FY-4A GIIRS数据探测大气水汽和臭氧的垂直空间特性评估

红外高光谱大气垂直探测仪数据的垂直空间特性由探测仪光谱性能指标间接决定,并与所关注的大气参数及其变化有并。本文在剔除大气参数探测信噪比过低的无效通道的基础上,针对FY-4A卫星红外高光谱大气垂直探测仪GIIRS数据对水汽和臭氧变化响应的峰值高度、高度分辨率、垂直不对称性及垂直覆盖范围进行了评估,并与大气温度探测的垂直空间特性评估结果进行对比分析。结果表明:1)和大气温度一样,FY-4A GIIRS对大气水汽具有垂直分布探测能力,水汽探测垂直覆盖12 km以下对流层(探测峰值高度在11 km以下),而大气温度探测覆盖整个对流层和平流层中下层;2)FY-4A GIIRS对臭氧具有10～21km高度范围臭氧总量探测能力,探测峰值高度集中在16.4 km附近。本研究有助于从探测垂直空间特性角度把握FY-4A GIIRS红外高光谱数据应用能力。     

基于信息容量的FY-4A/GIIRS红外光谱探测能力 研究

利用LBLRTM逐线积分模式开展不同大气状况条件下各大气参数在FY-4A/GIIRS红外通道的光谱敏感性分析,在此基础上,以信息熵和自由度为判据,对FY-4A/GIIRS高光谱探测资料所包含的温度、水汽、臭氧等大气参数信息容量进行定量化描述,从而评估FY-4A/GIIRS对大气参数的可反演能力.研究结果表明:(1) FY-4A/GIIRS长波波段对温度和水汽的敏感度与大气状况相关,而对臭氧的敏感度在不同大气状况条件下差异不大;(2)初步揭示了FY-4A/GIIRS具备大气温湿和臭氧廓线反演的应用潜力,在相同大气条件下,FY-4A/GIIRS红外光谱所包含的温度信息容量最大,水汽其次;(3)在热带大气条件下,FY-4A/GIIRS所包含的温度和水汽信息容量最丰富.     

地基红外高光谱遥感大气温湿廓线反演研究综述

作为气象学和气候学研究的重要参量,温湿廓线在辐射传输过程、层结稳定度、对流有效位能、降水过程以及云的形成和演变过程中具有重要作用。目前,对大气温湿廓线的遥感探测主要有激光雷达、微波辐射计以及红外高光谱分辨率探测器等探测技术。总结了地基红外高光谱遥感大气温湿廓线在仪器、反演算法等方面的研究进展,重点介绍了统计反演算法和物理反演算法的基本原理,具体分析了不同算法在反演精度、稳定性和计算时间等方面的技术特点。最后,对目前地基红外高光谱遥感大气温湿廓线反演中存在的问题及未来的发展趋势进行了探讨。     

红外高光谱探测CO_2柱总量的敏感性分析

利用辐射传输模型MODTRAN5模拟计算了红外高光谱仪在光谱分辨率、光谱定标精度、地面反射率、大气廓线以及辐射分辨率对CO_2气体含量探测敏感性的影响,同时定义探测辐亮度随气体含量改变的变化量指标S值,并对探测灵敏度、光谱分辨率和信噪比SNR的关系进行了综合分析。为我国红外高光谱大气探测仪的设计以及高光谱大气成分反演研究的开展提供重要的科学依据。对CO_2柱总量反演通道的选择和实现CO_2气体探测敏感参数分析具有重要的参考价值。     

红外高光谱探测CO2柱总量的敏感性分析

利用辐射传输模型MODTRAN5模拟计算了红外高光谱仪在光谱分辨率、光谱定标精度、地面反射率、大气廓线以及辐射分辨率对CO₂气体含量探测敏感性的影响,同时定义探测辐亮度随气体含量改变的变化量指标S值,并对探测灵敏度、光谱分辨率和信噪比SNR的关系进行了综合分析。为我国红外高光谱大气探测仪的设计以及高光谱大气成分反演研究的开展提供重要的科学依据。对CO₂柱总量反演通道的选择和实现CO₂气体探测敏感参数分析具有重要的参考价值。     

近地层水汽含量的红外遥感

近地层水汽含量的红外遥感吴晓庆，魏合理，宋正方（中国科学院安徽光机所合肥）本文研究了利用水汽对近红外光谱的选择吸收测量可降水含量（一定距离每单位面积垂直路径上水汽密度的积分值）的可行性，采用差分吸收原理作了实际大气中水汽含量的遥感探测。文中详细介绍了...     

探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达

为了研制一种测量边界层大气温度的激光雷达,采用氮气和氧气的转动喇曼谱的强度比反演大气温度垂直分布的方法,对转动喇曼激光雷达系统进行了理论分析与实验研究,取得了边界层内的大气温度数据。结果表明,该激光雷达测量的大气温度在0km~2.5km处与大气模式表现出了较好的一致性,激光能量为100mJ,测量时间约为17min,垂直分辨率为7.5m;2.5km处信号随机起伏引起的统计误差达到1K,可以对边界层内2.5km以下的大气温度进行高精度测量;如果要使测量的高度进一步增加,可以增大激光脉冲的能量或选用口径大的望远镜。这对探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达系统的研制提供了有益的指导。     

基于微波高光谱技术的数据仿真及参数反演研究

发展高光谱微波辐射计对于提升大气参数反演精度具有重要意义。利用微波辐射传输模型mpm93以及BP 神经网络方法分别构建正演上行辐射亮温和反演大气温度廓线的模型,并研究了晴空条件下高光谱微波辐射计反演大气温度廓线的精度。54～58 GHz、64～68 GHz 在氧气吸收波段选取80 个通道作为高光谱通道,基于2015 年5～12 月昆明的探空资料进行正、反演仿真实验。选取微波成像仪/ 探测仪(SSMIS)的9 个温度探测通道进行对比实验,评估分析反演效果。实验结果表明:在大气3～10 km 高度范围内,高光谱通道的反演精度较SSMIS 提高了0.3 ～0.6 K;在0～3 km 高度范围内,反演精度提高了1 K。     

中高层红外光谱大气遥感研究进展

中高层大气环境探测对理解全球中高层大气结构、化学和能量循环至关重要,在临近空间光电工程中亦有重要应用.开展中高层大气红外光谱辐射信号的探测研究有助于理解其内部的物理化学机理,据此反演该层结的大气参数是中高层大气红外遥感的重要研究内容.根据中高层大气环境特性,对基于火箭和卫星的中高层大气红外光谱遥感探测进行了综述,列举了一些重要探测任务的主要科学结果,为我国的中高层大气红外遥感探测提供参考。     

卫星高光谱红外大气探测的正演模拟研究

利用精确的红外大气辐射传输计算模型KCARTA,模拟计算了光谱分辨率、通道光谱响应函数、光谱定标精度、大气倾斜路径和表面发射率对高光谱观测亮温的影响.正演计算的结果表明：1）提高光谱分辨率明显增加了可探测的大气亮温;2）各种内、外部因素的变化对高光谱仪器将产生远较低光谱仪器更大的观测亮温差.本研究可为我国高光谱大气探测仪器的设计以及高光谱大气探测反演算法研究的开展提供科学的参考依据.     

利用超光谱红外卫星数据反演大气廓线研究

建立新的物理反演法能同时反演大气温度廓线、水汽廓线、表层温度和地表发射率,该反演算法应用到我国黄海地区AIRS红外卫星资料中,可反演得到较高垂直分辨率的大气温度廓线和水汽廓+线,同时反演得到的表层温度和地表发射率、根据水汽廓线计算大气可降水量。     

Estimate of the tropospherical water vapor through microwaveattenuation measurements in atmosphere

The objective of this paper is to proceed, by investigating the statistics of simulated measurements based on a large dataset of radiosonde profiles, to assess the feasibility of active systems providing water vapor profile information based on Earth-satellite multifrequency differential attenuation measurements made in the 18-22-GHz range. Recently, in fact, we pointed out the potential and the advantages of such measurements, showing in particular how a spectral sensitivity parameter could be exploited to provide the total water vapor content and further information about the shape of its vertical profile. In this work, we present an in-depth statistical analysis of the relationship between the spectral sensitivity parameter and the water vapor content at different tropospheric layers. Furthermore, we discuss the performance of a simple amplitude modulation transmit-receive system that could be adopted to provide the sensitivity measurements. It is shown that a dual-frequency system can directly provide with good accuracy the columnar water vapor content separately from the content of the 3-9 km atmospheric layer     

Performance characteristics of a 300-GHz radiometer and some atmospheric attenuation measurements

A 300-GHz Dicke-type superheterodyne radiometer receiver was used for measurements of atmospheric attenuation of electromagnetic waves over an open path at frequencies near 300 GHz. The average measured values of horizontal attenuation at 304 GHz and 316 GHz, presumably due to atmospheric water vapor absorption, were, respectively, 3.35 dB/km and 5.55 dB/km per g/m³of water vapor density. Absorption variations at 304 GHz with respect to water vapor density were shown in the measured results. The variation of the effective zenith sky temperature with respect to atmospheric water vapor density was also determined. The minimum detectable temperature difference(Delta T)_{min}, was obtained by measuring the rms value of noise in the receiver output. The best value achieved was3.16degK. Based on this result, the receiver noise figure and the mixer conversion loss were determined indirectly. The results were 31.4 dB and 22.9 dB, respectively. A blackbody radiation source served to calibrate the radiometer.     

MODIS近红外水汽产品的检验、改进及初步应用——以黑河流域金塔绿洲为例

利用野外观测资料检验MODIS近红外水汽产品表明,该产品精度较低,不适合研究区大气水汽含量分析研究.考虑误差产生的原因,调整空间分辨率并引入地表覆盖类型信息进行反演,结果表明,反演的平均相对误差为4.47%,绝对误差为0.0456g/cm2,说明改进后结果有较大改善,精度较高.同时使用MODTRAN模拟出大气水汽含量与透过率存在较好的负相关关系,并据此计算大气透过率,为下一步计算地表温度及能量平衡中的各分量奠定基础.     

热红外遥感中大气透过率的研究(二): 大气透过率模式的应用

大气透过率是热红外遥感中的一个重要参数。针对前文构建的大气透过率模式, 以我国环境灾害卫星HJ-1B红外相机IRS第4通道的大气透过率模式为例, 利用辐射传输模型MODTRAN模拟水体辐亮度, 对模式中的变量引入不同的误差, 将模拟的辐亮度反演水温, 分析不同气溶胶模型、水汽量、能见度和观测天顶角对反演水温的敏感性。并将该大气透过率模式用于HJ-1B/IRS热红外图像中, 反演了2009年4月17日、21日、22日和25日太湖水温。研究结果表明: 同一波段、不同气溶胶模型的大气透过率模式在反演温度时会产生不同的误差, 以气溶胶模型为平流雾的最大、对流型的最小;大气透过率模式中3个变量的误差与温度反演的误差呈线性关系, 即变量的误差越大, 温度反演的误差也越大;以水汽量对温度反演最敏感, 观测天顶角其次, 能见度最弱。该大气透过率模式用于4天遥感图像反演中, 除4月17日反演的误差稍高, 均方根误差和平均相对误差分别为1.127 ℃和5.75%, 其他3天的均方根误差都小于1 ℃、平均相对误差在5%以下, 说明所建的大气透过率模式在热红外遥感中具有较高的应用精度。     

基于场景的热红外高光谱数据光谱定标

传感器每个波段的中心波长和半高全宽（Full Width at Half Maximum，FWHM）随成像环境变化会发生较大的系统性漂移。这种漂移最终会影响发射率和温度的反演精度，尤其是在大气吸收波段附近的发射率反演精度。选择水汽在11.73 m处的吸收通道作为参考波段，提出了适用于热红外高光谱数据的光谱定标技术流程。模拟实验表明:光谱分辨率为50 nm，中心波长偏移在-50~50 nm、FWHM变化在-25~25 nm时，大气水汽含量对光谱定标误差的影响最大。同时，对误差分布曲面进行拟合得到描述误差分布模型，用于误差的估计。当大气水汽含量足够大时，光谱中心波长偏移估算误差可达到1 nm以内。最后，将所提方法应用于机载热红外高光谱数据光谱定标。结果显示，热红外高光谱成像仪中心波长偏移为28.4 nm，FWHM变化为-18.5 nm。     

成像探测仪定标技术概述

星载成像傅里叶变换光谱仪在静止轨道获取高分辨率大气辐射光谱,通过数学反演获取水汽、温度、压力和微量气体的廓线和垂直特性。定标技术是仪器的关键技术,定标精度反映了仪器性能和遥感信息的应用水平。文章分析了极轨和静止卫星红外、可见光通道定标的现状,指出目前Goes系列卫星定标出现的各种问题和相应的解决办法。     

探测气溶胶-水汽的拉曼-米散射激光雷达系统

设计和构建了发射波长为355 nm和532 nm的户外型全天时激光雷达系统,用于探测大气气溶胶和水汽。运用355 nm和532 nm的米散射、532 nm的偏振、氮气和水汽分子的拉曼激光雷达技术,用于对边界层结构、对流层气溶胶和云光学特性及其形态、水汽混合比进行连续探测研究。该系统结构紧凑,运输方便,具备远程操作、数据传输、一键式启动等功能。利用该系统对大气气溶胶和水汽进行探测,探测结果表明：在大气气溶胶的探测过程中,在重污染条件下混合层高度较干净天低,在0.5 km以下,而干净天在1 km左右;通过对消光系数、Angstrom指数和退偏振比分析可知,重污染条件下,底层大气气溶胶以球形粗粒子污染物为主,干净天底层大气气溶胶以球形细粒子污染物为主;在云层中,Angstrom指数明显减小,且出现负值,说明云粒子半径较大。在水汽探测过程中,采用自标定方法获得系统的标定常数为121,与已标定的激光雷达系统对比,误差在±0.3 g/kg以内;连续探测结果表明可对夜晚5 km及白天混合层以内进行探测。该系统满足产品化的需求,可广泛运用于大气环境的监测领域中。