对应时刻的星上黑体温度、计数值以及星上环境温度。据此建立等效黑体温度和星上黑体温度的转换关系，实现静止气象卫星热红外通道星上实时绝对辐射定标。     

利用MODIS对FY-2E/VISSR红外窗区和水汽通道的交叉绝对辐射定标

介绍了利用高精度的TERRA/MODIS观测资料对FY-2E红外窗区和水汽吸收通道进行绝对交叉定标的方法,并选用2010年5、7和12三个月的卫星数据进行了交叉定标计算.结果表明,交叉定标系数计算亮温与MODIS匹配点处实测结果非常接近,约90％的亮温偏差小于1K,其中高温区结果更稳定,偏差小于低温区,这主要是由于低温区杂散光影响显著造成的.总的说来,借助TERRA/MODIS可以实现对FY-2E/VISSR的高频次高精度的绝对定标,为FY-2E在轨替代定标提供重要的方法基础.     

基于MODIS资料的强对流云团通道特征分析

根据EOS/MODIS多通道遥感数据,针对2006年6月30日20:00～2006年7月1日20:00安徽省北部出现的一次强降水,定性地分析了产生暴雨的强对流云团的特征,揭示了强对流降水云团的云系特征和结构特征,并用地面雨量观测资料开展验证分析.研究结果表明利用MODIS资料对安徽省暴雨的监测是行之有效的方法之一,MODIS云图的云反照率,云顶亮温、两通道反照率差值、云的相态、红外亮温比值、温湿度场的结构与云的降水强度有一致的对应关系,MODIS遥感资料对强对流云团的云特征具有很好的指示作用.     

利用FY-1C资料反演水云的光学厚度和粒子有效半径

利用FY-IC极轨气象卫星扫描辐射计的通道1(0．58—0．68μm)、通道3(3．55—3．95μm)和通道6(1．58—1．64μm)所提供的探测数据进行了水云光学厚度和粒子有效半径的反演试验．在非水汽吸收波段(如通道1)，云的反射函数主要是云光学厚度的函数，而在水汽吸收波段(如通道6)，云的反射函数主要是云粒子大小的函数．因此当云光学厚度较厚时，可利用通道1和通道6反射率，或通道1反射率和通道3亮度温度同时计算出云的光学厚度和有效粒子半径。     

基于FY-3D/MERSI-II远红外数据的火情监测研究

风云三号D极轨气象卫星中分辨率成像光谱仪(FY-3D/MERSI-Ⅱ)具有250 m分辨率的10. 8μm和12μm波长的远红外通道,为气象卫星遥感火情应用提供更为丰富的数据源。文章研究了FY-3D/MERSI-Ⅱ的10. 8μm远红外通道监测火情的特点,10. 8μm远红外通道虽在光谱方面对高温热源探测灵敏度不如FY-3D/MERSI-Ⅱ的3. 8μm中红外通道,但由于空间分辨率较1 km分辨率的中红外通道高4倍,因而对较大的火点有明显反映,火点探测能力较1 km分辨率远红外通道有明显提高。利用混合像元线性波谱分离方法计算,对于平均温度为750 K,面积400 m^2的明火区,在1 km分辨率远红外通道像元引起的亮温增量约0. 47 K,而在250 m分辨率远红外通道像元引起的亮温增量约为7. 30 K,可与周边背景像元亮温形成较明显差异。利用1 km分辨率的中红外通道判识火点范围,利用250 m分辨率的远红外通道进一步确定明火区位置,可将火点定位精度从公里级提高到百米级。利用该方法开展了森林草原火灾应用实例分析,基于250 m分辨率远红外通道确定的火点位置与实地考察信息吻合较好,说明了提出方法的有效性。多个应用实例表明,在反映大范围火场中较强火势区域位置和草原火灾明火线分布等方面,FY-3D/MERSI-Ⅱ远红外通道较中红外通道具有明显优势,可以更加精细化和准确的反映火情的空间分布,在火情监测方面具有实际应用价值。     

高光谱GIIRS中波通道的最优选择及其对云检测的影响

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪（Geostationary Interferometric Infrared Sounder,GIIRS）中波通道的最优选择是有效变分同化此资料的关键技术之一,能减少冗余信息所引起的变分同化和反演的不适定性。将通用的熵减法（Entropy Reduction,ER）用于GIIRS通道优选。此外,由于红外探测器观测容易受云影响,在变分同化GIIRS亮温资料时,需要进行云检测以获得晴空视场点或云参数信息。采用最小剩余法对GIIRS资料开展了云检测研究。该方法不仅能判识视场点是否有云,而且还能得到视场点的有效云量和有效云顶气压信息。但检测精度受不同通道组合的影响,因此基于台风“利奇马（2019）”资料进一步探讨了该影响。     

红外卫星资料的云检测对台风数值模拟的影响

为提高红外卫星资料的利用率,需将更多的资料同化进入数值预报模式初始场,尽量减小云污染的影响。针对大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)卫星资料,用云检测方法识别了云顶高度。在验证该方法的有效性之后,在大范围卫星视场的含云区域中保留所有云顶以上的通道,并将这些通道的亮温数据同化进入数值预报模式初始场,通过对比分析不同方案下台风的模拟路径来评估云检测方法对台风数值模拟的影响。结果表明,该云检测方法的效果较好,检测出的晴空区及云区的分布与实际观测对应,检测得到的高云顶区域与台风云系的对应性较好。将云顶以上的通道亮温加以利用后,红外卫星资料的利用率得到很大提高,数据是原数据量的2.4倍。在台风路径模拟方面,同化云层以上的通道数据后,数据量的增加使路径模拟变得更精确了,与观测值明显接近。     

CRTM云模式的建立与敏感性试验

云污染会严重影响云区辐射的模拟,导致大量云区卫星资料被废弃。结 合快速辐射传输模式(Community Radiative Transfer Model, CRTM)的应用现状以及 红外遥感原理,对CRTM模式中的辐射传输模块进行了修改,并提出了能够模拟云 区红外辐射的CRTM云模式。利用CRTM云模式模拟了高光谱大气红外探测 器(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)的通道亮温,并针对云模式中新增的参数进行了 敏感性分析。结果表明,随着通道高度的下移,对卫星接收辐射贡献较大的大气层也在下移,偏 差大值区所处的高度也越来越低;在偏差大值区中,偏差值会随着云量的增加而增大,直到全云覆盖时,偏 差值最大;云量较大时,输入的温度廓线的垂直变化会引起云顶发射辐射产生相同的垂 直分布,这与用CRTM云模式模拟出的亮温随云顶高度抬升而出现的垂直变化一致;用CRTM云模 式模拟的亮温值对新增的云量和云顶高度参数的敏感性较强,符合大气红外辐射传输的规律。     

风云三号D星微波温度计条带噪声抑制研究

利用主成分分析法(Principal Components Analysis, PCA)分析了风云三号D星微波温度计(Microwave Temperature Sounder, MWTS)观测数据中条带噪声的分布特征,描述了存在条带噪声的主要模态。基于集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)方法对存在条带噪声的模态所对应的时间系数进行了分解并滤波。通过重构观测亮温实现了对条带噪声的抑制。在定性验证条带噪声抑制效果的基础上,通过将观测亮温与模态亮温进行比较来定量评估条带噪声抑制后的数据精度。统计结果表明,经过条带噪声抑制后,观测亮温与模态亮温的标准差减小约0.018 K,进一步提升了MWTS的数据精度。