卫星高光谱红外大气探测的正演模拟研究

利用精确的红外大气辐射传输计算模型KCARTA,模拟计算了光谱分辨率、通道光谱响应函数、光谱定标精度、大气倾斜路径和表面发射率对高光谱观测亮温的影响.正演计算的结果表明：1）提高光谱分辨率明显增加了可探测的大气亮温;2）各种内、外部因素的变化对高光谱仪器将产生远较低光谱仪器更大的观测亮温差.本研究可为我国高光谱大气探测仪器的设计以及高光谱大气探测反演算法研究的开展提供科学的参考依据.     

利用RTTOV7快速辐射传输模式模拟风云二号红外和水汽成像通道辐射率的研究

为使RTTOV7能模拟FY2B红外、水汽通道辐射率,综合GENLN2计算的6个卫星天顶角的600-3000 cm-1的精确大气透过率,以及这两个通道的光谱响应函数,采用多元线性回归方法计算出适当的透过率系数.利用新的透过率参数,以相同的大气廓线作输入参量,对FY2B和GMS5的模拟分析表明,RTTOV7能得到相似的模拟亮温.利用ECMWF预报廓线以及新的透过率参数模拟FY2B水汽和红外亮温与实际观测的误差对比分析表明该模式能在短时间内以较高的精度模拟该卫星通道的辐射观测.     

FY-3气象卫星中分辨率光谱成像仪和扫描辐射计11μm红外窗区通道的比较

在中国新一代气象卫星风云三号搭载的遥感器中,不同遥感器设有相近的通道.针对扫描辐射计(VIRR)第四通道(波段范围10.3~11.3μm)和中分辨率光谱成像仪(MERSI)第五通道(中心波长11.25μm),应用精确的逐线辐射传输模式(LBLRTM)模拟计算了红外波段8~14μm大气顶向外出射的光谱辐射率,大气廓线采用ECMWF再分析产生的具有代表性的全球52条大气廓线数据集.结合上述两个通道的光谱响应函数,计算了卫星接收到的大气顶出射辐射,从理论上分析了两个通道观测亮温之间的关系.应用2008年9月青海湖辐射校正场FY-3实际观测数据,检验了两个通道的关系.比较结果表明:LBLRTM模拟计算得到的MERSI和VIRR两个红外窗区通道的亮温有较好的一致性和线性关系,MERSI稍低于VIRR,偏差随温度的升高而线性增加.实际观测数据受诸多因素的影响,通道对比结果与理论模拟有一定的差异,VIRR观测亮温低于MERSI.结合MODIS的观测数据,分别与两个通道的观测结果进行了对比,确认了VIRR可能较低地估计了温度,MERSI与MODIS的符合程度在温度探测的绝对精度范围之内.该研究结果有助于评价MERSI和VIRR两个红外相似通道观测结果的异同性.     

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.     

基于MODIS红外通道的辐射传输计算

通过建立地气系统的红外辐射传输方程,基于MODIS红外通道进行辐射传输计算.利用快速精确的透过率模型PFAAST计算大气透过率,在红外辐射传输计算中考虑了地面反射大气辐射亮度的影响,指出地面反射大气辐射亮度在整个方程所占比重随着地表发射率变小而增加,其中MODIS第33通道对发射率的改变最为敏感,美国标准大气下,当发射率ε=0.65时,比重达到7.12%,因此,忽略地面反射大气辐射亮度,直接影响红外辐射传输计算的准确性.模拟了MODIS各红外通道辐射亮度,并与MODTRAN4.0模拟结果比较,相对误差不超过0.12%,模拟了大气倾斜路径对卫星红外通道观测亮温的影响.     

基于微波高光谱技术的数据仿真及参数反演研究

发展高光谱微波辐射计对于提升大气参数反演精度具有重要意义。利用微波辐射传输模型mpm93以及BP 神经网络方法分别构建正演上行辐射亮温和反演大气温度廓线的模型,并研究了晴空条件下高光谱微波辐射计反演大气温度廓线的精度。54～58 GHz、64～68 GHz 在氧气吸收波段选取80 个通道作为高光谱通道,基于2015 年5～12 月昆明的探空资料进行正、反演仿真实验。选取微波成像仪/ 探测仪(SSMIS)的9 个温度探测通道进行对比实验,评估分析反演效果。实验结果表明:在大气3～10 km 高度范围内,高光谱通道的反演精度较SSMIS 提高了0.3 ～0.6 K;在0～3 km 高度范围内,反演精度提高了1 K。     

基于FY-3C/MWHTS资料的海洋晴空大气温湿廓线反演方法研究

针对搭载于风云三号C星(FY-3C)上的微波湿温探测仪(Microwave Humidity and Temperature Sounder, MWHTS), 建立了海洋晴空大气条件下温湿廓线同时反演的一维变分反演系统.通过对影响反演精度的各个因素进行分析, 确立了该系统的输入参数.对于FY-3C/MWHTS观测亮温与快速辐射传输(Radiative Transfer Model for TOVS, RTTOV)模型的模拟亮温之间的偏差和角度依赖性, 采用逐像元统计回归校正方法进行校正.选择西北太平洋海域晴空条件下的校正亮温数据进行温湿廓线的反演, 并利用欧洲中期天气预报中心再分析数据集对反演结果进行验证, 结果表明:反演的温度廓线和相对湿度廓线的最大平均偏差分别为1.09 K和5.4%, 最大均方根误差分别为1.48 K和22.69%, 与未校正亮温的反演结果相比, 温度廓线的均方根误差最大可减小1.56 K, 湿度廓线的均方根误差最大可减小14.71%.反演温湿廓线与背景廓线的精度对比表明:反演的温度廓线在10~70 hPa、300~350 hPa和700~850 hPa内的精度高于背景廓线的精度, 而反演湿度廓线的精度除了825~875 hPa, 其他范围均高于背景廓线的精度, 因此FY-3C/MWHTS观测亮温的反演结果可进一步提高预报廓线精度.     

红外高光谱探测CO_2柱总量的敏感性分析

利用辐射传输模型MODTRAN5模拟计算了红外高光谱仪在光谱分辨率、光谱定标精度、地面反射率、大气廓线以及辐射分辨率对CO_2气体含量探测敏感性的影响,同时定义探测辐亮度随气体含量改变的变化量指标S值,并对探测灵敏度、光谱分辨率和信噪比SNR的关系进行了综合分析。为我国红外高光谱大气探测仪的设计以及高光谱大气成分反演研究的开展提供重要的科学依据。对CO_2柱总量反演通道的选择和实现CO_2气体探测敏感参数分析具有重要的参考价值。     

部分云覆盖下红外辐射传输模型及对火山灰云的敏感性研究

针对我国新一代地球同步气象卫星FY-4的预期发射和数据应用,本文借助与FY-4卫星成像仪类似的Meteosat-8卫星的SEVIRI仪器数据资料开展先期研究,建立了一种部分云覆盖条件下红外辐射传输模型,模拟了不同大气条件、火山灰云高度、有效云量和观测天顶角情况下卫星观测的红外通道的亮度温度的变化。美国标准气候态大气廓线和火山灰区实时大气廓线两种模拟结果都表明,模型模拟的8.3~9.1μm,9.8~11.8μm,11~13μm,12.4~14.4μm的入瞳亮度温度对云高度、有效云量较为敏感,基本呈线性相关;卫星天顶角对模拟的辐射亮温的影响相对较小。通过不同大气廓线状态和火山灰云发射率情景下的测试结果表明,只有同时考虑大气条件和火山灰云通道发射率的差异后,模式才能够较好地模拟出火山爆发情景下火山灰云中酸性物质在11μm和12μm的反吸收特性。与大气条件相比,通道的发射率差异对火山灰云的遥感建模更为重要。因此,可在传统的分裂窗通道的基础上,通过热红外多通道亮温及亮温差异信息联合反演火山灰云高度和有效云量等因子,提高部分覆盖下火山灰云的微物理参数的反演精度。本研究为建立基于我国新一代静止气象卫星FY-4数据的火山灰云浓度定量反演模型提供了理论基础。     

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。     

通用大气辐射传输软件(CART)分子吸收和热辐射计算精度验证

为检验通用大气辐射传输软件CART分子吸收和热辐射的计算精度,利用精确的逐线积分法（LBLRTM）和广泛使用的中分辨率大气传输模式（MODTRAN4.0）,就CART软件计算的晴空大气分子吸收透过率和热辐射进行对比验证。模拟了水平距离、观测天顶角和观测点高度对光电工程各观测波段内平均大气透过率和积分辐射的影响特性。结果表明:CART软件分子吸收的计算精度优于MODTRAN4.0软件,大气热辐射的计算精度和MODTRAN4.0相当。     

大气辐射传输模拟器(ARTS)软件的介绍

随着气候变化、环境监测、大气遥感等领域的发展,大气辐射传输研究的重要性日益凸显,往往需要进行辐射传输模拟,计算大气透过率、光谱辐亮度等参数、进行部分气象要素的反演等,因此亟需发展快速精确、普遍适用的辐射传输模式。主要介绍了一种高度模块化、广泛适用的辐射传输模式--ARTS(the atmospheric radiative transfer simulator),介绍了模式的研制背景、主要功能、计算流程、应用领域等,并给出了部分模拟实例的结果。目前,该辐射传输模式已成功应用于Odin/SMR、MASTER与SOPRANO等探测器的正向模拟与反演系统。     

通用大气辐射传输软件CART在场景计算中的应用（特邀）

研制了通用大气辐射传输软件CART,可以根据大气参数计算可见光到远红外波段的大气光谱透过率和背景辐射（包括环境散射太阳辐射和热辐射）。光学工程特别关注某一波段的大气透过率随天顶角、距离等参数的多维变化,需要快速计算这些场景变化的大气光学特性。介绍了CART新增的大气辐射传输二维场景计算功能。引入离散坐标法（DISORT）模块,一次计算可同时得到各方位角和天顶角的多次散射辐射强度,大大提高了计算效率。对于大气透过率和热辐射随空间位置的变化缓慢的特点,采用抽样计算、样条插值的方法,在保持计算精度基本不变的情况下,大大节省了计算时间。对于场景计算,相对于逐点串行计算,速度提高了2~3个量级。这在实际工程应用的大气辐射传输场景计算中将有重要的应用。     

Scaling-up and model inversion methods with narrowband opticalindices for chlorophyll content estimation in closed forest canopieswith hyperspectral data

Radiative transfer theory and modeling assumptions were applied at laboratory and field scales in order to study the link between leaf reflectance and transmittance and canopy hyper-spectral data for chlorophyll content estimation. This study was focused on 12 sites of Acer saccharum M. (sugar maple) in the Algoma Region, Canada, where field measurements, laboratory-simulation experiments, and hyper-spectral compact airborne spectrographic imager (CASI) imagery of 72 channels in the visible and near-infrared region and up to 1-m spatial resolution data were acquired in the 1997, 1998, and 1999 campaigns. A different set of 14 sites of the same species were used in 2000 for validation of methodologies. Infinite reflectance and canopy reflectance models were used to link leaf to canopy levels through radiative transfer simulation. The closed and dense (LAI>4) forest canopies of Acer saccharum M. used for this study, and the high spatial resolution reflectance data targeting crowns, allowed the use of optically thick simulation formulae and turbid-medium SAILH and MCRM canopy reflectance models for chlorophyll content estimation by scaling-up and by numerical model inversion approaches through coupling to the PROSPECT leaf radiative transfer model. Study of the merit function in the numerical inversion showed that red edge optical indices used in the minimizing function such as R₇₅₀/R₇₁₀ perform better than when all single spectral reflectance channels from hyper-spectral airborne CASI data are used, and in addition, the effect of shadows and LAI variation are minimized     

An atmospheric correction algorithm for thermal infraredmultispectral data over land-a water-vapor scaling method

Thermal infrared (TIR) multispectral data over land can be atmospherically corrected by radiative transfer calculations combined with global assimilated data from a weather forecast system. This approach is advantageous to operational processing but is not accurate. A new atmospheric correction algorithm with global assimilated data, a water vapor scaling (WVS) method, has improved results. In this algorithm, the accuracy of global assimilated data is markedly improved on a pixel-by-pixel basis as follows: (1) selecting gray pixels from an image; (2) estimating the scaling factors for the water-vapor profiles of gray pixels by an improved multichannel algorithm; (3) estimating the scaling factors for the water-vapor profiles of nongray pixels by horizontal interpolation; and (4) improving the water-vapor profiles of all pixels with the scaling factors. The proposed method can be applied if the image has one or more gray pixels. The simulation results for the advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer (ASTER) TIR subsystem show that the proposed method reduces errors on air temperature profiles as well as on water-vapor profiles and is as accurate as atmospheric correction with radiosonde measurements     

Land-surface temperature measurement from space: physicalprinciples and inverse modeling

To apply the multiple-wavelength (split-window) method used for satellite measurement of sea-surface temperature from thermal-infrared data to land-surface temperatures, the authors statistically analyze simulations using an atmospheric radiative transfer model. The range of atmospheric conditions and surface temperatures simulated is wide enough to cover variations in clear atmospheric properties and surface temperatures, both of which are larger over land than over sea. Surface elevation is also included as the most important topographic effect. Land covers characterized by measured or modeled spectral emissivities include snow, clay, sands, and tree leaf samples. The empirical inverse model can estimate the surface temperature with a standard deviation less than 0.3 K and a maximum error less than 1 K. A band in the region from 10.2 to 11.0 μm will usually give the most reliable single-band estimate of surface temperature. A band in either the 3.5-4.0-μm region or in the 11.5-12.6-μm region must be included for accurate atmospheric correction     

大气超高光谱探测仪临边辐射计算的误差分析——四种大气成分的不确定性实验

利用RFM 模式, 模拟计算了大气红外超高光谱探测仪探测的辐射传输中四种主要大气成分( CO₂、O₃、H₂O 和 N₂O ) 由于吸收线位置、强度和宽度的不确定性导致临边辐射计算的误差。在统计HITRAN2016 数据库中分子吸 收线不确定代码的基础上, 确定辐射传输计算使用不确定代码不小于3 的不确定值。不同分子吸收线的不确定性对 不同高度临边辐射影响不同, 起主导作用的不确定因子也不同。同时还模拟计算了大气红外超高光谱探测仪4 个探 测波段综合多种分子的3 个不确定因子(位移、强度、宽度) 导致的临边辐射误差, 为光谱通道选择和大气参数反演 提供了数据基础。     

Vicarious calibration of ASTER thermal infrared bands

The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) on the Terra satellite has five bands in the thermal infrared (TIR) spectral region between 8-12 /spl mu/m. The TIR bands have been regularly validated in-flight using ground validation targets. Validation results are presented from 79 experiments conducted under clear sky conditions. Validation involved predicting the at-sensor radiance for each band using a radiative transfer model, driven by surface and atmospheric measurements from each experiment, and then comparing the predicted radiance with the ASTER measured radiance. The results indicate the average difference between the predicted and the ASTER measured radiances was no more than 0.5% or 0.4 K in any TIR band, demonstrating that the TIR bands have exceeded the preflight design accuracy of <1 K for an at-sensor brightness temperature range of 270-340 K. The predicted and the ASTER measured radiances were then used to assess how well the onboard calibration accounted for any changes in both the instrument gain and offset over time. The results indicate that the gain and offset were correctly determined using the onboard blackbody, and indicate a responsivity decline over the first 1400 days of the Terra mission.