基于响应率修正的傅里叶变换光谱仪非线性校正算法研究

傅里叶变换高光谱仪器在定量化遥感领域展现出极大的优势,非线性校正是保证在轨辐射定标精度不可缺少的过程。针对搭载于风云四号静止轨道干涉式红外探测仪（FY-4/GIIRS）运行轨道受日晒分布不均匀、仪器环境温度日变化剧烈的特点,推导出一种基于仪器光谱响应率修正的非线性校正算法,通过测量一组标准参考辐射源光谱量化值和光谱响应率,拟合得到光谱响应率一次项修正系数。在仪器环境温度变化后,利用一次项修正系数、黑体观测光谱值和黑体观测光谱响应率重新计算光谱响应率常数项修正系数,就可以得到任意仪器环境温度下的仪器非线性校正系数。经仪器发射前地面热真空（TVAC）定标试验数据验证,该算法简单有效,在各试验环境温度工况下,对180～320 K观测范围内的辐射定标精度均有明显的提高。     

红外高光谱大气探测仪（FY-3E/HIRAS-II）在轨数据非线性校正方法

风云三号E星（FY-3E）搭载的高光谱大气探测仪（HIRAS-II）能够实现大气的垂直探测，具有高光谱、高灵敏度、高精度的特点。仪器在轨之后由于仪器衰减和环境变化的原因产生非线性响应，影响在轨定标精度。针对非线性响应的问题，提出了一种基于带内光谱的非线性校正方法。首先基于带外低频光谱的非线性特征求解非线性校正系数，将此系数作为初值输入到辐射定标模型中，以星上测量的黑体带内光谱与理想光谱的偏差为目标函数，通过迭代优化非线性校正系数。通过辐射定标实验得出，校正后的黑体亮温偏差明显低于未校正和基于带外光谱的校正方法。将HIRAS-II的观测数据与IASI进行交叉比对并计算平均亮温偏差和偏差绝对值，经过带内校正法非线性校正后的亮温平均偏差为-0.13K，优于带外校正方法。     

基于信息容量的FY-4A/GIIRS红外光谱探测能力 研究

利用LBLRTM逐线积分模式开展不同大气状况条件下各大气参数在FY-4A/GIIRS红外通道的光谱敏感性分析,在此基础上,以信息熵和自由度为判据,对FY-4A/GIIRS高光谱探测资料所包含的温度、水汽、臭氧等大气参数信息容量进行定量化描述,从而评估FY-4A/GIIRS对大气参数的可反演能力.研究结果表明:(1) FY-4A/GIIRS长波波段对温度和水汽的敏感度与大气状况相关,而对臭氧的敏感度在不同大气状况条件下差异不大;(2)初步揭示了FY-4A/GIIRS具备大气温湿和臭氧廓线反演的应用潜力,在相同大气条件下,FY-4A/GIIRS红外光谱所包含的温度信息容量最大,水汽其次;(3)在热带大气条件下,FY-4A/GIIRS所包含的温度和水汽信息容量最丰富.     

FY-4A GIIRS数据探测大气水汽和臭氧的垂直空间特性评估

红外高光谱大气垂直探测仪数据的垂直空间特性由探测仪光谱性能指标间接决定,并与所关注的大气参数及其变化有并。本文在剔除大气参数探测信噪比过低的无效通道的基础上,针对FY-4A卫星红外高光谱大气垂直探测仪GIIRS数据对水汽和臭氧变化响应的峰值高度、高度分辨率、垂直不对称性及垂直覆盖范围进行了评估,并与大气温度探测的垂直空间特性评估结果进行对比分析。结果表明:1)和大气温度一样,FY-4A GIIRS对大气水汽具有垂直分布探测能力,水汽探测垂直覆盖12 km以下对流层(探测峰值高度在11 km以下),而大气温度探测覆盖整个对流层和平流层中下层;2)FY-4A GIIRS对臭氧具有10～21km高度范围臭氧总量探测能力,探测峰值高度集中在16.4 km附近。本研究有助于从探测垂直空间特性角度把握FY-4A GIIRS红外高光谱数据应用能力。     

风云四号A星红外高光谱大气垂直探测仪观测资料质量评估

评估星载红外高光谱仪器观测资料的质量可以推进其在数值天气预报中的应用。使用2020 年 7 月 FY-4A 红外高光谱干涉式大气垂直探测仪 (Geostationary Interferometric Infrared Sounder, GIIRS)观测数据，分析GIIRS所有通道观测噪声随视场和纬度的变化、偏差 (观测亮温与辐射传输模式模拟亮温的差) 随时间、视场、纬度和天顶角的分布来评估 GIIRS 观测资料质量。研究结果表明:波段727.5~733.8 cm?1、1107.5~1130 cm?1和1650~1776.9 cm?1的观测噪声超出仪器灵敏度设计指标，且这些通道的偏差和偏差标准差明显大于其他通道；除了长波观测噪声大的通道外，其余通道噪声等效温差NEdT在32×4阵列上均呈“中间小，两边大”的特征，且NEdT的分布不随纬度带和FOR阵列而改变，在进行GIIRS资料同化或变分反演时，其观测误差只用考虑不同通道在32×4阵列内的NEdT分布；由于数值预报模式的地表温度在白天时值偏低，使得模拟辐射量偏低，造成偏差绝对值减小，使偏差有明显的日变化；中波通道偏差特征基本不随32×4面阵的列而改变，主要与阵列中的行有关，在中波通道进行偏差订正时可以针对32×4面阵中行开展，基本不需要纬度带和卫星天顶角的订正。     

FY-4A大气垂直探测仪 (GIIRS) 温度探测通道优选

针对中国第二代静止气象卫星风云四号(FY-4A)的干涉式大气垂直探测仪(GIIRS),从信息容量的角度,运用分步迭代法,以及精确型辐射传输模式LBLRTM,进行温度探测通道优选试验。计算得到在全球范围反演温度廓线的56个优选通道以及FY-4A探测范围的58个优选通道,所选通道自身信息容量较高,相互之间相关性小,可应用于大气温度廓线反演和数据同化研究。     

FY-4A/GIIRS大气温度廓线产品质量评估

我国风云四号A星（FY-4A）携带高光谱红外干涉式大气探测仪（Geostationary Interferometric Infrared Sounder, GIIRS）首次实现了地球静止轨道红外高光谱探测,可连续获得大气温湿度廓线信息。基于常规无线电探空资料,从产品的探测能力和精度方面对2020年FY-4A/GIIRS大气温度廓线产品开展质量评估,为产品应用和算法研究提供参考。结果表明：FY-4A/GIIRS反演大气温度廓线探测能力在高度层次和月份统计上受云活跃度影响较大;晴空条件下大气整层均方根误差约为2 K,700～1 000 hPa的大气低层较大,约2.5 K,偏差整层以负值为主;月尺度质量评估可见夏秋两季明显优于冬春季,有利于灾害性天气多发季节的监测;有云条件下单个像元的温度廓线误差显著增大,采用多像元Cressman客观分析可有效提高产品可用性;低海拔地区温度廓线产品质量整体优于高海拔地区,可极大地弥补我国东部、南部地区以及广阔的洋面上的探空资料的不足。     

风云二号B星星载扫描辐射计水汽通道定标方法

FY-2B静止气象卫里扫描辐射计水汽通道发射前定标在实验室真空罐内进行．发射在轨后，可以利用里上黑体监视探测器性能变化，但由于呈上黑体光路与目标光路不同，无法进行水汽通道的在轨全光路定标．介绍了FY-2B水汽通道的发射前定标、利用在轨电定标确定量化关系进行的定标处理以及与NOAA-17卫里HIRS／3通道12的相对定标方法．     

干涉图零光程差位置的确定方法

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪在轨运行以来发现,受噪声、采样误差、条纹计数错误等影响,干涉图零光程点会发生定位偏差.干涉条纹平移引起的相位误差与波数成线性关系,对残余相位进行线性回归分析可以得到零光程差位置的偏移量.利用在轨实测数据,应用残余相位方法,分析了零光程点定位偏差校正前后对相位谱及辐射光谱的影响.该方法已经应用于风云四号A星干涉式大气垂直探测仪的在轨数据预处理中,并取得了很好的应用效果.     

基于FY-3E星载红外观测的交叉定标匹配不确定性分析

星载红外高光谱传感器与多通道光谱传感器在轨交叉定标时能够提升数据精度和质量,交叉定标样本通常采用星下点交叉方式匹配筛选,包括空间、时间、观测几何角度和光谱匹配,匹配误差的不确定性将对最终交叉定标精度产生影响。采用FY-3E同平台红外高光谱大气探测仪HIRAS-II和中分辨率光谱成像仪MERSI-LL均匀晴空背景进行观测,根据视线向量匹配HIRAS-II星下点瞬时视场内的MERSI-LL像素,分别通过模拟视场偏移、观测天顶角偏差和光谱响应函数变化单独分析空间、观测几何角度和光谱匹配误差引入的匹配不确定度。结果表明,空间失配引起观测背景辐射亮温变化,偏移一半像元视场时的相对不确定度约为10%,达到一个像元时为25%～30%;观测几何角度失准引起光谱辐射亮温变化,观测天顶角偏移20°时的不确定度优于0.2%;光谱响应函数差异引起光谱等效辐射亮温变化,响应函数发生展宽时对吸收通道的不确定度最大约为2.5%,窗区通道为0.4%,收缩时的不确定度整体优于0.3%,平移引起的不确定度相对较小,移动5倍波长间隔时优于0.1%。