联合静止气象卫星成像仪和高光谱红外大气探测仪观测的三维水平风场反演

风云四号A星(FY-4A)上搭载的干涉式红外探测仪(GIIRS)是首个地球静止轨道上的红外高光谱大气探测仪,它可以提供连续的三维大气温度和水汽的观测,通过追踪水汽的移动可以反演得到不同高度的大气水平风场。本研究利用台风玛丽亚(2018年)期间FY-4A加密观测(15分钟间隔)的GIIRS数据开展晴空和部分云区的三维水平风场算法研究,重点研究如何联合同一卫星平台的多光谱成像仪(AGRI)改进GIIRS部分云视场区的三维风场反演结果。利用ERA5独立测试集、CRA40再分析和空投探空数据开展对晴空和云区的三维风场反演结果的检验,基于该个例的反演结果表明:(1)基于GIIRS亮温信息反演得到对流层水平风场,在晴空区均方根误差小于1.5 m s^(-1),方向绝对差基本在15°左右,在部分云视场区,均方根误差为1.5~1.7 m s^(-1),方向绝对差基本在20°左右。与光流法相比,基于GIIRS亮温的直接反演表现出更好的优势,其均方根误差和方向绝对差明显小于光流法的结果。(2)按云量和云顶高度分类后,表现出云量越多、云顶高度越高则RMSE(Root Mean Square Error)越大。在部分云视场区,进一步在反演模型输入中加入来自同平台上成像仪(AGRI)云量和云高信息后,RMSE有所减小,表明更高空间分辨率的AGRI产品可以改进GIIRS部分云覆盖区的风场反演精度。(3)基于GIIRS亮温信息反演的风廓线与CRA40再分析、空投探测风廓线有较好的一致性,表明利用静止卫星红外高光谱大气探测仪观测亮温反演风场的合理性和可行性。

干涉式大气垂直探测仪光学基板的轻量化设计

采取在光学基板背面挖减轻孔的方法来实现对干涉式大气垂直探测仪的光学基板进行了轻量化设计。通过有限元分析的方法首先确定最合理的减轻孔个数,然后采用有限元参数优化的方法对减轻孔的长、宽两个设计参数进行了优化,从而获得光学基板的最佳设计方案。轻量化后光学基板的质量减少到了原来的25%,因此光学基板的轻量化设计为今后航天仪器光学基板结构的设计提供了理论依据。

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。

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪在轨定标及性能评价

干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)是风云四号A星(FY-4A)的三大主载荷之一,其主要功能是实现大气温度和湿度参数的垂直结构观测.为了满足卫星数据定量化应用的要求,FY-4A星成功发射之后,围绕GIIRS开展了一系列的在轨定标和性能评价工作.评价结果表明:除部分通道受到有机挥发物的影响,85%的通道灵敏度优于设计指标;利用大气辐射传输模式,通过比较观测光谱与模拟光谱的均方根误差来确定激光有效采样频率,实现了GIIRS在轨光谱定标,精度达到10 ppm;利用星上面源黑体,考虑到非理想干涉图的相位影响,采用改进后的两点式外黑体定标法,实现了星上在轨辐射定标,长波和中波的平均亮温偏差均小于1 K,优于设计指标.

干涉式大气垂直探测仪读出电路研究

干涉式大气垂直探测仪是风云4号气象卫星的重要有效载荷,用于获取大气的多种三维信息。成功设计了一款适用于干涉式大气垂直探测仪的红外焦平面读出电路。电路采用CTIA注入级结构,积分电容4档可选。并且工作方式灵活,同时采用相关双采样结构有效地降低了电路输出噪声。电路使用CSMC 0.5μm 2P3M 5 V工艺流片,电路测试结果符合理论设计预期,噪声小于0.14 mV,动态范围达到85.6 dB。耦合中波HgCdTe探测器测试正常,噪声小于0.43 mV,动态范围达到75.6 dB,符合干涉式大气垂直探测仪红外焦平面要求。

风云四号干涉式大气垂直探测仪在台风监测中发挥重要作用

“玛莉亚”“安比”“云雀”“摩羯”……今夏台风一个接一个。你是否感觉到今年台风预报比往年更加精准、及时？这是因为2016年11月升空的风云四号气象卫星上，那些实现了技术代际提升、步入世界先进水平的“风云眼”.

空间大气环境干涉式监测仪动镜驱动技术

本文介绍了国内外干涉光谱仪的发展近况和迈克尔逊干涉仪的工作原理,研究了动镜的运动情况对干涉仪性能的影响以及国内外干涉光谱仪动镜驱动机构,然后介绍了DSP芯片的特点及控制电机运动的情况,最后对动镜驱动中存在的问题和难点进行了分析。

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。

面向资料同化的FY-4A卫星GIIRS探测仪偏差特征分析和偏差订正

干涉式大气垂直探测仪(Geostationary Interferometric Infrared Sounder,简称GIIRS)是国际上第一部对地静止卫星平台上的高光谱红外大气垂直探测仪,能为对流尺度区域模式预报提供所需的高时空和高光谱分辨率的大气状态信息。本文利用高分辨率区域模式WRF及其同化系统WRFDA对GIIRS观测的偏差(观测亮温减去模拟亮温,记为O-B)分布特征进行了全景分析,结果表明:长波通道O-B偏差和标准差普遍小于中波通道,且都存在一段受污染的通道。O-B偏差的日变化和偏差与卫星天顶角的关系相对较弱,而所有筛选通道的偏差都与亮温值及卫星的扫描阵列位置有关,偏差的水平分布主要表现出“阵列偏差”的特征。2020年重新定标后,GIIRS观测数据质量比2019年有明显提高。在此基础上进一步进行了偏差订正试验,试验发现选取扫描阵列作为偏差订正的主要因子,都能有效地改进2019年和2020年筛选出的GIIRS通道的偏差,订正后O-B和O-A的系统性误差(偏差)都变小。该研究结果可为全球/区域模式中同化GIIRS长波及中波通道的辐射资料提供参考。

基于FY-4A卫星探测区域模式背景误差和观测误差估计的长波红外通道选择研究

中国新一代静止气象卫星风云四号A星(FY-4A)上搭载的干涉式大气垂直探测仪GIIRS (Geostationary Interferometric Infrared Sounder)是世界上首台在静止轨道运行的高光谱红外探测仪器,拥有1650个通道,其中长波通道689个,中波通道961个。由于计算机存储能力、数据传输和变分同化时效性等限制,目前很难在业务环境中同化全部通道,并且多通道卫星信息往往存在一定的空间相关和光谱相似,故在实际应用中必须降低高光谱资料的通道维数,去除数据冗余和观测相关性,挑选出对特定目标起主要作用的通道子集,进而利用有限的通道来最大限度地提供观测信息。考虑GRAPES (Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)数值预报系统估计得到的FY-4A观测范围内的背景误差协方差矩阵,并且在GIIRS观测误差后验重估计的基础上,结合通道权重函数峰值和信息熵分步迭代法对其长波通道进行了通道选择研究和试验。结果表明,在给定选择通道个数时,权重函数法和信息熵方法得到的通道组合进行温度和湿度误差分析时误差整体比单一方法小,在给定通道个数(40个)少于单一方案(50个)时,误差分析结果相当。GIIRS最优通道选择的研究为该资料的同化应用建立了基础。

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。

干涉图零光程差位置的确定方法

风云四号A星干涉式大气垂直探测仪在轨运行以来发现,受噪声、采样误差、条纹计数错误等影响,干涉图零光程点会发生定位偏差.干涉条纹平移引起的相位误差与波数成线性关系,对残余相位进行线性回归分析可以得到零光程差位置的偏移量.利用在轨实测数据,应用残余相位方法,分析了零光程点定位偏差校正前后对相位谱及辐射光谱的影响.该方法已经应用于风云四号A星干涉式大气垂直探测仪的在轨数据预处理中,并取得了很好的应用效果.

FY-4A星GIIRS大气温度廓线反演模拟试验研究

结合全球大气晴空训练样本(CIMSS)数据,利用辐射传输模式,模拟获得干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)亮温资料,结合人工神经网络反演方法,研究了风云四号(FY-4)卫星高光谱红外载荷大气温度反演方法,并研制了全圆盘和中国区域两套大气温度反演模型。反演试验结果表明:对流层大气温度反演精度明显高于平流层,以中国区域反演模型为例,对流层和平流层大气温度反演均方根误差(RMSE)分别为0.846,2.020K,平均误差分别为-0.003,0.024K;比较中国区域和全圆盘大气温度廓线反演精度,中国区域大气温度精度明显高于全圆盘,0~70km处大气温度反演的均方根误差分别为1.922,2.630K;与欧洲极轨卫星(Metop-A)IASI数据的温度廓线反演结果比较,FY-4A星GIIRS的温度反演精度在低层(>500hPa)(RMSE=0.790 K)优于IASI(RMSE=0.976K),在高层(<500hPa)(RMSE=1.803K)低于IASI(RMSE=0.899K)。研究对FY-4卫星GIIRS的大气温度廓线反演及其应用有重要的参考价值。

风云四号获首张静止轨道大气高光谱图

中国国防科工局、中国气象局近日联合发布了风云四号A星获取的首批图像与数据,世界第一幅静止轨道大气高光谱图正式亮相。这是由风云四号A星上首次搭载的干涉式大气垂直探测仪获得的,它标志着人类在静止轨道上的大气观测由二维进入三维。据悉。

FY-4卫星应用和发展

介绍了我国新一代静止气象卫星风云四号(FY-4)卫星应用及其发展。给出了FY-4卫星装载的先进静止轨道辐射成像仪、静止轨道干涉式红外探测仪、闪电成像仪和空间环境监测仪4种主要观测仪器,以及卫星的观测能力和提供的定量化产品,并与我国现有的业务卫星风云二号(FY-2)卫星和国际同期在轨静止气象卫星性能进行了比较。FY-4光学卫星系列与美国GOES-R、日本Himawari-8/9卫星和欧洲MTG卫星性能相似,属于与国际同期发展的先进静止气象卫星。给出了FY-4A星获得的图像和数据。列出了FY-4A星的基本定量产品,给出了使用的仪器、数据特性、物理意义,以及应用领域、方法和范例。描述FY-4卫星提供的定量化产品及其在数值天气预报、气候、生态环境、专业气象服务、人工影响天气、空间天气监测预警等领域的应用,并介绍了FY-4A星在轨测试期间的部分应用。对FY-4后续业务卫星发展进行了展望。

2016年中国卫星应用十大事件

一天通一号01星顺利升空实现手机卫星移动通信2016年8月6日,天通一号01星顺利升空。天通一号01星是由中国空间技术研究院负责研制的中国首颗移动通信卫星,也被誉为＂中国版的海事卫星＂。中国航天科技集团公司成功研制了天通卫星手机,该手机是首部使用天通系统的智能手机。该手机可自由切换卫星通信与地面通信模式,兼容3G和4G网络,支持短信、微信、视频及资料传输功能,支持北斗卫星导航系统和美国GPS系统。天通卫星手机的零售价格将从1万元人民币起,通信费用从每分钟1元人民币起。

FY-4A/GIIRS资料云上温度廓线反演研究

云污染容易造成星基红外高光谱观测精度下降,导致大量观测信息损失。针对有云情况下的干涉式大气垂直探测仪(FY-4A/GIIRS)的观测数据,提出一种云上温度廓线反演方法。利用辐射传输模型分别开展晴空和有云情况下的观测亮温模拟实验,统计分析不同通道的模拟亮温变化特征,根据云顶气压确定通道优选方案,通过神经网络算法实现云上的温度廓线反演,温度廓线反演的精度评估采用ERA5再分析数据作为参照标准。实验结果表明均方根误差(RMSE)整体优于1.5 K,反演的温度廓线具有较高的精度,有效地提高了FY-4A/GIIRS在云污染情况下的观测资料使用率。