基于Aqua卫星AIRS数据的南大洋大气逆温和逆湿特性研究

南大洋大气普遍存在着逆温和逆湿现象,其分布和变化对海-冰-气之间的物质和通量交换具有重要影响。利用Aqua卫星上搭载的大气红外探测器(AIRS)观测数据,提取了南大洋大气的逆温和逆湿特性,并研究了其时空分布与变化特征。此外,以全球无线电探空数据集的探测结果为参考值,分析了AIRS在进行大气逆温和逆湿探测过程中受到云量影响的特征。结果表明,AIRS估计的逆温特性受云量的影响较小,在多云条件下AIRS也可精确地估计逆温特性。利用AIRS最新的第7版(V7)数据产品对2004-2020年南大洋大气逆温和逆湿的频率(强度)进行研究,发现秋冬季比春夏季高(强),在龙尼冰架、罗斯冰架和南极半岛附近的海域的大气出现逆温和逆湿现象较其他区域更频繁,且强度更强。

高光谱大气红外探测器AIRS资料云检测及晴空通道应用技术初步研究

目前GRAPES-3DVar(全球\区域同化预报系统)使用的AIRS云检测方案只能够检测出完全晴空时的视场资料,对于受到云污染的视场,所有通道资料全部被剔除。研究表明有云视场当中的云顶以上资料对数值预报的影响更加重要,研究也更加有意义。因此,文章借鉴McNally和Watts云检测方案,结合GRAPES-3DVar系统和仪器特征,建立了一种适合于GRAPES-3DVar模式的晴空通道检测方案。该方案不但可以检测出完全晴空的视场资料,同时也可以检测出有云视场当中不受云影响的云顶以上通道资料;另外,还可以求出云顶高度,判断出高、中和低云。然后,将AIRS观测资料分别用晴空视场检测方案和晴空通道检测方案进行云检测,从结果分析看,晴空视场检测方案可以检测出的晴空资料占总资料的9.14%,而晴空通道检测方案检测出的晴空资料达到了34.86%,是传统云检测方案的3.8倍,大大增加了资料的使用度。

AIRS晴空大气温度廓线反演试验

2002年5月发射的Aqua是美国地球观测系统中的第2颗卫星EOS-2(Earth Observing System),它携带的大气红外探测仪AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)是目前国际上最先进的超高光谱分辨率红外大气垂直探测仪。1200的光谱分辨率和全球覆盖能力使其可以观测全球大气状态及其变化。对其超高光谱分辨率资料的处理和应用的研究既有科学意义,又有实用价值。利用AIRS实际观测资料反演大气温度,本文使用的是便于处理大数据量的统计反演方法中的特征向量法,计算回归系数使用的是AIRS观测辐射值和T213数值预报分析场。本文从通道个数、地形及地表发射率影响、增加预报因子、国外同类产品比较等4个方面进行了大气温度反演试验研究。研究结果表明:(1)在利用超高光谱分辨率仪器进行反演时,合理选择通道是非常必要的;(2)AIRS反演的大气温度在对流层顶和中上层具有较高的精度,在对流层低层,尤其是近地面反演精度不够理想;(3)增加地表温度,地表发射率和地形3个预报因子,可以提高近地面的反演精度;(4)文中反演的大气温度精度与国外同类产品精度基本一致。

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300-900hPa,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。

利用AIRS观测资料进行红外高光谱大气探测能力试验的研究

利用EOS Aqua卫星平台上搭载的光栅式高光谱分辨率大气红外探测仪器AIRS(Atmospheric InfraredSounder)的实际观测资料,采用经验正交函数展开法(特征向量法)进行了大气温度、湿度廓线的反演误差敏感性试验研究。试验内容包括光谱覆盖、通道覆盖、通道宽度等。通过这些试验,研究在中国现有的经济、技术条件下要达到在对流层1km气层温度、湿度分别小于1K和20%的反演精度和垂直分辨率所应该具备的光谱通道特征,为发展中国自己的红外高光谱分辨率探测技术提供科学依据。试验计算结果表明,基于中国现有的经济和技术基础,发展具有100个左右的光谱通道,通道宽度为2—4个波数的干涉式红外大气探测仪器(比中国目前FY-3初期的滤光片式红外分光计的光谱波段宽度减小3—4倍),可明显改善大气参数反演精度,基本满足现阶段使用要求。

大气红外探测器(AIRS)温、湿度反演产品的有效性检验及在数值模式中的应用研究

利用中国540个地面气象观测站点资料,对1和7月大气红外探测器(AIRS)的反演中国区域地面气温精度做了详细评估,分析了产生误差的原因。同时把AIRS的反演温、湿度廓线产品与T213数值预报产品进行比较,分析了它们之间的差异。为进一步考察AIRS温、湿度产品的有效性,我们把经过订正的AIRS地面气温以及温、湿度廓线产品分析同化到中尺度模式MM5中,用于华北降雪天气过程的对比模拟试验,分析AIRS反演产品对降雪量、水汽场、垂直速度场、散度场以及云物理过程等的影响。

AIRS红外高光谱卫星数据反演卷云光学厚度和云顶高度

基于大气红外探测器L1B红外高光谱辐射观测资料,结合中分辨率成像光谱仪（moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS）云产品数据,利用通用大气辐射传输模式（combined atmospheric radiative transfer model,CART）,根据模式模拟和AIRS实际观测亮温的亮温差,研究从AIRS红外波段1 070～1 135cm^-1高光谱数据反演卷云的光学厚度和云顶高度。将反演的卷云光学厚度与云顶高度作为输入参数模拟计算650～1 150cm^-1波段卷云大气顶的辐射亮温谱,并将模拟值与AIRS观测亮温谱进行了对比分析。将反演的卷云光学厚度和云顶高度和AIRS的760通道（900.56cm^-1,11.1μm）的亮温以及MODIS卷云反射率进行了对比分析。最后将反演的卷云云顶高度和MODIS云顶高度进行了对比分析。研究结果表明：反演所使用的650～1 150cm^-1波段模式模拟和观测亮温谱吻合得很好,说明CART可以较好的模拟AIRS亮温谱。反演的卷云参数与AIRS在大气窗口区的760通道（900.56cm^-1,11.1μm）的亮温的分布满足低亮温对应较大的卷云光学厚度和高云顶高度。反演的卷云参数和MODIS卷云的反射率分布满足高卷云光学厚度和云顶高度对应高卷云反射率。反演的卷云云顶高度和MODIS的卷云云顶高度之间线性相关系数相对较高,且都在8.5～11.5km的概率较高,两者的概率分布趋势一致。说明CART可以用于反演卷云的性质,反演结果具有一定的可靠性。

台风“梅花”诱发平流层重力波的数值模拟与AIRS观测

为了分析台风这类强对流诱发平流层重力波的过程,本文利用中尺度数值模式WRF-ARW（V3.5）和卫星高光谱红外大气探测器AIRS数据对2011年第9号强热带气旋＂梅花＂的重力波特征进行了分析.首先,针对模式输出的垂直速度场资料的分析表明,台风在对流层各个方向上几乎都具有诱发重力波的能量,而在平流层内则呈现出只集中于台风中心以东的半圆弧状波动,且重力波到达平流层后其影响的水平范围可达1000km.此外,平流层波动与对流层雨带在形态、位置以及尺度上均具有一定的相似性.其次,对风场的分析结果表明,不同高度上波动形态的差异主要是由于重力波垂直上传的过程中受到了平流层向西传的背景风场以及风切变的调制作用,揭示了重力波逆着背景流垂直上传的特征.随后,基于FFT波谱分析的结果表明,＂梅花＂诱发的平流层重力波水平波长中心值达到了1000km,周期在15～25h,垂直波长主要在8～12km.最后,利用AIRS观测资料分析了平流层30～40km高度上的大气波动,得到了与数值模拟结果相一致的半圆弧状波动.对比结果也验证了WRF对台风诱发平流层重力波的波动形态、传播方向、不同时刻扰动强度的变化以及影响范围的模拟效果.此外,也揭示了多资料的结合对比有助于更加全面地了解台风诱发平流层重力波的波动特征.

基于MODIS云产品的AIRS像素云检测

为了利用MODIS云产品数据检测出大气红外探测器(AIRS)数据中像素云的特性,首先采用空间匹配算法对MODIS和AIRS数据进行匹配,然后结合MODIS云分类、云相态掩模及其业务上的云检测算法,实现了利用MODIS数据对AIRS像素云(单个视场云)特性的检测。结果表明,用MODIS 1 km分辨率产品数据可以实现对AIRS数据的云分类(低云、中云、高云)和云相态(水云、冰云、混合云)检测。

AIRS资料质量控制对飓风路径模拟的影响试验

对WRFDA模式中AIRS亮温资料质量控制方案进行了检验,并以美国Earl飓风为例进行数值试验,研究了质量控制方案对飓风路径模拟的影响。试验结果表明:WRFDA模式中11条质量控制原则对红外高光谱AIRS亮温资料的同化效果影响很大,不论是加入逐条质量控制原则,还是缺席某条质量控制原则,飓风路径的模拟情况都比不上控制试验;而在所有质量控制原则都加入之后,在大部分模拟时段内同化试验中模拟的飓风路径偏差都要小于控制试验,而且同化试验中最大路径偏差也小于控制试验。不同的质量控制原则对观测资料的过滤能力也不一样,其中地表发射率Jacobian分量检测、临边检测、云检测和SST检测等4个质量控制原则剔除卫星资料数量相对较多。本文中AIRS亮温资料质量控制方案的对比试验,可以为中国发展红外高光谱卫星系统提供非常有益的借鉴和参考。

青藏高原地区大气红外探测器(AIRS)资料质量检验及揭示的上对流层水汽特征

上对流层水汽（UTWV）是大气中最重要的温室气体,对全球气候变暖有重要贡献;而青藏高原被认为是UTWV进入平流层的重要通道,在平流层-对流层水汽交换及平流层水汽变化中扮演着重要角色。首先利用高原探空站资料对大气红外探测器（AIRS）反演的水汽数据在高原地区的质量进行了检验,发现AIRS反演的水汽数据与探空实测数据是相当一致的。其中全年和夏半年AIRS的可信度较好,而冬半年,尤其是上对流层AIRS水汽可信度相对较低,但在缺乏高精密数据时仍部分可用。利用AIRS资料对青藏高原地区UTWV季节变化特征进行了分析,结果表明,高原冬季偏干,而夏季显著偏湿,并且空间分布具有明显的不均匀性。经验正交函数（EOF）分析显示,夏季高原UTWV主要存在三种空间分布型,即全区一致型,高原东西偶极型和南北带状偶极型。一致型分布具有明显的季节变化,而偶极型则以季节内振荡为主。在此基础上,重点研究夏半年高原地区UTWV季节内振荡特征,结果表明,UTWV季节内振荡的显著周期位于10～20天和30～60天。前者主要表现为纬向东传,并且可以越过高原进入我国江淮流域上空;而后者主要向南移动,基本表现为高原局地振荡。最后,进一步探讨了高原UTWV季节内振荡的可能机制,结果表明,高原地区UTWV的低频变化主要与高原热状况、南亚高压活动及其与二者相耦合的对流活动有关。

AIRS卫星温度和臭氧廓线在南极的验证分析

利用2008年中山站、Amundesen-Scott(SouthPole)站和Neumayer站为期一年的温度和臭氧探空数据,对AIRS第六版温度和臭氧垂直廓线产品在南极的精度进行了验证.结果表明,AIRS温度与探空温度总体上具有显著的一致性,其中对流层偏差最小(RMSe<2℃),近地面温度由于受到下垫面影响偏差略大(RMSe^2℃),平流层偏差较大(2℃<RMSe<3℃),AIRS温度平均低于探空观测且受季节变化影响显著,秋冬季偏差整体上高于春夏季.AIRS臭氧反演精度在平流层(RMSe^25%)要优于对流层(RMSe^30%),RMSe最大值出现在UT-LS区域(可达40%)且在"臭氧洞"期间明显增大.AIRS产品精度在南极沿岸和内陆存在差异,由于南极地区探空资料较少且主要位于沿海,故在南极内陆地区进行探空观测对于提高卫星资料精度,改善该区域天气预报能力具有重大意义.

用空间匹配的MODIS云产品客观确定AIRS云检测

中分辨率成像光谱仪MODIS有可见光及近红外通道,云检测能力超过大气红外探测器AIRS,在我们的算法中,AIRS云检测由落在每个AIRS视场中的精确空间匹配的1 kmMODIS云检测产品客观确定。实况资料测试说明该AIRS云检测算法简单易行且精度较高,目前正在业务使用。

基于空间梯度信息的质量控制方法在红外高光谱AIRS资料同化中的应用研究

本文利用中尺度非静力WRF(Weather Research Forecast,Version 3.4)模式,针对1013号"鲇鱼"台风个例,通过对红外高光谱AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)资料经过基于空间梯度信息的质量控制之后同化进入模式,来评估新的质量控制方法对同化效果的影响以及对台风数值模拟的改善情况。研究结果发现,如果仅仅基于WRFDA(WRF Data Assimilation system,Version 3.4)模式自带的质量控制系统,将会有部分梯度距平值明显较大超过阈值的资料被同化进入模式,而这些可能受到"污染"且误差较大的资料同化进入模式必将会导致同化结果有较大误差,影响分析结果的质量。而对AIRS资料经过基于空间梯度信息质量控制之后再同化进入模式,确实可将梯度距平值大于阈值的"坏点"剔除掉,从而使初始场的描述更加准确,台风路径的模拟精度在一定程度上得到提高。综上可知,基于空间梯度信息的质量控制方法整体上对改善同化效果有较好的正效应,对台风的数值模拟也起到一定的促进作用。

一个基于视场的AIRS云检测方案

利用GRAPES-3DVAR(全球\区域同化预报系统)对AIRS的6小时扫描视场进行云检测,在Goldbety等的AIRS云检测方案基础上,结合GRAPES系统和AIRS仪器特征,剔除受到云污染的视场,为AIRS资料在三维变分同化系统中的应用奠定基础。

AIRS辐射亮温在中亚地区的偏差分析及适用性

中亚地区常规观测站点稀少,需借助星载高光谱AIRS资料分析出该地区数值预报最优初始场。以CRTM中输入探空模拟出的AIRS辐射亮温为参考值,分析了AIRS观测亮温偏差,并评估了AIRS卫星资料在中亚数值天气预报业务系统中的适用性。结果表明:(1)各通道模拟所选站点上空亮温最大正偏差的平均值约为3.3 K,最大负偏差的绝对值约为2.6 K。(2)多个站点平均的AIRS观测辐射亮温整体略高于模拟亮温,其概率密度分布比单个站点更加接近正态分布曲线。(3)AIRS的同化改善了RMAPS-CA对位势高度、温度、比湿等高空要素的预报效果,并未改善高空风速的预报。对各个要素,AIRS的同化改善幅度在低层较高层大。同化后,位势高度、温度、比湿和风速的预报RMSE分别小于20 gpm、2 K、8×10^-4 kg·kg^-1以及5 m·s^-1。

AIRS反演中国区域上对流层水汽分布特征研究

上对流层水汽分布对于全球能量和水循环具有非常重要的影响。利用美国Aqua卫星红外高光谱仪器(AIRS)反演的湿度廓线资料对中国上对流层水汽时空分布特征进行了分析。为了保证卫星反演湿度廓线产品精度可以满足气候特征分析的需求,首先利用JICA野外加密探空试验观测数据对卫星反演湿度廓线进行了真实性检验,分析表明,Aqua卫星搭载的AIRS反演的湿度廓线与探空加密观测数据总体具有较好的相关性,在200 hPa高度相对湿度偏差在5%以内,其精度可以用于上对流层水汽气候特征的分析。通过趋势分析以及EOF分解等方法,分析了2003年1月—2013年12月的中国区域上对流层水汽时空分布特征,结果表明,受夏季风影响,中国区域上对流层水汽具有明显的季节变化规律和年周期特征,中国大部分地区上对流层冬季偏干、夏季偏湿,夏季高湿区可以北移到35°N以北。而在新疆地区冬季偏湿、夏季偏干。总体来说,全年夏季水汽含量最高,秋季次之,冬季最小。2003年以来新疆地区及南部海域上对流层水汽呈显著增加趋势,华南、华北、内蒙古中西部水汽也有所增加,在高原地区及东北区域上对流层水汽稍有减少,但变化均不显著。上对流层水汽的增加,将有可能放大温室效应,在气候变化研究中应给予重视。

暴雨发生前AIRS卫星资料适用性检验研究

利用AIRS卫星产品中的气温和水汽资料,计算出K指数(IK)和沙氏指数(IS)这两种大气不稳定指数。对暴雨发生前6 h左右这两种大气不稳定指数进行统计分析。统计结果表明:在暴雨发生前6 h左右,80%左右的暴雨发生在IK>27.5℃或IS<3℃的情况下。由于IK的分布与暴雨发生的频率基本呈现出较为明显的递增变化,因此IK与IS相比能更好地反映暴雨天气的发生。为了更好地描述暴雨发生前的大气不稳定特征,将AIRS计算的IK和IS做了适当的结合,得到KS指数(IKS)并将其运用到一次暴雨个例进行验证,从验证效果来看:暴雨发生的区域在6 h前基本都处在了IKS较高的情况下,IKS对暴雨具有一定的指示意义。通过对暴雨区域像元中AIRS反演的气温和水汽误差分析中可以得出:AIRS计算的IK和IS误差主要由AIRS在有效云量较高时850h Pa高度上反演的气温以及700h Pa和850h Pa高度上反演的水汽的误差导致的。

利用AIRS数据交叉辐射定标SVISSR分裂窗通道

利用高精度和稳定的AIRS/Aqua(Atmospheric InfraRed Sounder on board Aqua)数据对SVISSR/FY-2C(Stretched Visible and Infrared SpinScan Radiometer on board Feng Yun 2C)的两个分裂窗通道IR1(Infra Red 1,10.9μm)和IR2(InfraRed 2,11.9μm)进行交叉辐射定标的方法,并利用赤道附近2006年12月和2007年12月的AIRS和SVISSR数据完成了交叉辐射定标,结果表明,SVISSR数据与卷积得到的AIRS数据高度线性相关,SVISSR/FY-2C传感器的两个分裂窗通道不仅存在定标误差,而且定标误差随时间的变化呈现增大的趋势。相对于AIRS/Aqua测量值,当SVISSR的通道亮温从220K变化到340K时,2006年12月IR1通道的温度调整量从5.8K变化到-4.4K,而2007年12月IR1通道的温度调整量从6.9K变化到-5.1K;2006年12月IR2通道的温度调整量从2.2K变化到-1.5K,而2007年12月IR2通道的温度调整量从6.3K变化到-6.1K。

鸡GARS-AIRS-GART基因5′侧翼序列多态性与鸡肉IMP含量的关联分析

以鸡GARS-AIRS-GART基因为候选基因,根据5′侧翼序列设计引物,用PCR-SSCP方法对隐性白羽鸡、丝羽乌骨鸡、萧山鸡、白耳鸡及藏鸡进行单核苷酸多态性分析,并检测到多态性,表现为3种基因型,对2种纯合子进行直接测序,结果发现-179位点发生了突变,由C突变为T。对3种基因型的肌肉肌苷酸(IMP)含量采用最小二乘法分析,结果显示TT型(突变型)个体的肌肉IMP含量极显著高于CT型、CC型个体,CT型个体稍高于CC型,但差异不显著,初步推测该位点可能与肌肉IMP含量有关,可作为肌肉IMP含量的辅助选择标记。