FY-4A静止气象卫星红外高光谱大气探测仪GIIRS探测灵敏度分析（英文）

灵敏度是重要的遥感器辐射性能指标。本文将红外高光谱大气探测仪仪器噪声灵敏度概念拓展,定义了面向探测仪在轨应用的大气参数灵敏度和地表温度误差灵敏度,给出了相应的计算模型和相互关系。并将之应用于第一台静止气象卫星红外高光谱大气探测仪FY-4A GIIRS在轨应用探测灵敏度评估。根据探测仪测试数据和大气历史统计资料,得到了大气参数(温度、水汽、臭氧、CO_2、CH_4和N_2O)、地表温度误差以及探测仪噪声灵敏度随通道的定量变化特征,分析了各变化特征的物理机制。结果表明大气温度、水汽和臭氧灵敏度远大于探测仪噪声和地表温度误差灵敏度,而CO_2、CH_4和N_2O灵敏度被探测仪和地表温度误差灵敏度淹没。本文研究为红外高光谱大气参数探测信噪比评估奠定了基础,有助于红外高光谱大气探测通道的优选。     

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。     

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。     

大气红外探测仪的探测器序列定位误差

大气红外探测仪AIRS的核心是一个光栅光谱仪序列,2378个红外探测器分装在17个探测器序列上,本文以实例说明了由于探测器序列在视轴方向有偏移,即空间错误定位误差给AIRS的观测值带来的影响及其光谱分布特征,以及观测值误差对后继红外晴空订正和大气廓线反演的影响.建议以后在设计同类仪器时要避免探测器序列错误定位问题,或选用干涉式分光系统.     

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.     

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.     

热红外高光谱成像仪的灵敏度模型与系统研制

热红外谱段是对地观测高光谱遥感中非常有用的波段,受限于技术发展,热红外谱段的高光谱成像系统在国内的空间光电系统中并不多见,近年来在国家相关部门的支持下发展迅速,取得了较大进展。结合十二五期间研制的机载热红外高光谱成像仪系统,建立了信号流模型,对系统背景辐射进行了建模仿真,并对红外焦平面组件等效暗电流进行了分析测量,在此基础上得出了影响系统的探测灵敏度的关键因素,给出了系统设计低温光学100K制冷的设计依据。机载热红外高光谱成像仪研制完成后,还进行了探测灵敏度实际测量并与仿真结果进行了对比分析,对未来进一步发展热红外高光谱成像技术积累了重要数据。     

FY-4A干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)资料云检测技术

目前FY-4A/GIIRS资料同化中直接采用多通道扫描成像辐射计(AGRI)的云检测结果,云污染视场内全部通道被剔除,部分可用通道信息丢失。为了获得这些可用通道信息,基于McNally给出的云检测原理,利用GIIRS观测和RTTOV模拟晴空结果,结合GIIRS灵敏度等辐射特性,提出了自主的GIIRS云检测方法。结果表明:GIIRS与AGRI的云检测结果一致性较好,当GIIRS视场中存在细云或碎云时,二者存在一定差异;利用得到的云顶高度,可获得云污染视场中的可用通道,通道使用率增加13.76%。该云检测方法为GIIRS资料同化提供了重要参考。     

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...     

机载大气红外高分辨率光谱的信息量分析

机载红外高分辨率干涉光谱仪（HIS）是遥感大气信息的大气红外背景辐射测量装置。基于HIS红外高光谱大气数据,对大气温度和主要大气吸收气体进行了敏感性分析;并通过引入信息容量的概念,利用一维变分方法,对HIS测量装置遥感探测大气参数的能力进行评估,定量描述了HIS测量的红外光谱反演大气温度和水汽的信息容量、自由度和垂直分辨率等信息,其中温度、水汽的信息容量分别为49.5、25.2;自由度分别为10.5、5.6,温度的平均垂直分辨率为2.2 km,水汽的垂直分辨率为2 km;讨论了HIS的反演精度与仪器测量误差之间的关系,获取了大气温湿廓线的最小可探测精度。     

风云四号大气垂直探测仪在气象预报中应用（英文）

发射于2016 年12 月11 日的风云四号卫星上搭载了国际上首台工作于静止轨道的高光谱红外大气垂直探测仪( GIIRS),该仪器主要用于探测地球大气的温度和湿度的垂直分布和变化,观测的数据实时同化到GRAPES 全球预报系统,首次实现了大范围、高频次针对敏感区的卫星高光谱探测和实时资料同化应用,对目前的气象预报能力产生显著影响,尤其对台风强度和路径的预报更加精准.本文简要介绍了风四大气垂直探测仪的测量原理和在天气预报中的应用情况,并对未来的发展趋势给予了展望.     

风云四号大气垂直探测仪在气象预报中应用

发射于2016年12月11日的风云四号卫星上搭载了国际上首台工作于静止轨道的高光谱红外大气垂直探测仪(GIIRS),该仪器主要用于探测地球大气的温度和湿度的垂直分布和变化,观测的数据实时同化到GRAPES全球预报系统,首次实现了大范围、高频次针对敏感区的卫星高光谱探测和实时资料同化应用,对目前的气象预报能力产生显著影响,尤其对台风强度和路径的预报更加精准.本文简要介绍了风四大气垂直探测仪的测量原理和在天气预报中的应用情况,并对未来的发展趋势给予了展望.     

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。     

FY-4大气垂直探测仪扫描镜的太阳入侵研究

针对FY-4三轴稳定静止卫星上遥感器的夜间太阳入侵问题,建立了星上遥感器的太阳辐照模型,由此计算了星上任意面元的太阳入射角系数和太阳辐射.针对其上的大气垂直探测仪结合遮光罩实际设计参数,分析了扫描镜的每日太阳入射角系数、太阳辐射、太阳入侵的时刻、入侵持续时间以及接受的太阳辐照的年变化曲线,并与GOES-8(地球静止轨道...     

基于探空资料的上海台风季GIIRS/FY-4A卫星温度廓线反演精度研究

利用上海宝山站L波段探空资料,分析台风季无云、有云和全天空条件下不同质量控制以及台风登陆前后24 h内FY-4A干涉式大气垂直探测仪(Geostationary Interferometric Infrared Sounder, GIIRS)温度资料的反演精度。结果表明：(1) GIIRS温度反演产品在无云条件下反演精度最高,质量控制为0的数据均方根误差(Root Mean Squared Error, RMSE)为1.74 K,表明该产品在对流层中上层具有一定可信度。(2)云层降低了GIIRS温度反演的精度,有云条件下质量控制为0的数据RMSE为3.57 K,超出了美国环境监测系统给出的标准误差范围。(3)有云天空条件下,当温度大于230 K时,GIIRS反演温度均低于探空数据。(4)台风“安比”、“云雀”登陆前24 h内,在500 hPa高度至近地面附近和对流层顶,GIIRS反演温度偏高;台风“云雀”登陆后24 h内,GIIRS在800 hPa高度至近地面附近反演温度偏低,并且反演会产生大量无效值。     

海上大气波导的统计分析

利用1982～1999年的海洋观测资料,运用相似理论对东经100～140°,北纬0～40°海域的蒸发波导出现概率、高度和强度进行了统计分析,并利用1986～1999年的船舶探空资料,对上述海域及全球海上低空大气波导进行了统计分析,结果表明,海上蒸发波导出现概率高达85%以上,高度一般在15m左右,而海上低空大气波导出现概率一般不低于15%,有时可达40%,厚度一般在60～150m.其中,利用船舶探空资料分析海上低空大气波导在国内还属首次.     

单通道物理法反演海表温度的参数敏感性分析及验证

定量分析了反演海表温度的单通道物理法对海水比辐射率、海面风速、海水盐度、大气透过率、大气上下行辐射等参数的敏感性,发现海水比辐射率、大气透过率对算法精度影响较大,是单通道物理法反演海表温度的主要误差来源.在不同的波段,单通道物理法对参数敏感性也有较大差别,中红外波段的敏感性要小于热红外波段.为了验证单通道物理法的可行性、精度及参数敏感性分析的结果,选择墨西哥湾海域2009年全年夜间MODIS实测数据进行实验.结果表明,中红外波段的单通道物理法反演海表温度的精度高于热红外波段,达到MODIS劈窗算法海表温度标准产品同等精度,这与参数敏感性分析的结果一致.由于中红外波段单通道物理法精度较高,一方面,可以满足常规的业务观测需求,为海表温度反演提供新的技术手段;另一方面,可用来标定劈窗算法系数,弥补海洋现场观测站位空间分布不足的问题.