利用红外高光谱资料CrIS反演大气温湿廓线的模拟研究

大气温湿廓线是数值预报中最基本的气象参数,高光谱红外卫星可以观测到较高垂直分辨率的大气信息,为了准确获取廓线信息,利用搭载于美国对地观测卫星Suomi NPP(national polar-orbiting partnership)平台上的CrIS(cross-track infrared sounder)红外高光谱观测资料,讨论了通道选取方法,采用特征向量统计法反演法得到初始大气廓线,利用非线性牛顿迭代法进一步提高反演精度。将反演结果和全球数据同化系统GDAS(global data assimilation system)模式分析数据以及配对的无线探空值进行比较,发现反演结果与真值趋势一致,较之初始廓线有显著提高,在100～700 hPa之间,温度廓线反演精度最高,均方差小于1 K,在300～900 hPa之间,湿度廓线反演精度最高,均方差小于20%,与所选取通道的雅各比峰值区间一致。     

超光谱红外卫星资料同步反演不同地表类型的大气廓线、地表温度和地表发射率

大气温度、水汽、地表温度和地表发射率是大气和地表的本征信息量。利用卫星红外资料精确反演大气温湿廓线有利于准确预报天气和研究气候变化,同时地表温度和地表发射率光谱的反演为研究植物生长与作物产量、地表水分蒸发与循环、能量平衡、地表成分及物理性质、气候变迁与全球环境提供重要参数指标。把大气和地面作为一个整体系统来考虑,建立一种能同步反演大气温度廓线、大气水汽廓线、地表温度和地表发射率的反演方法,利用超光谱红外卫星资料(atmospheric infrared sounder, AIRS),针对我国新疆地区沙漠和雪地两种典型发射率地表同步反演大气温度廓线、水汽廓线、地表温度和地表发射率。反演方法首先线性化地球-大气系统红外辐射传输方程, 提出通过经验正交函数构建大气廓线和地表发射率光谱,有效减少反演变量数,建立同步物理反演模式,然后以美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的预报结果(初始大气温度、水汽廓线以及地表参数)作为初始值,最后通过牛顿迭代得到最优化解。反演观测区域覆盖我国新疆塔克拉玛干沙漠和准噶尔盆地,分别选择位于塔克拉玛干沙漠腹地的塔中探测站(纬度38.98°, 经度83.64°)和准噶尔盆地的阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站(纬度44.2°, 经度87.9° )为反演地面验证点。反演结果表明,塔克拉玛干沙漠地表温度明显高于准噶尔盆地地表温度,与实际情况相一致;根据反演的8.6和13.4 μm处的地表发射率分布情况,可以看出在8.6 μm处沙漠地表发射率明显低于雪地发射率,在6～15 μm范围内,反演的沙漠地区(塔中站)地表发射率和雪地地区(阜康站)地表发射率与美国喷气推进实验室测量的沙漠发射率光谱和雪地发射率光谱相一致。研究表明,把大气和地面作为一个整体系统来考虑,把地表发射率加入到反演中,通过比较和分析沙漠地区(塔中)和雪地地区(阜康)的大气廓线反演结果与当地气象探空值和传统反演方法反演值,改进了大气温度廓线和水汽廓线反演精度,特别是边界层温度和水汽改进尤为明显;同时分析表明在发射率光谱变化较大的沙漠地区, 大气廓线反演精度的改进比雪地要高,这是由于地表发射率光谱在沙漠、戈壁地区变化较大,而雪地的发射率光谱变化不大。用该方法针对地表发射率光谱变化较大的地区(沙漠)同步反演大气廓线、地表温度和地表发射率,可以更有效的提高大气温度廓线、水汽廓线的反演精度。该研究结果可以为数值天气预报和我国未来超光谱红外卫星应用提供服务和有力支持, 具有十分重要的意义。     

应用一维变分法反演GPS掩星大气温湿廓线

GPS掩星观测的折射率是大气温度、湿度状态的函数, 应用一维变分方法 (1DVAR) 可以从折射率资料中同时反演出大气温、湿度廓线, 利用COSMIC 2011年中国区域掩星观测数据对这一方法进行了测试, 背景场采用ECMWF大气廓线, 反演结果与相匹配的探空观测有较好一致性. 重点研究了一维变分反演方法中非理想气体效应 (non-ideal effect) 对温度、湿度反演误差的影响, 不同月份的比较结果表明, 非理想气体效应对掩星反演大气廓线是一种系统性影响, 考虑这一效应可对温度反演改进0.1 K的偏差 (bias), 对比湿可改进约0.5%偏差. 掩星资料作为数值天气预报资料同化中少数无需偏差改正的卫星遥感资料, 非理想气体效应改正是无疑是非常重要的, 此外, 考虑这一效应对掩星资料的气候应用也有重要价值. 关键词： 一维变分 掩星 非理想气体效应     

对流层高度大气温度、湿度和气溶胶的拉曼激光雷达系统

为了实现大气温度、水汽(相对湿度)和气溶胶的实时同步探测研究,成功研制了一台日常观测的多参数探测拉曼激光雷达,采用高性能二向色镜和窄带干涉滤光片组成高光谱分辨率高效率拉曼分光系统,实现独立5通道大气回波信号的高精细分光和高效率提取,并研发了多参数同步反演算法,获得了大气水汽密度、温度和气溶胶消光系数廓线,结合水汽密度和温度得到了同时刻大气相对湿度的垂直变化特性。利用该系统在晴天和有云条件下对西安局地进行初步实验观测,获得温湿度及气溶胶廓线以及云层内水汽与逆温层的高度关系。实验结果表明,在探测时间15 min和激光能量150 m J的条件下,系统在晴天条件可实现高度16 km以下大气温度和湿度的同步探测,在有云条件下系统可实现大气底层和云层顶逆温层的精确探测,并可获得高层云层内和水汽层内大气水汽密度和相对湿度的同步增长趋势。实验数据与当地探空数据的多次随机比对在大气温度、湿度廓线上取得了较好的一致性,充分验证了该拉曼激光雷达实现对流层高度大气多参数同步探测的有效性和系统的可靠性。使用该系统可有效开展区域性大气的观测研究,为大气气候变化以及雾霾生消过程的研究提供可靠的实时探测数据。     

对流层高度大气温度、湿度和气溶胶的拉曼激光雷达系统EI北大核心CSCD

为了实现大气温度、水汽(相对湿度)和气溶胶的实时同步探测研究,成功研制了一台日常观测的多参数探测拉曼激光雷达,采用高性能二向色镜和窄带干涉滤光片组成高光谱分辨率高效率拉曼分光系统,实现独立5通道大气回波信号的高精细分光和高效率提取,并研发了多参数同步反演算法,获得了大气水汽密度、温度和气溶胶消光系数廓线,结合水汽密度和温度得到了同时刻大气相对湿度的垂直变化特性。利用该系统在晴天和有云条件下对西安局地进行初步实验观测,获得温湿度及气溶胶廓线以及云层内水汽与逆温层的高度关系。实验结果表明,在探测时间15 min和激光能量150 m J的条件下,系统在晴天条件可实现高度16 km以下大气温度和湿度的同步探测,在有云条件下系统可实现大气底层和云层顶逆温层的精确探测,并可获得高层云层内和水汽层内大气水汽密度和相对湿度的同步增长趋势。实验数据与当地探空数据的多次随机比对在大气温度、湿度廓线上取得了较好的一致性,充分验证了该拉曼激光雷达实现对流层高度大气多参数同步探测的有效性和系统的可靠性。使用该系统可有效开展区域性大气的观测研究,为大气气候变化以及雾霾生消过程的研究提供可靠的实时探测数据。     

基于大气红外探空仪和中分辨率成像光谱仪观测的冰云大气红外辐射特性研究

利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)二级云产品、大气红外探空仪(AIRS)二级大气产品和AIRS L1B红外高光谱数据,采用通用大气辐射传输(CART)模式,选择9μm(带宽为1070~1135cm-1)、11.03μm(带宽为886~928cm-1)和12.02μm(带宽为815~850cm-1)波段对冰云大气顶的亮温进行了模拟与分析。对反演冰云参数和MODIS云产品下的模拟亮温分别与AIRS观测亮温间关系进行了分析与比较,并对反演冰云参数下的模拟亮温和AIRS观测亮温的亮温差的概率分布进行了研究。结果表明:基于反演的冰云光学厚度和云顶高度的三波段模拟亮温和AIRS实际观测亮温分布一致,模拟计算和AIRS实际观测亮温间相关系数达0.98以上。11.03μm和12.02μm波段模拟计算和AIRS实际观测亮温间亮温差主要分布在0~5K,9μm波段亮温差主要分布在0~±0.5K。建立在反演冰云参数基础上的实际大气条件下的大气辐射特性模拟研究具有准确性和可靠性。     

合肥地区大气折射率结构常数高度分布模式

 利用QHTP-2型温度脉动探空仪对合肥地区大气折射率结构常数进行了长期连续的实地探空测量,对大量探空实验数据的统计分析得出合肥地区(0～25 km)折射率结构常数随高度分布廓线,并以国际广泛应用的Hufnagel-Valley模式为基础拟合得出合肥地区大气折射率结构常数统计模式廓线。研究发现:合肥地区大气湍流随高度分布廓线存在明显的昼夜和季节变化,大气湍流在随高度增加而减小的趋势上叠加了随机起伏,并具有鲜明的跳跃式结构;合肥地区的高空湍流模式廓线较好地符合实测的平均廓线,能反映自由大气中湍流随高度分布的重要特征——指数递减和对流层增强。     

红外高光谱资料AIRS反演晴空条件下大气氧化亚氮廓线

N₂O是一种非常重要的温室气体和臭氧损耗物。由于观测资料有限,对于N₂O在这两方面所发挥的作用定量描述还存在很多的不确定性。利用热红外卫星数据AIRS可以反演监测甲烷和二氧化碳气体,但对氧化亚氮的反演还很少见到。因此该工作首次在国内针对高光谱红外卫星资料AIRS,开展利用最优估计法反演大气N₂O廓线的模拟研究。讨论了先验廓线的获取方法及反演通道的选取方法,并将反演结果和HIPPO飞机观测数据进行比较,发现AIRS观测数据可以很好的捕获N₂O的垂直分布,在300～900 hPa,与HIPPO数据趋势一致,且反演精度较高,相对误差仅为0.1%,与所选取反演通道的jacobian峰值区间一致。反演结果相比于特征向量统计法也有显著提高。     

基于多轴差分吸收光谱技术测量青岛市大气水汽垂直柱浓度及垂直分布

本文研究了多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)在可见蓝光波段(434.0—451.5 nm)对大气水汽垂直柱浓度和垂直廓线的反演方法.首先,针对水汽吸收峰较窄且较密的问题,采用和仪器狭缝函数卷积的方法获取适用于MAX-DOAS的水汽吸收参考截面,并采用修正系数法校正了水汽饱和吸收效应在此波段对反演的影响.其次,研究了非线性最优估算法痕量气体廓线反演算法(Pri AM算法)中气溶胶状态和先验廓线的线型对水汽反演结果的影响.结果表明,气溶胶线型变化对水汽廓线反演结果的影响可忽略,而高气溶胶状态会使反演结果差异变大,但均在廓线反演总误差范围内,这表明, Pri AM算法对水汽廓线反演仍具有适用性.采用该方法在青岛市鳌山区域站开展连续观测实验,并将观测的水汽垂直柱浓度结果和欧洲中期天气预报中心日均值数据对比, R²=0.93;将反演的水汽廓线近地面浓度与欧洲中期天气预报中心和怀俄明大学探空数据对比, R²分别大于0.70和0.66,结果表明了Pri AM算法对大气水汽廓线反演的准确性较高.最后,分析了青岛市水汽垂直分布特征:青岛市水汽主要分布在1...     

基于纯转动拉曼谱线激光雷达的大气温度反演分析

由于气溶胶的影响,传统的瑞利散射法测量低空大气温度有一定的局限,为此开展了纯转动拉曼法测量低空大气温度。利用纯转动拉曼激光雷达在北京进行了2个月的大气温度观测,由观测数据反演了温度廓线。在基于N₂和O₂的纯转动拉曼谱线特征进行大气温度反演过程中,分析了平滑窗口、定标范围和定标常数对温度反演精度的影响。结果显示随着平滑窗口的增大,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差先减小后增加,为有效去除信号中随机误差的影响,同时保留温度廓线的垂直结构,平滑窗口应选择600~1 200 m比较好。定标范围不同,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差就不同,相对变化约为0.07 K。当定标常数a,b都增大或都减小时,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均偏差增大,当一个增大另一个减小时,平均偏差相互抵消;a,b的变化不是等几率的,在符号上总是相反的;平均偏差对a的变化不敏感,对b的变化也不敏感,对a与b的整体变化敏感,约91.7%平均偏差落入-3~3 K之间。该研究分析结果对纯转动拉曼激光雷达数据反演中涉及的平滑窗口、定标范围的选择提供了理论依据,对激光雷达定标常数造成实际温度反演结果的误差提供了参考。     

Two-dimensional characterization of atmospheric profile retrievals from limb sounding observations

Limb sounders measure atmospheric radiation that is dependent on atmospheric temperature and constituents that have a radial and angular distribution in Earth-centered coordinates. In order to evaluate the sensitivity of a limb retrieval to radial and angular distributions of trace gas concentrations, we perform and characterize one-dimensional (vertical) and two-dimensional (radial and angular) atmospheric profile retrievals. Our simulated atmosphere for these retrievals is a distribution of carbon monoxide (CO), which represents a plume off the coast of south-east Asia. Both the one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) limb retrievals are characterized by evaluating their averaging kernels and error covariances on a radial and angular grid that spans the plume. We apply this 2D characterization of a limb retrieval to a comparison of the 2D retrieval with the 1D (vertical) retrieval. By characterizing a limb retrieval in two dimensions the location of the air mass where the retrievals are most sensitive can be determined. For this test case the retrievals are most sensitive to the CO concentrations about 2° latitude in front of the tangent point locations. We find the information content for the 2D retrieval is an order of magnitude larger and the degrees of freedom is about a factor of two larger than that of the 1D retrieval primarily because the 2D retrieval can estimate angular distributions of CO concentrations. This 2D characterization allows the radial and angular resolution as well as the degrees of freedom and information content to be computed for these limb retrievals. We also use the 2D averaging kernel to develop a strategy for validation of a limb retrieval with an in situ measurement.     

被动多轴差分吸收光谱技术监测大气NO_2垂直廓线研究

痕量气体垂直廓线的监测,对大气污染研究具有重要意义。介绍了被动多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)技术监测痕量气体垂直廓线的光学遥感方法。研究中MAX-DOAS测量多个角度的斜柱浓度、结合大气辐射传输模型,利用最优估算法反演出痕量气体垂直廓线,并对最优估算法参数选取和反演评估进行了详细描述。将该技术应用于合肥地区NO2垂直廓线的监测:通过与长光程差分吸收光谱仪的测量结果对比,相关系数达到0.80。该技术为大气环境立体监测提供了一种简便的方法。     

基于MST雷达垂直风速的大气温度剖面反演

本文主要利用MST(mesosphere-stratosphere-troposphere)雷达垂直风速时间序列进行频谱分析,计算B-V(Brunt-V?is?l?)频率,再根据B-V频率和温度的关系,本文建立了离散的温度反演模型,最后反演得到了全高度的温度剖面.通过计算温度剖面和探空仪实测温度剖面比较可见,二者的符合度非常高,变化趋势也完全一致.本文还进一步讨论了,利用B-V频率和MST雷达的水平风速还可以计算理查德森数,通过理查德森数可以很清晰的判断大气的稳定性,进而可以量化大气很多动力学特征以及解释大气中的很多波动现象.因此,B-V频率的获得是MST雷达对大气动力学研究的又一贡献,它可以准确地反演大气的温度剖面,同时获取大气动力学稳定性参数.     

基于COSMIC掩星资料的全球第二对流层顶详细特征

使用2006年12月–2008年11月COSMIC (constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate)掩星湿廓线资料对第二对流层顶的全球分布特征进行统计, 对比三个站点的无线电探空仪和COSMIC的对流层顶资料, 研究结果表明: 1) 第二对流层顶的出现频率在副热带急流区较高,冬季在北半球为50%–70%, 在南半球为20%–40%; 2) 赤道带的第二对流层顶出现频率约为20%–26%, 与越赤道急流和对流层顶上的毛卷云有关; 3) 在副热带急流区, 第一对流层顶的温度基本高于第二对流层顶; 4) 在热带, 对流层顶厚度和第二对流层顶出现频率随纬度减小; 热带以外, 对流层顶厚度随纬度增加, 在冬半球60^o有最大值7–8 km; 5) 单站点对流层顶的日变化剧烈程度与COSMIC和探空仪的对流层顶高度偏差正相关．     

O4对利用天顶散射光法测量大气组分含量的影响研究

通过实验证明是否考虑O₄的存在对利用天顶散射光测量大气组分含量的结果存在影响.介绍了天顶散射光的观测原理、实验仪器、测量方法、光谱处理以及浓度反演过程.用具体的实验数据说明考虑O₄在实验波段内的吸收能提高NO₂和O₃浓度反演结果的准确性.同时将观测得到的臭氧垂直柱密度与美国TOMS观测数据进行了对比. 关键词： 4')" href="#">O₄ 臭氧 天顶散射光 DOAS     

Atmospheric trace gases profile retrievals using the nonlinear regularized total least squares method

We discuss the regularized total least squares (RTLS) method for the nonlinear overdetermined ill-posed problem of atmospheric trace gas retrieval. The RTLS method is used for the automatic determination of the regularization strength of the ill-conditioned matrix in an iterative process, and a mixed quadratic and cubic line search method is used for the nonlinear retrievals. Additional retrieval metrics, such as the model resolution matrix and the degrees of freedom in the retrieval, which characterize the vertical resolution of the retrievals, are also derived. Simulated retrievals as well as the retrieval from the data of a balloon-based spectroscopic measurement will be discussed. Retrieval results obtained using O₃ and CH₄ as test cases will be presented.     

大气CO2卫星遥感中植物叶绿素荧光影响的校正

大气CO₂卫星遥感监测的关键在于高精度,而植物叶绿素荧光存在与大气散射相似的光谱特征,干扰大气散射相关参数的反演结果,从而影响CO₂的反演精度。因植物叶绿素荧光强度微弱且影响特征与大气散射高度相关而难以准确校正。鉴于现有大气CO₂卫星遥感精度不足,以及植物叶绿素荧光对大气CO₂反演存在不可忽视的影响程度和复杂性,设计了O₂-A、1.6和2.06 μm CO₂三个光谱带协同的参数化校正方法。首先通过对大气散射采取基于光子路径长度概率密度函数（PPDF）的参数化建模,降低叶绿素荧光与大气散射参数的光谱相关性;其次,针对叶绿素荧光强度弱,难以准确反演的问题,基于轨道碳观测器（OCO-2）的叶绿素荧光产品构建了5km分辨率的全球叶绿素荧光先验信息库,增强CO₂与叶绿素荧光同步反演中对叶绿素荧光的先验约束,提高叶绿素荧光的反演精度。通过O₂-A、1.6和2.06 μm CO₂三个光谱带的协同同时反演大气散射、叶绿素荧光和大气CO₂,并结合叶绿素荧光丰富的先验信息,能够较准确剥离大气散射和叶绿素荧光而提高大气CO₂的反演精度。选择叶绿素荧光强度明显较高的柱总碳观测网络（TCCON）中的Park Falls（45.945°N,90.273°W）站点开展验证,对该站点近4年每年8月份的温室气体观测卫星（GOSAT）数据进行反演,发现植被叶绿素荧光导致GOSAT XCO₂反演结果系统偏低2×10-6(ppm)左右,通过本文的方法进行校正,反演结果的低估程度有明显改善,最大低估由2.58 ppm降低到1.49 ppm,且离散程度也有一定程度的改善,明显控制了CO₂反演中叶绿素荧光的影响,对于实现1%（~4 ppm）的CO₂反演精度来说,提供了有力支撑。     

Channel selection using information content analysis: A case study of CO2 retrieval from near infrared measurements

A major challenge in retrieving CO₂ concentrations from thermal infrared remote sensing comes from the fact that measurements in the 4.3 and 15 μm absorption bands (AIRS or TES) are sensitive to both temperature and CO₂ variations. This complicates the selection of absorption channels with maximum CO₂ concentration information content. In contrast, retrievals using near infrared (NIR) CO₂ absorption bands are relatively insensitive to temperature and are most sensitive to changes of CO₂ near the surface, where the sources and sinks are located. The Orbiting Carbon Observatory (OCO) was built to measure reflected sunlight in three NIR spectral regions (the 0.76 μm O₂ A-band and two CO₂ bands at 1.61 and 2.06 μm). In an effort to significantly increase the speed of accurate CO₂ retrieval algorithms for OCO, we performed an information content analysis to identify the 20 best channels from each CO₂ spectral region to use in OCO retrievals. Retrievals using these 40 channels provide as much as 75% of the total CO₂ information content compared to retrievals using all 1016 channels in each spectral region. The CO₂ retrievals using our selected channels have a precision better than 0.1 ppm. This technique can be applied to the retrieval of other geophysical variables (e.g., temperature or CH₄), or modified for other instruments, such as AIRS or TES.     

Validation of the community radiative transfer model

To validate the Community Radiative Transfer Model (CRTM) developed by the U.S. Joint Center for Satellite Data Assimilation (JCSDA), the discrete ordinate radiative transfer (DISORT) model and the line-by-line radiative transfer model (LBLRTM) are combined in order to provide a reference benchmark. Compared with the benchmark, the CRTM appears quite accurate for both clear sky and ice cloud radiance simulations with RMS errors below 0.2 K, except for clouds with small ice particles. In a computer CPU run time comparison, the CRTM is faster than DISORT by approximately two orders of magnitude. Using the operational MODIS cloud products and the European Center for Medium-range Weather Forecasting (ECMWF) atmospheric profiles as an input, the CRTM is employed to simulate the Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) radiances. The CRTM simulations are shown to be in reasonably close agreement with the AIRS measurements (the discrepancies are within 2 K in terms of brightness temperature difference). Furthermore, the impact of uncertainties in the input cloud properties and atmospheric profiles on the CRTM simulations has been assessed. The CRTM-based brightness temperatures (BTs) at the top of the atmosphere (TOA), for both thin (τ<5) and thick (τ>30) clouds, are highly sensitive to uncertainties in atmospheric temperature and cloud top pressure. However, for an optically thick cloud, the CRTM-based BTs are not sensitive to the uncertainties of cloud optical thickness, effective particle size, and atmospheric humidity profiles. On the contrary, the uncertainties of the CRTM-based TOA BTs resulting from effective particle size and optical thickness are not negligible in an optically thin cloud.