基于跨平台红外高光谱观测的对流层三维风场测量

精确的风场数据对提高数值天气预报准确性具有重要意义,对流层风是改进天气预报的要素之一。虽然利用气象卫星成像仪对连续云图追踪特征目标进行导风是一种有效的风场观测方法,且在区域和全球尺度上改善了数值天气预报,但仍存在风场高度分配模糊问题而产生误差。星基红外高光谱探测仪具备大气温湿度廓线垂直探测能力,通过分析各个垂直分层内的大气参数运动得到三维风场,能够提升风场垂直高度的准确性,改进风场高度分配模糊问题。提出了利用跨平台极轨气象卫星FY-3D星红外高光谱大气探测仪HIRAS和NOAA-20星跨轨红外探测仪CrIS交叉观测对流层三维风场的创新方法,根据两仪器近重叠轨道星下点交叉观测辐射数据匹配水汽通道图像,通过稠密光流法分析目标运动变化并计算风场,对风矢量进行质量控制后同ERA-Interim再分析资料作定量化比较,分析风速均值绝对偏差、均方根误差和风向均值绝对偏差。分别对2019年2月20日UTC世界时00:00,06:00,12:00的HIRAS和CrIS交叉数据计算200,300,400,600,650和1 000 hPa六组垂直高度风场,结果表明,风速范围的变化趋势与再分析资料表现一致,风速范围随高度降低而减小,高层对20 m·s-1以上风速更敏感,地表附近测得风速集中在10 m·s-1以内。风速均值绝对偏差多数小于3 m·s-1,最大不超过4 m·s-1,风速均方根误差多数小于3.5 m·s-1,最大不超过4.5 m·s-1,风向均值绝对偏差多数小于30°,最大不超过40°。风场误差主要来自仪器自身设计参数不同引入辐射数据的观测偏差,以及因数据空间分辨率不同导致在图像重投影处理过程中引入的定位偏差。     

FY-3E/HIRAS-II发射前热真空定标试验非线性校正

红外高光谱大气探测仪II型（HIRAS-II）是一台傅里叶变换光谱仪,搭载于世界首颗民用晨昏轨道气象卫星FY-3E上,其研制过程在FY-3D/HIRAS-I产品基础上,重点提升了探测器灵敏度、光谱和辐射定标精度等方面。仪器发射前进行了全面的热真空定标试验,其中非线性订正作为辐射定标过程的重要环节,对辐射定标精度具有重要影响。针对HIRAS-II长波和中波1红外探测器产生的非线性效应,通过缩放带内光谱对原始数据作非线性订正,采用最小化不同温度点复原光谱各波数点的响应度分布和最小化变温黑体定标偏差分布两种方法推导非线性系数。对比辐射定标数据作非线性订正前后的光谱亮温偏差,结果表明,经过非线性订正后的辐射定标精度得到了明显提升。     

FTIR光谱仪动镜速度和采样抖动的噪声分析

分析了傅里叶变换光谱仪由动镜速度和采样抖动的随机误差引起的光谱噪声,建立了基于噪声等效辐亮度差(NERD)和噪声等效温差(NETD)的噪声模型。分析表明,动镜速度的波动与抗混叠滤波器幅频响应、时间延迟的综合作用,以及采样触发的短时抖动,都会引起系统的噪声。通过MATLAB数值模拟,对动镜速度和采样抖动的噪声影响进行了仿真分析与模型计算,验证了理论模型,评估了实际仪器的噪声水平,为动镜控制、抗混叠滤波器的设计以及傅里叶变换光谱仪的噪声定量化计算和改善提供了依据。     

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。