一种高效计算高光谱分辨率红外大气辐射传输的方法

传统的大气辐射传输计算方法受计算资源和效率的限制已无法满足星载高光谱分辨率红外大气遥感资料处理的需要,基于单色波长辐亮度计算加权组合的方法,开发了一种快速准确的高光谱分辨率红外大气辐射传输的计算模型FFRTM_IR.利用FFRTM_IR模型,针对研制中的FY-3D红外高光谱大气探测仪(HIRAS)的光谱指标,模拟计算了仪器的观测通道亮温,并用独立样本对模拟亮温进行了验证和比较,结果显示:FFRTM_IR对HIRAS所有通道的模拟亮温偏差均小于0.06 K,标准差有效控制在0.1 K以内;在同等计算精度下,FFRTM_IR的计算速度略快于目前国际上通用的快速辐射传输计算模型CRTM.利用FFRTM_IR模型,采用解析计算方法可以进一步得到温度廓线、水汽廓线、二氧化碳、臭氧廓线以及地表参数的雅克比矩阵,计算结果与扰动法计算结果一致性较好,有较高的计算精度.计算和分析结果表明,初步建立了一种高效的红外大气辐射传输计算模型,可用于星载高光谱红外大气探测仪器的观测仿真和资料处理.     

热红外遥感中大气透过率的研究(一):大气透过率模式的构建

大气透过率是热红外遥感中的一个重要参数。通过辐射传输模型MODTRAN模拟热红外波段的大气透过率,构建了基于大气模型、气溶胶模型、水汽量、能见度和观测天顶角等5个因素的大气透过率查找表,分析了不同参数对热红外大气透过率光谱曲线的影响,通过方差分析确定了影响大气透过率的关键因子,针对不同类型的气溶胶模型,构建了基于水汽量、能见度和观测天顶角的常用卫星传感器热红外通道的大气透过率经验模式,解决了卫星热红外遥感中大气透过率精确计算的问题。     

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.     

光学厚度预报因子对风云四号卫星扫描辐射计红外通道快速正演精度的影响分析

快速辐射传输模式利用光学厚度预报因子与卫星通道光谱特征系数可实现通道透过率的快速计算,并达到与逐线积分模式相当的正演精度.针对FY-4 AGRI的6个红外通道,分别建立了基于RTTOVv7、v8、v9和CRTMv2.1(以下简称四种模式)光学厚度预报因子的快速正演算子,与逐线积分模式的结果对比,分析了四种快速正演算子中均匀混合气体、水汽线吸收和水汽连续吸收预报因子对正演误差的影响.分析表明,四种快速正演模式计算通道亮温与逐线模式结果相比,在温度探测通道的最大标准差要小于0.6K.v9模式在水汽和温度通道的正演误差远小于其他三个模式;四个模式在窗区通道的误差基本相当.v9模式预报因子中,引入实时大气与参考大气的整层离差减小了均匀混合气体光学厚度的正演误差.     

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。     

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.     

AMTIS单通道多角度热红外图像的大气订正

给出了在假定无大气廓线情况下,AMTIS单通道多角度热红外图像的大气订正算法.算法需要三个参数:其中大气等效温度,用“最小标准差法”从图像自身来估算;大气透过率通过地表的绝对湿度或者太阳辐射计得到的大气水汽含量参数来估算;像元的辐射率比由AMTIS得到的NDVI计算.通过将大气订正后的亮度温度与地面实测点亮度温度比较,两者相差约1.2K,这对于无大气廓线情况下单通道热红外图像的大气订正来说,结果是可以接受的.     

利用超光谱红外卫星数据反演大气廓线研究

建立新的物理反演法能同时反演大气温度廓线、水汽廓线、表层温度和地表发射率,该反演算法应用到我国黄海地区AIRS红外卫星资料中,可反演得到较高垂直分辨率的大气温度廓线和水汽廓+线,同时反演得到的表层温度和地表发射率、根据水汽廓线计算大气可降水量。     

正则化变分同化AIRS红外高光谱水汽资料研究

结合经典变分同化和正则化约束两者的优点,对多正则化参数约束变分同化方法进行了研究。与经典变分同化中背景和观测项对目标泛函等权重不同,正则化约束对观测项权重进行调节,并在正则化参数优化时基于Huber-估计法给定权重函数。高光谱大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)水汽通道模拟亮温试验表明,本文的变分法同化AIRS亮温资料比经典变分同化法的效果更好。基于信号自由度诊断了观测资料对分析场的影响,结果表明本文的方法能够有效挖掘水汽通道的亮温信息。     

地基大气背景红外光谱辐射特性测量

用傅里叶变换红外光谱辐射计(FTIR)在地面测量了较高分辨率(1 cm-1)下的大气向下背景光谱辐射,获得了长波红外5~14μm波段的大气背景辐射光谱。研究了大气背景红外光谱辐射与整层大气透过率的关系。从实验数据中研究了不同波段大气背景辐射随观测天顶角的变化。结果表明:地基大气向下的长波背景辐射亮温随着整层大气透过率的增大而减小;大气背景辐射随观测天顶角增大而增大;在大气窗口区,大气背景辐射随观测天顶角变化较快,在强吸收波段,大气背景辐射随观测天顶角几乎不变化。     

A new concept on remote sensing of cirrus optical depth and effective ice particle size using strong water vapor absorption channels near 1.38 and 1.88 /spl mu/m

Techniques for retrieving cloud optical properties, i.e., the optical depths and particle size distributions, using atmospheric "window" channels in the visible and near-infrared spectral regions are well established. For partially transparent thin cirrus clouds, these "window" channels receive solar radiances scattered by the surface and lower level water clouds. Accurate retrieval of optical properties of thin cirrus clouds requires proper modeling of the effects from the surface and the lower level water clouds. In this paper, we describe a new concept using two strong water vapor absorption channels near 1.38 and 1.88 /spl mu/m, together with one window channel, for remote sensing of cirrus optical properties. Both the 1.38- and 1.88-/spl mu/m channels are highly sensitive in detecting the upper level cirrus clouds. Both channels receive little scattered solar radiances from the surface and lower level water clouds because of the strong water vapor absorption below cirrus. The 1.88-/spl mu/m channel is quite sensitive to changes in ice particle size distributions, while the 1.38-/spl mu/m channel is less sensitive. These properties allow for simultaneous retrievals of optical depths and particle size distributions of cirrus clouds with minimal contaminations from the surface and lower level water clouds. Preliminary tests of this new concept are made using hyperspectral imaging data collected with the Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer. The addition of a channel near 1.88 /spl mu/m to future multichannel meteorological satellite sensors would improve our ability in global remote sensing of cirrus optical properties.     

卫星多通道红外信息反演大气可降水业务方法

利用GMS-5多通道资料和MODTRAN辐射传输模式设计并实现了用卫星红外分裂窗通道反演大气可降水的物理反演算法．采用1998年夏季的资料进行了大气可降水反演试验，并使用探空资料对反演结果进行检验，其均方根误差为3．30mm．为了在业务上实现大气可降水物理反演算法，设计了通过利用GMS-5资料、数值预报资料以及RTTOV7快速辐射传输模式的反演大气可降水的物理算法，并用探空资料对反演结果进行检验，其均方根误差为4．09mm．结果表明：RTTOV7快速辐射传输模式的引入，使反演速度有显著的提高，能够满足业务要求．     

AIRS/AMSU/HSB validation

The Atmospheric Infrared Sounder/Advanced Microwave Sounding Unit/Humidity Sounder for Brazil (AIRS/AMSU/HSB) instrument suite onboard Aqua observes infrared and microwave radiances twice daily over most of the planet. AIRS offers unprecedented radiometric accuracy and signal to noise throughout the thermal infrared. Observations from the combined suite of AIRS, AMSU, and HSB are processed into retrievals of atmospheric parameters such as temperature, water vapor, and trace gases under all but the cloudiest conditions. A more limited retrieval set based on the microwave radiances is obtained under heavy cloud cover. Before measurements and retrievals from AIRS/AMSU/HSB instruments can be fully utilized they must be compared with the best possible in situ and other ancillary "truth" observations. Validation is the process of estimating the measurement and retrieval uncertainties through comparison with a set of correlative data of known uncertainties. The ultimate goal of the validation effort is retrieved product uncertainties constrained to those of radiosondes: tropospheric rms uncertainties of 1.0 degC over a 1-km layer for temperature, and 10% over 2-km layers for water vapor. This paper describes the data sources and approaches to be used for validation of the AIRS/AMSU/HSB instrument suite, including validation of the forward models necessary for calculating observed radiances, validation of the observed radiances themselves, and validation of products retrieved from the observed radiances. Constraint of the AIRS product uncertainties to within the claimed specification of 1 K/1 km over well-instrumented regions is feasible within 12 months of launch, but global validation of all AIRS/AMSU/HSB products may require considerably more time due to the novelty and complexity of this dataset and the sparsity of some types of correlative observations.     

基于BP神经网络的红外透过率计算

针对实时条件下中红外波段平均大气透过率的计 算,提出了一种基于贝叶斯正则化BP神经网络的方法。 利用BP神经网络良好的非线性拟合特点,建立大气参数与中红外平均透过率之间的关系 模型,从而可以准确迅速 地得到计算结果。此网络模型是以实测温度、压强、湿度和气溶胶的后向散射系数作为输入 向量,分别以水蒸气和CO₂吸收透过率、气溶胶散射透过率和大气透过率作为输出。仿 真结果表明:在相同的大气参数下,本方法的计算 结果与期望值之间的相对误差较小,且远小于经验公式法,验证了本方法的可行性与有效性 。因此,本方法对大气透过率的准确地快捷计算提供了有益的借鉴。     

红外高光谱资料云检测方法研究

从红外高光谱资料的特点和应用现状出发,通过用晴空时观测光谱和背景光谱偏差矢量最小原理研究了特定云状下不同云量、云高和云水含量对观测光谱的影响,提出了一种新的红外高光谱资料云检测方法。从云污染视场中检测出不受云影响的通道,并用通过辐射传输模式(Radiative Transfer for (A)TOVS, RTTOV)模拟的大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)资料和实测数据进行了方法可行性和有效性验证。结果表明,该方法能有效地提高云污染区域红外高光谱资料的利用率,可为有云覆盖情况下的大气参数反演提供有效途径。     

红外高光谱资料云检测方法研究

从红外高光谱资料的特点和应用现状出发,通过用晴空时观测光谱和背景光谱偏差矢量最小原理研究了特定云状下不同云量、云高和云水含量对观测光谱的影响,提出了一种新的红外高光谱资料云检测方法。从云污染视场中检测出不受云影响的通道,并用通过辐射传输模式(Radiative Transfer for(A)TOVS,RTTOV)模拟的大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder,AIRS)资料和实测数据进行了方法可行性和有效性验证。结果表明,该方法能有效地提高云污染区域红外高光谱资料的利用率,可为有云覆盖情况下的大气参数反演提供有效途径。     

利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY-2C红外分裂窗通道的绝对辐射定标

介绍利用大洋浮标数据和NCEP再分析资料对FY-2C红外分裂窗通道进行在轨绝对辐射定标的方法,并选择了2006年10个时次的卫星数据进行辐射定标试验.将利用这种方法获得的定标结果与FY-2C卫星数据产品中提供的定标查找表进行比较分析,结果表明两套不同的定标系数反演的大气层顶(TOA)亮度温度的主要差别集中在云顶、冰雪覆盖区域等低温像元;而在常温区的陆表和海表像元定标结果差别较小,反演的TOA亮温差在2K左右.提出的替代定标方法可以极大地提高定标频次,为实现FY-2C红外分裂窗通道的实时绝对辐射定标提供了重要的方法基础.