大气超高光谱探测仪临边辐射计算的误差分析--四种大气成分的不确定性实验

利用RFM模式,模拟计算了大气红外超高光谱探测仪探测的辐射传输中四种主要大气成分(CO2、O3、H2O和N2O)由于吸收线位置、强度和宽度的不确定性导致临边辐射计算的误差。在统计HITRAN2016数据库中分子吸收线不确定代码的基础上,确定辐射传输计算使用不确定代码不小于3的不确定值。不同分子吸收线的不确定性对不同高度临边辐射影响不同,起主导作用的不确定因子也不同。同时还模拟计算了大气红外超高光谱探测仪4个探测波段综合多种分子的3个不确定因子(位移、强度、宽度)导致的临边辐射误差,为光谱通道选择和大气参数反演提供了数据基础。

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

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_(2)O)、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_(2)O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。

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)、1 107.5~1 130 cm^(-1)和1 650~1 776.9 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。

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。

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.

LEO和GEO下一代光栅光谱成像大气探测仪设想(上)

星载超高光谱分辨率红外大气探测仪可测量大气向上红外辐射光谱。该分辨率足以观测到大气成分的吸收特征,从而获取大气温度、水汽剖面、表面辐射和大气成分信息。2002年5月推出的Aqua大气红外探测仪(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)是第一款专为此目的设计的高光谱光栅红外探测仪,至今仍在运行。AIRS之后有MetOp A和B上的红外大气探测干涉仪(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer, IASI),以及Suomi NPP和JPSS上的跨轨迹红外探测仪(Cross-track Infrared Sounder,CrIS)。目前这些仪器运行良好,提供了大量有关大气的信息,改善了天气预报。预计到本世纪30年代末将继续推出其它CrIS和IASI仪器,以提供相关数据。AIRS、CrIS和IASI都是低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)仪器,标称空间分辨率为14km。未来的红外探测仪必将达到更高的空间分辨率和时间分辨率,以匹配改进的预测模型;并且成本更低,以减轻未来的预算压力。可以通过地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit, GEO)或LEO卫星星座的运行操作等几种方式实现更高的时间分辨率。要实现更高的空间分辨率,可在仪器里配备较大规格的焦平面阵列(Focal Plane Array,FPA)组件和更大孔径的望远镜。光栅光谱仪在紧凑封装中仍有宽视场,非常适用于大幅面FPA。它易于操作,且使用寿命长。本文介绍了美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)多年来研发的下一代光栅光谱仪红外探测仪设想,以及为实现这些设想而取得的技术进步。

LEO和GEO下一代光栅光谱成像大气探测仪设想(下)

在2000年初提出的NASA千禧年计划〔地球同步成像傅里叶变换光谱仪(GIFTS))的资助下,美国开始首次研制GEO红外探测仪。GIFTS原定于2004年装载在EO3上以GIFTS-IOMI推出,但最终在2008年与NMP项目一起被取消。

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。

面向同化应用的红外高光谱探测资料局地综合通道选择方案及在FY-3D/HIRAS中的初步应用

通道选择是红外高光谱探测资料同化的关键技术。为了最大限度提取红外高光谱探测资料观测信息,减少模式在青藏高原等常规观测稀少地区的初始场的误差,不同区域需要选取不同通道进行同化。基于信号自由度的通道选择方法提出一种面向资料同化的红外高光谱资料的局地综合通道选择方案,该方案综合考虑了局地的大气温度垂直分布特征、背景误差协方差、仪器通道的雅克比函数、权重函数和其他影响红外高光谱模拟和同化的因素。针对CMA_GFS(原GRAPES_GFS)全球背景误差协方差,在高原和海洋两个典型区域对FY-3D/HIRAS红外高光谱资料的温度通道进行局地综合通道选择,并通过一维变分同化评估了局地综合通道选择方案对分析场的影响。结果表明,高原和海洋两个典型区域的大气温度垂直分布特征、背景误差协方差、模式垂直分层以及各通道的雅克比函数和权重函数均有明显的差异,选出的敏感通道也明显不同,相比较在其他区域选择出的通道,在对应地区选择的通道能够显著提高红外高光谱资料的同化效果。

基于交叉比对的风云三号D星红外高光谱大气探测仪辐射定标性能评估

红外高光谱探测仪的高精度辐射定标是其定量化应用的关键。基于欧洲气象卫星MetOp-A/B星红外大气探测干涉仪(IASI)与风云三号D星(FY-3D),采用瞬时星下点交叉比对方法,评估FY-3D搭载的红外高光谱大气探测仪(HIRAS)辐射定标的相对偏差。根据两个仪器严格的空间和时间匹配观测数据,采用与FY-3D同一平台但空间分辨率更高的中分辨率光谱成像仪MERSI-II的数据,筛选匹配样本的均匀背景。在交叉比对前,将IASI数据光谱分辨率用傅里叶正逆变换转换为与HIRAS相同的光谱分辨率。由于满足匹配规则的比对样本基本分布在目标温度较低的南北极区域,因此用光谱亮温的平均偏差和偏差标准差评价交叉比对结果。结果表明,HIRAS与MetOp-A/B星的IASI比对结果相似,在相对温度较高的北极区域的一致性整体优于南极区域。低温目标环境下,长波、中波红外的亮温平均偏差小于1 K,多数通道小于0.5 K,一致性良好,各通道无明显温度依赖,偏差标准差小于2 K,且随光谱通道而变,在吸收线剧烈的位置处稍大。短波红外HIRAS光谱的亮温整体低于IASI光谱,多数通道的平均偏差小于1.5 K,偏差对温度的依赖较明显,偏差标准差随目标温度升高而减小。亮温偏差长期趋势(2018年4-12月)的分析表明,其长期整体稳定,短波偏差在较低目标温度下稍大。

FY-3E红外高光谱大气探测仪光谱资料精度评估

我国自主研发的全球首颗民用晨昏轨道气象卫星风云三号E星于2021年7月5日在酒泉卫星发射中心成功发射,其上搭载的红外高光谱大气垂直探测仪二型FY-3E HIRAS-Ⅱ(Fengyun-3E Hyperspectral Infrared Atmospheric Sounder-Ⅱ)作为FY-3D HIRAS的延续,仪器指标在各方面都有大幅提升,因此在轨评估对检验仪器光谱资料质量至关重要.本文基于星下点交叉对比SNO(Simultaneous Nadir Overpass)方法,将FY-3E HIRAS-Ⅱ和FY-3D HIRAS的观测资料分别与国际公认精度较高的Metop-B IASI(Meteorological Operational-B the Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)观测资料做匹配,经过时间、空间、观测几何和光谱匹配后得到SNO匹配对,通过计算亮温平均偏差和偏差标准差,并分析平均偏差与匹配对平均亮温的散点分布关系,评估FY-3E HIRAS-Ⅱ光谱资料的精度.结果表明:长波红外波段中,HIRAS-Ⅱ/IASI的大多数通道在两极的偏差绝对值低于0.5 K,在650~700 cm^(-1)强CO_(2)吸收波段内HIRAS-Ⅱ观测质量有所提高,HIRAS-Ⅱ在南极地区的标准差低于HIRAS.中波红外波段中,HIRAS-Ⅱ与HIRAS重叠的水汽吸收带波段内偏差标准差均小于1 K,在HIRAS-Ⅱ新增的水汽吸收波段内,标准差随波数增加略微增加.短波红外波段中,HIRAS-Ⅱ新增的波段标准差在1 K左右,个别通道的偏差与标准差出现异常增大.在2250~2380 cm-1波段内HIRAS-Ⅱ/IASI与HIRAS/IASI的偏差和标准差增大,其原因是高层大气受非局地热力平衡NLTE(Non-Local Thermodynamic Equilibrium)效应的影响,HIRAS-Ⅱ所受影响小于HIRAS.由于HIRAS-Ⅱ载于晨昏轨道卫星,观测过程中太阳对其影响很小,IASI与HIRAS则受太阳辐射影响,因此在大于2400 cm-1波数的波段HIRAS-Ⅱ与IASI偏差较大,且当观测亮温高于245 K时,HIRAS-Ⅱ/IASI的平均偏差与平均亮温呈线性升高趋势.

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1000 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。

对24种大气成分的热红外天底观测

热红外天底探测仪是观测诸如水汽、二氧化碳和臭氧等大气组分总柱含量或垂直剖面的理想仪器。低于5cm-1光谱分辨率的高分辨率探测仪能够分辨痕量气体细微的光谱特征。在第一台高光谱探测仪IRIS出现的40年后,现在几款改进了仪器特性的仪器已经在轨运行。本文评述了应用热红外天底探测仪观测痕量气体,重点在于红外大气探测干涉仪(IASI)的新近观测。文章介绍了14种非常活泼的痕量气体的典型观测。从天底视角观测气体讲,一些组分属首次报道,包括亚硝酸、呋喃、乙炔、丙基烯、乙酸、甲醛和氰化氢;这些组分是在2009年2月澳大利亚丛林大火的火积云中观测到的。由于能够观测这些大量活性的痕量气体,所以我们关于源排放及其对环境和气候方面影响的知识可能会加深。

DRP-4DVar方法同化AIRS反演资料在一次江淮流域暴雨中的应用

利用经济省时的降维投影四维变分同化方法（DRP-4DVar）,在2009年7月22~23日江淮流域的一次大暴雨过程中同化晴空条件下高光谱大气红外探测仪（AIRS）反演温度、湿度廓线,改进此次强降水过程的模拟。试验结果分析显示,同化AIRS反演的温度及湿度场后,基于四维变分同化系统的模式约束,能够改进湿度场、高度场、高低层散度场。从累积降水量偏差图及同化试验增量图可以看到,正降水量偏差对应于正湿度增量、负位势高度增量及低层负散度高层正散度增量,负降水量偏差则与之相反。同化试验较参照试验可更好地模拟出暴雨的天气形势、对暴雨的落区及强度有更好的反映。此外,从单次同化与连续同化的试验对比结果看出,连续同化试验结果较单次同化结果有进一步的改进,说明不断加入新的观测资料可以更好地模拟强降水过程。

VIRR/FY-3A分裂窗波段与AIRS/AQUA和IASI/METOP-A数据的交叉辐射定标

实际应用显示搭载在风云三号A星(FY-3A)上的可见光红外扫描辐射计(VIRR)的两个分裂窗波段(IR4,~10.8μm;IR5,~12.0μm)存在定标偏差。本文选择高光谱卷积法,用AQUA卫星搭载的大气红外探空仪(AIRS/AQUA)和METOP-A卫星搭载的干涉式红外大气探测仪(IASI/METOP-A)的观测数据对VIRR/FY-3A的两个分裂窗波段进行交叉辐射定标。根据卫星轨道特点,选择北极地区(60°N^90°N,180°W^180°E)作为研究区域,并选择2010年6月、9月、12月以及2011年3月作为研究时间段。首先,分别将AIRS/AQUA和IASI/METOP-A数据与VIRR/FY-3A的第4波段和第5波段的光谱响应函数进行卷积;对观测数据进行重采样,并基于普朗克黑体辐射公式实现辐射值和亮度温度之间的转换。然后,使用两个相关的匹配条件提取VIRR/FY-3A分别与AIRS/AQUA、IASI/METOP-A在第4波段和第5波段的匹配观测点对。最后,对匹配观测点对进行回归分析,得到交叉辐射定标偏差订正方程的系数。结果表明AIRS/AQUA和IASI/METOP-A的在轨辐射定标非常一致。以AIRS/AQUA和IASI/METOP-A波段的辐射定标为标准,VIRR/FY-3A第4波段的平均定标偏差分别为2.39K和2.06K,第5波段的平均定标偏差分别为0.59K和0.44K。实验指出定标偏差与亮度温度有关。

FY-3F/HIRAS-Ⅱ的发射前光谱定标

基于仪器的光学视场特性进行有限视场和离轴效应的光谱模拟,研究针对面阵傅里叶光谱仪光谱校正的方法。首先,开展仪器线型函数(ILS)影响分析,确定不同影响因素(有限光程差、有限视场、离轴效应等)的分析方法;其次,以面阵型圆形探测器为例,结合仪器自身光学特性,构建仪器线型函数模型;然后,利用气体吸收光谱模拟离轴效应产生的光谱定标误差和光谱敏感性;最后,基于FY-3F/HIRAS-Ⅱ发射前光谱定标数据,进行光谱校正和定标精度验证。实验结果表明:有限视场和离轴效应使得光谱存在展宽,并向低波数方向偏移。经过光谱定标和校正,中心最差像元光谱定标精度由-24.69×10^(-6)减小到0.54×10^(-6),边缘最差像元由-513.38×10^(-6)减小到-0.15×10^(-6),且3个波段内所有像元均满足小于7×10^(-6)的指标要求。

遥感气体探测技术在地震监测中的应用

扼要介绍了卫星高光谱红外大气遥感的原理,气体组分探测技术、反演技术和研究应用的发展历程,着重介绍了该技术在地震监测中的研究应用。遥感气体地球化学在地震监测方面的应用大致可以分为间接观测和直接观测2个方面:1利用卫星红外遥感间接监测地震断裂带脱气;2利用卫星探测大气成分的传感器直接监测地震前后的气体地球化学异常。通过分析地下气体逸散引起的物理化学异常与地震活动的关系,提取地震气体地球化学信息。介绍了典型震例的气体地球化学异常特征及其可能的形成机理,提出了存在的问题以及未来的研究重点。

FY-3E同平台成像仪对HIRAS-II定位与定标精度评估

我国晨昏轨道气象卫星风云三号E星(FY-3E)上搭载了红外高光谱大气探测仪Ⅱ型(HIRAS-Ⅱ),该仪器的高地理定位精度和辐射定标精度是其观测资料定量化应用的关键。采用交叉比对方法,基于同卫星平台搭载的中分辨率光谱成像仪-微光型(MERSI-LL),评估HIRAS-Ⅱ的地理定位和辐射定标相对偏差。两台仪器的观测数据样本经空间匹配后,采用MERSI-LL数据评估匹配样本的观测背景均匀性,用海陆或云体边界的非均匀背景观测样本评估HIRAS-Ⅱ的地理定位精度,用晴空海洋等场景的均匀背景观测样本评估HIRAS-Ⅱ的辐射定标精度。在交叉比对前,将HIRAS-Ⅱ观测辐射光谱与MERSI-LL各红外通道光谱响应函数积分得到MERSI-LL各红外通道的高光谱模拟观测数据。结果表明:星下点处HIRAS-Ⅱ地理定位沿轨道方向偏离3.53 km,沿跨轨道方向偏离2.01 km;在辐射定标精度方面,HIRAS-Ⅱ与MERSI-LL多数通道的辐射亮温(BT)偏差均值小于0.50 K,偏差标准差小于0.40 K,仅4.05μm通道对低温目标的偏差较大,且该通道温度依赖明显;4.05μm通道BT偏差随扫描角度呈现波动性变化,8.55μm通道BT偏差随扫描角度变化不明显,其他通道BT偏差随扫描角度的变化规律与目标温度有关;偏差长时间序列分析表明,BT偏差整体保持稳定。