FY-3D MERSI-Ⅱ反射太阳波段长期响应衰减估计及订正方法

遥感仪器的长期辐射响应衰减估计与订正是提高卫星遥感数据稳定性和准确性的关键。利用MERSI-Ⅱ在沙漠和DCC稳定目标上空的长时间观测数据,建立仪器辐射响应与时间的函数关系模型,并通过逆方差加权平均方法融合两种稳定目标的结果,获取仪器辐射响应退化量和辐射定标系数的序列估计。辐射响应衰减跟踪监测结果表明,MERSI-Ⅱ自在轨开始业务运行到2022年9月,波长小于500 nm的3个蓝光波段(通道1,通道8—9)和波长大于1000 nm的4个近红外-短波红外波段(通道5—7,通道19)存在明显衰减,年衰减率为1.47%~4.32%。L1级产品精度检验也发现,7个明显衰减通道的业务定标偏差均超过±5%,其中通道5和8偏差最大,约为-20%。应用本研究获取的辐射定标系数序列后,L1产品辐射定标精度随时间变化平稳,定标偏差维持在±3%以内,同时L2级产品精度也明显提升,表明了该研究建立的辐射衰减估计与订正方法的有效性。

风云三号红外高光谱探测仪的光谱定标

风云三号D星(FY-3D)于2017年11月15日成功发射,是我国第二代极轨气象卫星,其上搭载了红外高光谱大气探测仪(HIRAS),实现了地气系统的高光谱分辨率红外高精度观测,由于光谱频率的精确性会直接影响辐射精度,红外干涉仪器必须进行逐通道的光谱定标。首先对干涉图数据进行傅里叶变换获得粗定标结果,再基于仪器参数计算仪器线型函数,进行光谱精校正,开发了风云三号D星HIRAS的光谱定标技术,并用发射前和在轨数据进行了精度验证。光谱定标方法能有效订正由于仪器离轴探元设计引起的光谱位置偏差,基于地面单色激光测量数据验证,长波4个探元20×10^(-6)左右的偏差可订正到0.5×10^(-6)(1和2探元)和7×10^(-6)(3和4探元)以内;中波1四个探元50×10^(-6)左右的偏差可分别订正到6×10^(-6)(1和3探元)、8×10^(-6)(2探元)和13×10^(-6)(4探元)以内;基于在轨数据验证三个波段光谱订正后光谱精度偏差和标准差均可达到5×10^(-6)以内。三个波段光谱定标结果均满足卫星使用技术指标10×10^(-6)的要求,有效保证了辐射精度评估和后端遥感产品开发应用的要求。

FY-3A气象卫星红外分光计温度廓线模拟反演试验

为了考察风云三号(FY-3)气象卫星红外分光计的性能,以该仪器初样阶段的光谱通道特征和仪器响应函数为基础,进行大气温度垂直廓线模拟反演。选用红外分光计15μmCO2吸收带的不同通道组合进行模拟反演,结果表明:总体上红外分光计具有较好的大气温度反演能力,窗区通道8的加入可有效提高近地面层温度反演精度;利用迭代算法反演大气温度时,初估廓线对反演精度影响较大,初估廓线与真值愈接近,反演精度愈高;现有仪器通道灵敏度设计指标可满足大气温度反演基本要求,如仪器灵敏度降低,反演精度也随之降低,提高仪器灵敏度,有利于提高仪器的使用效果。

基于高光谱资料对FY-1C/1D气象卫星进行交叉定标

介绍了利用AQUA卫星高光谱AIRS资料对FY-1C、FY-1D气象卫星热红外通道进行交叉定标的方法及定标结果。首先利用卫星轨道预报软件预报出AQUA与FY-1C以及AQUA与FY-1D卫星交叉点,再对交叉区域卫星资料进行像元投影和像元匹配,像元匹配包括时间、观测角度、环境均匀性等检验。以AIRS探测结果作为辐射基准,利用其观测值和FY-1卫星热红外通道光谱响应函数进行光谱匹配,最终得到FY-1卫星热红外通道的准真值并与FY-1卫星的业务产品进行比较分析。对FY-1C、FY-1D两年多卫星资料进行多次交叉比对,结果表明FY-1C通道4比AIRS观测亮温低1.3K左右,通道5低3.6K左右;而FY-1D通道4比AIRS观测亮温低0.3K左右,通道5低3.6K左右。这个准真值与FY-1观测的计数值进行再定标得到新的定标系数。

风云三号(A)气象卫星红外分光计大气透射率计算试验

利用GENLN2逐线光谱透射率数据库和RTTOV7快速辐射传输模式,计算了风云三号A星(FY-3A)红外分光计(IRSR)的快速透射率系数,在此基础上计算了IRSR的通道大气透射率和权重函数.结果表明IRSR大多数通道权重函数分布曲线与HIRS/3相应通道趋于一致,通道能量贡献峰值高度(气压层)与设计要求基本符合.

中国区域典型大气廓线样本库的一种选择方法

在模拟大气辐射传输过程、发展大气透过率模式及反演大气参数等许多应用中,大气状态廓线是重要的输入参数,为方便使用,建立具有一定代表性的样本数据库十分必要。目前,国际上有几十种各具特色的大气样本库,但包含中国区域的样本极少。为了弥补国际大气样本库中缺少中国区域大气廓线的不足,以中国区域2002年气象探空资料为基础,利用拓扑学方法建立了包含30条大气温度和湿度廓线的中国区域大气廓线样本库2。通过对所选样本的覆盖区域、观测时间、海拔高度、廓线垂直分布等特征分析,结果表明:该样本库具有样本时空分布均匀、样本独立性和气候代表性好等特点,符合大气样本库建立的基本原则,可为辐射传输研究和业务应用提供大气样本支持。

风云三号气象卫星红外分光计在轨交叉定标精度监测系统

为了满足定量遥感对红外探测仪器定标精度监测的需求，采用风云三号气象卫星红外分光计（IRAS）与国际基准红外高光谱探测仪器进行交叉比对的方法，建立了FY-3C气象卫星红外分光计与高光谱仪器IASI的在轨交叉定标精度监测系统．通过对2014年一年的IRAS观测数据的定标精度监测和分析，结果显示，IRAS与IASI的相关系数均在O．98以上，通道1和18的定标偏差最大，分别为-3．7K和2．1K，通道9和16也有超过1K的偏差，其他通道的平均偏差均在1K以内．地表观测通道8、9、18、19、20由于受卫星观测时空变化频繁的影响偏差标准差较大，在1．5～3K左右，其他通道观测误差稳定性较好，均在1．5K以内．通道2、3、4，1O～13的定标偏差随目标亮温变化趋势不明显，通道14～20定标偏差随目标亮温变化趋势最强，最低和最高目标亮温对应的定标偏差之间的差别最大可达到5K．定标偏差的时间序列分析表明大部分通道的定标偏差在一年的时间内保持稳定，变化幅度不超过O．3K；通道15、19、20的定标偏差变化幅度约为1K，通道1、14、16、17、18定标偏差一年的变化范围达到2～4K．总之，在轨交叉定标精度监测系统为实时监测定标精度的变化提供了有效工具，为诊断仪器性能和改进定标方案提供了参考依据．

风云三号卫星红外高光谱探测技术及潜在应用

高光谱大气探测仪具有高光谱分辨率、高灵敏度和高精度光谱辐射定标等特点,在大气温湿度廓线反演、数值天气预报同化、气候变化研究以及大气痕量气体探测等应用上有显著的优势。我国风云三号极轨气象卫星的FY-3A/B/C三颗卫星上成功装载了自主研制的通道式红外探测仪器—红外分光计(IRAS),获取了从可见光到红外波长范围内26个通道的辐射观测,并应用于资料同化、全球大气温度和水汽廓线反演等。从FY-3D星开始将装载红外高光谱大气探测仪以替代IRAS,标志着红外高光谱大气垂直探测系统新纪元的开始。以风云三号卫星红外高光谱大气探测仪为例,介绍了卫星红外高光谱探测技术的进展和地面应用系统预处理过程的关键技术环节,给出了红外高光谱资料的潜在应用,并对在数值天气预报同化和大气探测应用方面的难点问题进行了分析和探讨。

基于辐射传输模式的中国典型区域大气样本库特征分析

在对中国区域北京、哈尔滨、杭州、昆明、拉萨、三亚、西宁7个代表站逐日探空资料进行质量检验的基础上,对其中1、4、7、10四个月(分别代表4个季节)的探空资料进行了大气温湿廓线的特征分析,同时又与目前国际上用于辐射传输计算的43条温湿廓线进行了简单的对比。结果表明,中国区域的大气廓线有明显的时间、空间分布特征,与海拔高度之间联系不大;仅用国际通用的温湿廓线进行我国区域的卫星正演、反演计算有其缺陷性,必须将具有我国天气、气候特征的大气样本补充进去。所收集样本可用于计算大气透射率、反演的初估场及反演结果的真实性检验等。

FY-3A气象卫星大气垂直探测仪器数据几何位置匹配试验

随着卫星搭载的有效载荷数目的增加,卫星数据种类也不断增加,利用有限的数据资源获得多种卫星或多种仪器遥感数据源的信息,可以增强对目标物的检测与识别能力,提高卫星遥感应用的精度、范围和效率。以风云三号气象卫星L1级模拟数据为基础,用建立匹配查找表的方法进行红外分光计、微波温度计、微波湿度计三个大气垂直探测仪器的数据几何位置匹配技术研究,把三个仪器的观测资料统一匹配到红外分光计的观测格点上,并对匹配前后的资料进行了分析。匹配结果表明,当微波湿度计观测资料匹配到与其分辨率相差不大的红外分光计格点上时,其探测资料的精度损失不大,基本上保持了原有分辨率上观测资料的数据分布信息。而当微波湿度计观测资料匹配到与其分辨率相差较大的微波温度计格点上时(从15km分辨率匹配到50km分辨率上),总的数据信息损失不大,只有一些较细致的数据纹理信息有所损失,匹配后的观测资料为卫星大气垂直探测提供了良好的数据基础。

我国新一代极轨气象卫星红外分光计真空辐射定标试验

为了测试红外分光计红外通道的辐射探测性能,确定仪器地面参考定标系数,为分析反演产品误差提供依据,星载仪器的地面定标是仪器上星前必须要做的一项重要工作。基于我国新一代气象卫星红外分光计热真空定标试验数据,利用仪器通道接收的入射辐射与其输出信号值的相关特性,采用统计回归方法,建立了二者之间的转换关系,得到了热红外通道的定标系数,分析了红外分光计红外通道输入辐射量与输出信号的非线性响应。当目标黑体温度为290 K时,计算了仪器的灵敏度。结果表明：红外分光计存在一定的非线性响应,在220~330 K的目标温度范围内非线性偏差大都在0.4 K以内,仪器灵敏度达到了设计指标要求。

风云三号B星红外分光计的定标和验证

搭载于风云三号A星和B星上的红外分光计(IRAS)分别于2008年5月27日和2010年11月5日成功发射。该仪器主要提供从可见光到红外波长范围内多通道的辐射观测,并可应用于资料同化、全球大气温度和水汽廓线反演等领域。搭载于风云三号A星上的IRAS由于滤光轮转速不稳定,导致仪器观测不连续。风云三号B星上的IRAS运行正常,处于稳定的业务模式。利用仪器在轨3个月期间的资料,进行了一系列的在轨定标和验证试验,对IRAS仪器的性能进行了一系列的验证,包括冷空和暖黑体定标计数值的长期趋势、噪音等效辐射率等。利用IRAS和红外大气探测干涉仪(IASI)同时观察到的地球场景进行比较,证明了两种观测非常相似。另外,将FY3B/IRAS红外通道的观测与NOAA-19/HIRS对应的通道的辐射传输模式模拟进行了对比。对比结果显示相对于HIRS,部分IRAS红外通道,尤其是通道1到10,15,19和20偏差很小。但是少数通道,如通道13,16和18有较大的偏差。造成这些偏差的原因仍需要进一步的研究。

风云三号C星微波湿温探测仪的定标和验证

风云三号C星（FY-3C）已经于2013年9月23日发射升空,其上装载的微波湿温探测仪（MWHTS）已于9月30日开机正常工作.MWHTS具有对大气温度和湿度垂直分布进行同步探测的能力.MWHTS为跨轨扫描式微波辐射计,在89-191GHz毫米波段内设置了十五个探测通道,其中包括118.75GHz氧气吸收线附近的8个大气温度探测通道,183.31GHz水汽吸收线附近的5个大气湿度探测通道,以及89GHz和150GHz两个窗区通道.设置在118.75GHz的一组毫米波探测通道是国际上业务卫星首次使用的大气探测通道,这组通道和183.31GHz通道对大气进行联合探测,将获得更加精细的大气温湿度垂直分布数据,为数值预报和气候研究提供丰富信息.为保证MWHTS观测资料的定量应用,对仪器性能和定标精度进行了在轨测试.利用MWHTS在轨正常工作后的三个月数据,对仪器在轨定标的基础数据：冷空和黑体计数值,黑体和仪器温度进行监测分析和质量检验,经过质量检验的在轨定标基础数据,结合发射前真空试验得到的非线性订正项在轨定标生成MWHTS观测亮温数据.评估MWHTS在轨辐射定标结果的精度和偏差特性使用了三种方法：1通过场地定标试验获取大气温湿廓线和地面温度等大气参数信息,结合微波逐线正演辐射传输模式MonoRTM（Monochromatic Radiative Transfer Model）模拟MWHTS的上行微波辐射亮温,与MWHTS实际观测结果进行对比分析;2两个通道特性一致的同类星载被动微波载荷同时观测同一目标,观测亮温的差异主要取决于两个载荷的定标系统偏差.选取美国SNPP上搭载的微波探测仪器ATMS作为MWHTS的参考载荷,基于SNO（simultaneous nadir overpass）技术,对两个仪器的观测亮温进行交叉比对,观测亮温时空匹配及均匀性检验的条件为：观测时间差异小于20min,观测像元中心距离小于3km,观测角度在星下点附近差异小于5°,观测像元周围3×3像元内的亮温标准差小于1K;3基于美国国家环境预测中心的全球数据同化系统GDAS（Global Data Assimilation System）数据,利用快速辐射传输模式CRTM（Community Radiative Transfer Model）对MWHTS各通道亮温进行正演模拟,模拟结果（O）和仪器实际观测的亮温（B）之间的差异记为＂O-B＂,对偏差值＂O-B＂进行统计特征分析.仪器中心频率的变化、正演模式模拟精度和模式输入廓线自身的误差都会对＂O-B＂产生影响.但是对于首次使用的探测频点而言（如118.75GHz通道）,由于国际上没有同类载荷可以进行交叉比对,借助于正演辐射传输模式计算得到＂O-B＂偏差的分析结果可以在一定程度上反映仪器整体定标情况.外场地定标试验结果显示除通道14外,其他14个通道的亮温差都在1.3K以内;与同类载荷ATMS的在轨观测进行直接交叉比对表明通道14与ATMS的亮温偏差最大,但中心频点一致的5个水汽探测通道的标准差都小于1K;将MWHTS观测结果和正演辐射传输模式模拟结果即＂O-B＂进行偏差分析显示,靠近118.75GHz吸收线中心的通道2—6＂O-B＂标准差小于0.5K,其他通道＂O-B＂标准差和ATMS相应通道的结果相当;MWHTS观测和模拟偏差随角度变化的研究表明通道1,7-13和15观测结果对角度有一定依赖性.

沙尘气溶胶卫星遥感现状与需要关注的若干问题

沙尘暴是全球干旱、半干旱地区特有的一种灾害性天气,所产生的沙尘气溶胶是全球气溶胶系统重要组成部分,对全球环境、天气、气候和生态有复杂的影响。沙尘气溶胶作为一种吸收性气溶胶,对太阳辐射有着较强的吸收,还能通过加热大气、改变大气稳定度、蒸发云滴、减少云量等"半直接方式"影响气候。卫星遥感对沙尘气溶胶的监测具有独特的优势,是全球沙尘研究的重要手段。本文系统整理和介绍了目前常用的可见近红外、热红外、被动微波、紫外和主动激光测量等五类卫星遥感沙尘气溶胶的主要方法,在总结典型遥感仪器和主要产品基础上,讨论了遥感产品的定量精度和地面验证问题,结合辐射传输理论模拟了可见近红外和热红外的卫星观测,探讨了可见近红外遥感的地表反照率影响和热红外高光谱遥感的波段选择问题,最后对未来的一些研究重点进行了展望。

FY-3A气象卫星VIRR云检测产品与IRAS的匹配

通过查找表方法进行FY-3A气象卫星可见光红外扫描辐射计(Visible and InfraRed Radi-ometer,VIRR)云检测产品与红外分光计(Infrared Atmospheric Sounder,IRAS)之间的匹配实验,使VIRR云检测产品与IRAS具有一致的空间分辨率,为IRAS大气温湿度廓线的反演提供可靠的云检测信息。实验中分别采用模拟的VIRR云检测结果与IRAS数据进行匹配,并将匹配结果与原始云检测信息进行对比分析,验证查找表方法进行两者之间匹配处理的可行性。

风云三号气象卫星红外分光计探测大气CO_2浓度的通道敏感性分析

依据红外分光计(InfraRed At mospheric Sounder,IRAS)光谱通道特征,发展了基于IRAS的大气辐射传输计算模式。以大气分子吸收光谱数据集(HIgh resolution TRANsmission,HITRAN)2004为初始谱线输入资料,利用该模式模拟计算IRAS在CO2吸收带的10个通道辐射率测值对CO2浓度变化的响应,并对比了其与大气温度和水汽、O3等气体浓度误差对辐射率测值的影响,探讨了利用风云三号气象卫星探测大气CO2浓度的可行性。结果表明,IRAS的通道4最适于用来监测大气CO2浓度的变化,当CO2体积混合比浓度变化在10×10-6时,对应的辐射率变化同仪器等效噪声辐射率相当,所以IRAS在理想状态下,最高可分辨的大气CO2浓度变化约为10×10-6。

高光谱大气红外探测仪(AIRS)反演大气不稳定度指数在强对流天气个例中的应用试验

使用探空、NCEP-FNL,数据和高光谱分辨率大气垂直探测仪(AIRS)标准反演数据计算大气不稳定度指数,对2011年6月23日北京强对流天气发生前的本地及上游大气中不稳定能量进行分析研究。分析发现:利用08、14和20时探空数据计算的北京站不稳定度指数显示了在"6·23暴雨"过程发生前后北京上空不稳定能量变化,上游关键区无探空数据;利用NCEP和AIRS数据计算的不稳定度指数显示,强对流天气发生前,在北京的上游关键区大气处于极端不稳定状态(K指数大于40,SI指数小于一5),有利于强对流天气发生。文章的研究结果表明,探空数据时空分辨率较低,不利于监测强对流天气的发生;质量控制后AIRS数据计算的不稳定度指数可以监测对流天气的发生;空间分辨率较低的NCEP数据监测小范围大气不稳定层结能力较低。综上所述,AIRS反演产品具有弥补探空资料时空分辨率不足的优势,利用AIRS L2反演产品计算晴空大气不稳定度指数产品可以监测到"6·23暴雨"天气发生前上游关键区大气层结稳定度状态,为预报员决策提供有效的辅助信息。

7个水分等级下棉花耗水量特征及其模拟

通过对棉花设定的 4个生育期进行 7种不同土壤水分含量 (W1 ～W7)的水分试验 ,利用气象和作物观测资料对不同水分条件下的棉花耗水量进行了模拟 ,建立了棉花的耗水量模型 ,并用实测资料进行验证 。

短波红外三维亚像元低层水云散射效应对二氧化碳反演的影响分析

由于大气短波红外辐射传输散射的复杂性,目前二氧化碳物理反演算法通常假定为晴空平面平行大气.然而通常的云检测算法难以识别视场内亚像元低层水云存在的场景,直接影响了二氧化碳遥感产品的精度.本文基于三维矢量辐射传输计算方法模拟了三维亚像元水云在短波红外1.6μm波段的散射效应,并估算了忽略此散射效应可能引入的二氧化碳反演偏差.结果表明:1.6μm波段云区表现为强反射特征,阴影区表现为减弱特性.忽略三维云散射后,云区视场辐射模拟结果偏低,且相对偏差量随地表反射率的减小、太阳天顶角的升高和云层光学厚度的增大而增大;而阴影区辐射模拟结果将偏高,相对偏差量随太阳天顶角升高、云层光学厚度的增大而增大;在云区和阴影区吸收通道都表现了相对更大的偏差.估算结果显示在低反射率、高太阳天顶角和高云层光学厚度场景中,晴空平面平行假设可能引入高达10~15 ppmv反演误差,远高于观测需求.如何剔除三维云散射影响的观测,或者在反演算法中修正三维云散射效应对于提高二氧化碳反演精度将非常重要.

参加全球空基观测交叉定标系统（GSICS）2017年年会总结

1概况 2017年3月20—24日，全球空基观测交叉定标系统（GSICS）2017年研究工作组和数据工作组联合年会在美国威斯康星大学麦迪逊分校召开。此次年会由威斯康星大学空间科学与工程中心（SSEC）承办，来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）、中国气象局（CMA）、欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）、美国国家航空航天局（NASA）、法国宇航局（CNES）、日本气象厅（JMA）、韩国气象厅（KMA）、美国地质调查局（USGS）、印度气象局（IMD）、印度航天研究组织（ISRO）等单位的50多位GSICS成员和观察员参加了会议（图1）。国家卫星气象中心胡秀清副总工程师和徐桔、徐娜、漆成莉4人组成中国气象局代表团参加了此次年会，并做了多个研究进展和技术交流报告。