多波段微波辐射计反演大气温湿廓线性能分析

为了为星载、机载以及地基微波大气温湿廓线探测仪通道的设置、大气参数反演指标的论证、反演算法的开发以及反演产品的质量评定提供参考依据,基于快速辐射传输模式(RTTOV10)和大气参数廓线库,建立了基于神经网络的微波大气温湿廓线反演性能分析方法,分析了反演方法、通道选择、亮温观测误差和地表比辐射率等因素对大气温湿廓线反演性能的影响。模拟试验分析表明:1神经网络反演算法显著优于线性统计回归反演算法,特别是对亮温观测噪声的敏感性相对较弱;2183.31GHz附近的水汽探测通道能够为大气温度廓线反演提供一定的信息;118.75GHz附近的温度探测通道对整个大气的温度反演均有明显影响,在200hPa附近误差的影响量达0.4K;350~60GHz和118.75GHz附近的温度探测通道对基于183.31GHz附近通道的湿度廓线反演具有重要影响,而且存在一定的互补性;4微波亮温观测误差以及地表比辐射率假定对大气温湿廓线反演有着显著影响。     

多通道地基微波辐射计的1D-VAR反演算法研究

地基微波辐射计当前已成为大气参数连续观测并同步反演天气预报的重要工具之一,研究表明随着辐射计通道数目的增多,信息量增大,数值天气的预报能力也会更强.本文着眼于较多通道的地基微波辐射计,探索尝试利用一维交分法对其大气廓线进行反演仿真,利用相关算法对反演结果的垂直分辨率和精确度进行了评估,同时对比了不同通道数量的辐射计的反演性能.结果表明,大气廓线垂直反演值能够以较小的误差接近数据库真实值,具有更高的垂直分辨率和反演精度,能够提供更准确的反演结果,这对较多通道的微波辐射计的研究论证有着重要作用,对提高天气的预报能力有着重要意义.     

GF-5卫星模拟单通道SST反演

针对国内外热红外数据空间分辨率低、反演温度精度低的问题,提出了基于高分辨率GF-5卫星热红外通道修订的单通道海表温度(sea surface temperature,SST)反演算法。以大气传输模型软件(moderate resolution atmospheric transmittance and radiance code4.0,MODTRAN 4.0)与全球大气廓线数据(thermodynamic initial guess retrieval,TIGR)为基础,采用Jiménez-MuozSobrino's单通道算法和QIN单通道算法对GF-5卫星热红外数据进行SST的模拟反演研究。通过对比不同条件下的反演误差,结果表明,B11通道的反演精度高、效果最好,B12、B10通道次之,B09通道反演精度最低;传感器垂直向下观测即观测天顶角为0°时的SST反演精度最高。由于单通道算法反演误差较大,因此进行了二次修订,修订后效果有明显改善,误差在1K以内。     

卫星红外高光谱反演大气水汽含量

利用高光谱大气红外探测仪AIRS模拟及观测数据,发展基于主成分分析技术的多层前馈神经网络反演算法,进行大气中水汽柱总量(IWV)的反演计算、模拟及实测验证。首先,基于全球晴空大气廓线训练样本SeeBorV4.0,利用快速辐射传输模式CRTM进行了辐射传输模拟计算,得到全球高光谱分辨率模拟辐亮度;其次,利用主成分分析技术对模式模拟和AIRS实测高光谱数据进行降维、去噪及去相关处理,并采用多层前向神经网络算法反演大气水汽柱总量;最后,利用数值试验、AIRS实测L1B数据及其水汽产品,对反演算法进行了验证。通过与AIRS官方大气产品的统计分析,本算法反演均方根误差为0.387 g/cm²,最大偏差为0.82 g/cm²,空间分辨率保留了AIRS像素原分辨率(比AIRS官方大气产品高3倍)。     

卫星遥感大气的层析扫描反演方法

为了解决卫星气象的迫切需要，提高低层大气常规大气参数测量的精度和垂直分辨率，并兼顾中高层大气研究的需要，借鉴了医学上的ＣＴ扫描反演的思路，发展了一种“卫星层析扫描反演技术”即采用一种具有天底横向扫描；沿轨多角度扫描的中低分辨率传感器，利用ＣＴ反方法，可以在低层大气中获得１－２ｋｍ垂直分辨率１－１０ｋｍ水平分辨率的温度、湿度廓线的三维分布，能够探测较高层大气，并能快速覆盖分球。采用美国标准大气模式，     

星载差分吸收气压雷达的系统仿真与性能分析

提出一种工作在65~70 GHz强氧气吸收波段的星载差分吸收气压雷达,用以连续获取全球高时空分辨率的海面气压数据。通过对星载差分吸收气压雷达系统设计需求的分析,利用大气廓线数据和大气吸收系数模型,对海面气压差分吸收的性能进行了仿真及性能分析。仿真结果表明：通过强氧气吸收波段下的海面气压和差分吸收指数之间存在线性关系,星载差分吸收气压雷达在66 GHz与69 GHz的工作频率下晴空时得到的海面气压估计的均方根误差在2.6 mbar,不同云况下得到的海面气压估计的均方根误差在3~4 mbar,为后续雷达系统的设计与工程实现提供了参考与依据。     

基于Hyperion影像的高光谱水汽含量反演的算法比较研究

基于高光谱遥感图像数据的大气参数反演和一体化辐射校正具有重要研究意义和应用价值。首先,通过6S模型辐射传输计算分析了EO-1/Hyperion遥感影像在940和1 130nm附近水汽吸收区域的光谱吸收特点。其次,采用两通道比值法和三通道比值法,比较了不同波段组合的大气含水量高光谱遥感反演精度并进行了敏感性分析,模拟实验结果表明采用三波段比值算法的相关系数和均方根误差均优于对应的两波段算法。最后,利用张掖地区2008年3景EO-1Hyperion高光谱遥感影像,反演了大气含水量,并与地基CE-318太阳分光光度计测量数据进行对比验证,结果表明:1 124nm水汽吸收通道反演精度优于940nm,两通道和三通道比值法的均方根误差分别为0.369和0.128g/cm2,三通道比值方法优于两通道比值方法,与地面观测结果一致。     

遥感大气结构的地基12通道微波辐射计测量结果分析

用地基12通道微波辐射计在北京地区做了为期1年(2005年8月～2006年8月)的测量,测量得到的水汽总量与探空资料得到的水汽总量的相关系数在0.97以上。由神经网络反演得到的温度、湿度和水汽廓线与探空得到的结果,按照春、夏、秋、冬4个季节做了对比分析。同时分析了在2006年4月17日北京发生沙尘暴期间,微波辐射计观测的总水汽量的变化特征以及反演得到的各种廓线结构特征。发现在沙尘暴发生期间,北京的水汽总量出现明显增长,其最大值达到2.25cm,而2006年4月份的平均总水汽量为1.057 cm。且发生沙尘暴期间北京地面到1 km高度范围内温度升高,即发生沙尘暴时,边界层的热力结构也发生了变化。这些特征变化,地基12通道微波辐射计都可以观测得到。     

人工神经网络反演算法反演北京地区湿度廓线

微波湿度计（MWHS）是风云三号卫星的主要有效载荷之一,其频率为150GHz（双极化）和183.3lGHz（三通道）,分别用于探测大气窗区和水汽廓线。采用垂直于飞行方向的交轨扫描方式,科学目标是探测大气湿度的垂直分布。本文简要介绍微波大气湿度探测的基本原理,阐述了湿度廓线反演的各种方法,着重运用人工神经网络算法,反演北京地区的大气湿度的垂直分布。结果表明,运用风云三号微波湿度计数据,大气湿度垂直分布反演值与已知的探空数据相比,虽有误差,但在可接受范围之内,反演结果可应用于气象,通信等领域,并具有重要应用价值。     

利用高频微波被动遥感探测大气

现已上天的微波辐射计大都采用１００ＧＨｚ以下频率,其观测资料应用的最大限制就是它们的空间分辨率不够高。随着高频微波元器件研制技术的不断发展,我们对使用毫米波、亚毫米波及更高频段进行地气系统遥感的可行性及重要性都已有了相当充分的认识。这里试图给出一个有关使用微波１１０ＧＨｚ以上高频在进行大气参量被动遥感方面研究的简要综述,包括大气温度和湿度廓线的反演、卷云遥感以及云和降水的探测     

中国江淮、黄淮地区陆面微波比辐射率的变化特征

陆面微波比辐射率较高且易变,造成陆面上反演降水以及其它大气参数较为困难。对于地表特征复杂的中国,陆面微波比辐射率的研究还很有限。通过利用Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM)卫星上同步扫描的VIRS（红外和可见光）与TMI（微波）资料以及微波辐射传输模式反演了中国江淮、黄淮地区陆面微波比辐射率。然后,结合MODIS提供的地表类型数据,分析了江淮、黄淮地区不同地表微波比辐射率的时空变化特征。 结果表明该地区的农作物地表比辐射率最小,垂直与水平比辐射率极化差最大;而森林地表比辐射率最大,极化差最小。此外,不同地表的微波比辐射率昼夜变化明显,季节变化不明显。比辐射率估算误差中,地表温度、微波亮温和大气相对湿度3因子的准确计算对22 GHz和85 GHz的影响较为明显,对其它通道影响较小。对于小于85 GHz的通道,比辐射率估算精度受微波亮温的影响最为明显,地表温度其次,相对湿度最小;对于高频85 GHz,相对湿度的影响最明显,其次是微波亮温,最后是地表温度。     

Microwave remote sensing of plant water stress

The sensitivity of microwave (MW) emission to physical conditions of vegetation has been assessed by means of ground-based microwave and infrared radiometers. Measurements on corn and wheat have shown an inverse correlation between the normalized brightness temperature (T_N) from the Ka band (36 GHz) and the atmospheric water vapor pressure (VP) at the top of vegetation. From this observation, we show that a crop water stress index can be calculated by means of down-looking MW sensors, provided air temperature is known. A polarization index (PI) dependent only on microwave measurements was shown to be related to crop water stress.     

小卫星大气微波探测仪及其应用模拟研究

小卫星大气微波探测仪技术是目前微波遥感技术的一个研究热点.通过研制一台小卫星大气微波探测仪(以下简称大气微波探测仪,英文简称SAMS)并搭载在我国的商业小卫星上,实现对大气温湿度、极端天气和降雨的快速测量.介绍了 SAMS的应用方面设计的特点,并结合目前的灵敏度测试数据,分析了在轨应用性能,尤其是在海面气压、大气湿路径...     

星载微波辐射计对玉树地震岩石破裂辐射异常的初步检测

实验发现岩石挤压破裂会在特定微波频段辐射能量增强。根据星载微波辐射计AMSR\|E 2003年至2010年4月中上旬8 a的辐射亮度温度(T^_b)数据,提出辐射异常指数RAI,检测地震岩石挤压破裂产生的微波能量辐射异常。利用大气辐射传输模型,分析地表物理温度和大气水汽含量等变化对于检测RAI的影响。对2010年4月12日(2010年4月14日玉树地震发生前两日)的T_b数据作RAI分析,RAI异常的检测区域与地震主断裂带分布有明显的空间相关性。     

Validation of ground-based microwave radiometer data and its application in verifying atmospheric stability over Mahbubnagar during 2011 monsoon and post-monsoon seasons

Atmospheric instabilities, mainly convection, depend on temperature distribution and moisture availability. The development of convection can often lead to the formation of clouds and precipitation, release of latent heat, etc. The initiation or development of instabilities has to be studied in detail with high-resolution, ground-based instruments such as ground-based microwave radiometric measurements. In this study we evaluated ground-based microwave radiometer data (MWR)-retrieved temperature and relative humidity profiles and compared these to radiosonde observations. Analysis showed that MWR-measured temperature (specific humidity) has a warm (wet) bias below 3 km and cold (dry) bias above that altitude. Correlation of stability indices estimated from radiometer and radiosonde showed fairly good correlation, with a correlation coefficient greater than 0.5 with 95% significance. MWR was then utilized for the verification of atmospheric stability over Mahbubnagar (16° 44′ N, 77° 59′ E), India, during the second half of the monsoon and start of post-monsoon seasons. Radiometric observations showed strong day-to-day variation of atmospheric parameters as well as thermodynamic indices during the monsoon, which were weak during the post-monsoon season. The seasonal mean of thermodynamic indices and the associated seasonal difference showed that thunderstorm potential is higher during the post-monsoon season over the study site.     

Preliminary applications of a land surface temperature retrieval method to IASI and AIRS data

Land surface temperature (LST) is one of the key state variables for many applications. This article aims to apply our previously developed LST retrieval method to infrared atmospheric sounding interferometer (IASI) and atmospheric infrared sounder (AIRS) data. On the basis of the opposite characteristics of the atmospheric spectral absorption and surface spectral emissivity, a ‘downwelling radiance residual index’ (DRRI) has been recalled and improved to obtain LST and emissivity. To construct an efficient DRRI, an automatic channel selection procedure has been proposed, and 11 groups of channels have been selected within the range 800–1000 cm^?1. The DRRI has been tested with IASI and AIRS data. For the IASI data, the radiosonde data have been used to correct for atmospheric effects and to retrieve LST, while the atmospheric profiles retrieved from AIRS data have been used to perform the atmospheric corrections and subsequently to estimate LST from AIRS data. The differences between IASI- and Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)-derived LSTs are no more than 2 K, while the differences between AIRS- and MODIS-derived LSTs are less than 5 K. Even though an exceptionally problematic value occurred (–12.89 K), the overall differences between AIRS-estimated LST and the AIRS L2 LST product are no more than 5 K. Although the IASI-derived LST is more accurate than the AIRS-derived one, the convenient retrieval of AIRS atmospheric profile made this method more applicable. Limitations and uncertainties in retrieving LST using the DRRI method are also discussed.     

临边微波辐射计亮度温度的模拟与敏感性分析

使用辐射传输模式LBLRTM,模拟计算毫米-亚毫米波段微波临边探测仪的信号亮度温度,分析研究其对于多种大气成分的敏感性。首先从谱线的选择,分析了25种大气成分在毫米-亚毫米波段的线强分布谱,并对这些成分进行了亮温敏感性研究,定量得出各成分亮温的变化范围和敏感性。然后,对模拟得到的这些成分是否存在时的亮温变化进行分析,从而选出5个谱段内较高可探测性成分。最后,结合当前对大气各成分的关注度以及技术可行性的考虑,提出研制包含5个辐射计的微波临边扫描探测仪的方案。     

SMMR与SSM/I被动微波亮度温度数据交叉定标

过去30 a星载微波辐射计（SMMR和SSM/I）长时间序列的被动微波亮度温度数据,在陆地表层系统科学以及气候变化研究中起到了非常重要的作用。由于卫星及其携带的微波辐射计的更新,不同传感器所测得的同一地物在同一时间的亮温存在不同程度的偏差,通过分析相邻传感器重复观测时期同一地表18/19GHz和37GHz水平和垂直极化的亮度温度,并以DMSP的F13卫星上的SSM/I传感器为标准,建立了4个通道的交叉定标系数。 