红外高光谱资料云检测方法研究

从红外高光谱资料的特点和应用现状出发,通过用晴空时观测光谱和背景光谱偏差矢量最小原理研究了特定云状下不同云量、云高和云水含量对观测光谱的影响,提出了一种新的红外高光谱资料云检测方法。从云污染视场中检测出不受云影响的通道,并用通过辐射传输模式(Radiative Transfer for (A)TOVS, RTTOV)模拟的大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)资料和实测数据进行了方法可行性和有效性验证。结果表明,该方法能有效地提高云污染区域红外高光谱资料的利用率,可为有云覆盖情况下的大气参数反演提供有效途径。     

红外卫星资料的云检测对台风数值模拟的影响

为提高红外卫星资料的利用率,需将更多的资料同化进入数值预报模式初始场,尽量减小云污染的影响。针对大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)卫星资料,用云检测方法识别了云顶高度。在验证该方法的有效性之后,在大范围卫星视场的含云区域中保留所有云顶以上的通道,并将这些通道的亮温数据同化进入数值预报模式初始场,通过对比分析不同方案下台风的模拟路径来评估云检测方法对台风数值模拟的影响。结果表明,该云检测方法的效果较好,检测出的晴空区及云区的分布与实际观测对应,检测得到的高云顶区域与台风云系的对应性较好。将云顶以上的通道亮温加以利用后,红外卫星资料的利用率得到很大提高,数据是原数据量的2.4倍。在台风路径模拟方面,同化云层以上的通道数据后,数据量的增加使路径模拟变得更精确了,与观测值明显接近。     

云参数对AIRS亮温模拟计算的影响试验

由于云污染对大气红外遥感的严重干扰,大量红外资料遭到了舍弃。为 了充分同化红外资料,提高初始场精度和改善数值预报效果,利用通用辐射传输模式(Community Radiative Transfer Model, CRTM) 模拟了大气红外探测仪(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)的通道亮温,并分析了云类型、云层含水量、云厚度和云顶高度等云参数对AIRS亮温的 影响。结果表明：(1)由于云层对红外辐射的截断作用,只有高于云顶的大气才会对辐射亮温产 生影响;(2)随着云层积分含水量的增加,亮温逐渐减小,但其减速放缓,直至不变;有效半径较 大的粒子对辐射的散射作用较强,相应亮温较小;(3)若云顶高度固定不变,云厚度的变化 则不会对亮温产生影响;若云底高度固定不变,云层越厚,相应的亮温越小;(4)地面通道亮温 对云顶高度的变化比较敏感,云顶以上通道的亮温不受云顶高度变化的影响。     

CRTM云模式的建立与敏感性试验

云污染会严重影响云区辐射的模拟,导致大量云区卫星资料被废弃。结 合快速辐射传输模式(Community Radiative Transfer Model, CRTM)的应用现状以及 红外遥感原理,对CRTM模式中的辐射传输模块进行了修改,并提出了能够模拟云 区红外辐射的CRTM云模式。利用CRTM云模式模拟了高光谱大气红外探测 器(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)的通道亮温,并针对云模式中新增的参数进行了 敏感性分析。结果表明,随着通道高度的下移,对卫星接收辐射贡献较大的大气层也在下移,偏 差大值区所处的高度也越来越低;在偏差大值区中,偏差值会随着云量的增加而增大,直到全云覆盖时,偏 差值最大;云量较大时,输入的温度廓线的垂直变化会引起云顶发射辐射产生相同的垂 直分布,这与用CRTM云模式模拟出的亮温随云顶高度抬升而出现的垂直变化一致;用CRTM云模 式模拟的亮温值对新增的云量和云顶高度参数的敏感性较强,符合大气红外辐射传输的规律。     

基于非制冷红外焦平面阵列的全天空红外测云系统

云的地面观测是对本地天气进行实时监测的重要工作.目前,主要采用人工目测方法进行云的地面观测,无法准确提供夜间云的资料.为了实现云的全天空昼夜自动监测,采用非制冷红外焦平面阵列(UIRFPA)和扫描的方式,通过拼图、定标、大气修正、云识别等数据处理,研制成功了全天空红外测云系统.该系统由光学测量单元、扫描单元、环境参数测量单元、采集与控制单元和数据处理单元组成.初步的观测试验表明,该系统所给出的全天空云分布图像以及云量、云族与实际天空状况一致,考虑探测器工作温度效应的非制冷红外焦平面阵列定标模型,可满足全天空云监测的辐射定量测量要求,定标处理以及云识别算法可行.     

基于最小剩余法的FY-3B/IRAS资料云检测研究

由于红外探测器的观测易受云的影响及快速辐射传输模式对云亮温的模拟不精确,在同化风云三号B星(Feng Yun-3B)红外分光计(Infrared Atmospheric Sounder, IRAS)的亮温资料时,首先需要进行云检测,以获得晴空视场点或晴空通道信息。基于最小剩余法(Minimum Residual Method, MRM)对IRAS资料进行了云检测研究,该方法不仅能判识视场点是否有云,还能得到视场点的云参数(有效云量)。同时,采用FY-2E卫星云图对云检测效果进行了验证。结果表明,将该方法用于IRAS资料云检测是可行的。     

基于TRMM VIRS可见光和红外五通道的白天云检测方案

热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Minion,TRMM)积累的从可见光到微波的多光谱云和降水辐射信息,为全球尺度云和降水参数反演研究提供了宝贵资料.云/晴空识别作为反演流程中的关键一环,对反演结果准确度起到决定性的作用.利用可见光/红外扫描仪(visible and infrared scanner,VIRS)提供的五通道辐射通量观测,提出一种可依靠TRMM平台观测资料独立实现的白天云检测方案.此方案由地形识别、二维表云检测和决策树云检测三个基本步骤构成,检测结果分为无云覆盖、部分云覆盖和完全云覆盖三种.与MODIS云产品的对比结果表明,非冰雪下垫面云检测精度较高,云量均值差异低于5%.特别对于冰雪下垫面,结合使用1.6μm反射率以及3.7μm和10.8μm亮温信息,利用阈值法对冰雪覆盖的晴空像素和真实云像素实现了较好的分离.利用该云检测方案,仅借助TRMM平台可见光和红外多通道资料即获得可信的云/晴空识别,这将为基于TRMM卫星多仪器融合资料的云和降水参数反演等相关研究带来方便.     

EOS卫星上基于MODIS云产品的AIRS像素云检测

联合使用搭载在地球观测系统(EOS)Aqua卫星上的中分辨力成像光谱仪MODIS和大气红外探测器AIRS,能够提高对全球云量分布情况的检测。利用几何扫描特性的空间匹配算法,MODIS云分类掩膜和云相态掩膜产品,结合业务上的云检测算法,实现了用空间匹配的MODIS数据对AIRS像素云特性的检测。结果表明,用MODIS 1 km分辨力产品可以鉴别出AIRS像素中不同的云类型、云层信息(低云、中云或者高云)和云相态信息(水云、冰云或者混合相态信息)。     

一种高效计算高光谱分辨率红外大气辐射传输的方法

传统的大气辐射传输计算方法受计算资源和效率的限制已无法满足星载高光谱分辨率红外大气遥感资料处理的需要,基于单色波长辐亮度计算加权组合的方法,开发了一种快速准确的高光谱分辨率红外大气辐射传输的计算模型FFRTM_IR.利用FFRTM_IR模型,针对研制中的FY-3D红外高光谱大气探测仪(HIRAS)的光谱指标,模拟计算了仪器的观测通道亮温,并用独立样本对模拟亮温进行了验证和比较,结果显示:FFRTM_IR对HIRAS所有通道的模拟亮温偏差均小于0.06 K,标准差有效控制在0.1 K以内;在同等计算精度下,FFRTM_IR的计算速度略快于目前国际上通用的快速辐射传输计算模型CRTM.利用FFRTM_IR模型,采用解析计算方法可以进一步得到温度廓线、水汽廓线、二氧化碳、臭氧廓线以及地表参数的雅克比矩阵,计算结果与扰动法计算结果一致性较好,有较高的计算精度.计算和分析结果表明,初步建立了一种高效的红外大气辐射传输计算模型,可用于星载高光谱红外大气探测仪器的观测仿真和资料处理.     

部分云覆盖下红外辐射传输模型及对火山灰云的敏感性研究

针对我国新一代地球同步气象卫星FY-4的预期发射和数据应用,本文借助与FY-4卫星成像仪类似的Meteosat-8卫星的SEVIRI仪器数据资料开展先期研究,建立了一种部分云覆盖条件下红外辐射传输模型,模拟了不同大气条件、火山灰云高度、有效云量和观测天顶角情况下卫星观测的红外通道的亮度温度的变化。美国标准气候态大气廓线和火山灰区实时大气廓线两种模拟结果都表明,模型模拟的8.3~9.1μm,9.8~11.8μm,11~13μm,12.4~14.4μm的入瞳亮度温度对云高度、有效云量较为敏感,基本呈线性相关;卫星天顶角对模拟的辐射亮温的影响相对较小。通过不同大气廓线状态和火山灰云发射率情景下的测试结果表明,只有同时考虑大气条件和火山灰云通道发射率的差异后,模式才能够较好地模拟出火山爆发情景下火山灰云中酸性物质在11μm和12μm的反吸收特性。与大气条件相比,通道的发射率差异对火山灰云的遥感建模更为重要。因此,可在传统的分裂窗通道的基础上,通过热红外多通道亮温及亮温差异信息联合反演火山灰云高度和有效云量等因子,提高部分覆盖下火山灰云的微物理参数的反演精度。本研究为建立基于我国新一代静止气象卫星FY-4数据的火山灰云浓度定量反演模型提供了理论基础。     

Infrared Radiance Simulation and Application under Cloudy Sky Conditions Based on HIRTM

An algorithm based on hyperspectral infrared cloudy radiative transfer model (HIRTM) is introduced and a simulation method for infrared image of the generation geostationary meteorological satellite is proposed. Based on the parameters from weather research and forecast (WRF), such as the water content, atmospheric temperature, and humidity profile, the simulation data for the advanced Himawari imager (AHI) infrared radiative (IR) channels of Himawari-8 are obtained. Simulated results based on HIRTM agree well with the observed data. Further, the movement, development, and change of the cloud are well predicated. And the simulation of IR cloud image for the weather forecast has been obtained. This paper provides an improved method for evaluation and improvement of regional numerical model for weather forecast.     

被动傅里叶变换红外光谱仪遥感污染云团

在定量遥感污染云团光谱的模型下，对被动傅里叶交换红外光谱仪（FTIS）遥测目标气体和背景光谱做定量分析，讨论了试验场地大气条件、目标气体柱数密度和目标气体等效辐射温度对定量分析结果的影响。     

地基红外云图云导风方法研究进展

利用连续观测的云序列图像进行风场探测的技术已经较为成熟,目前主要应用于卫星云导风中,可以获取较大范围、大尺度的区域风场信息,但利用地基观测云图进行云导风方面的研究还较少。分析了地基测云仪器的发展现状,提出了采用高时空分辨率的地基红外云图,通过阈值确定云高,利用目标匹配方法、目标追踪方法进行示踪云的选择,利用快速搜索算法进行示踪云的搜索,以及地基云导风计算的方法,并分析了导风结果的质量控制思路。利用该类地基红外云图导风资料可以与常规高空风探测手段、卫星云导风资料互为补充。     

基于卫星红外窗区数据的云顶高度反演方法

云顶高度是云最基本且十分重要的参数,同时也是研究空域容量、航线高度配备和天气预测预警等的重要参数。简单描述了基于卫星资料反演云顶高度的主要方法的原理和优缺点,然后介绍了单红外窗区法、太阳光反射率-红外窗区法、H2O-红外窗区法和红外分裂窗查算表算法的原理和优缺点,并对相关卫星的业务算法进行了简要评述。接着对单红外窗区法反演对流云云顶高度进行了检验。结果表明,单红外窗区法反演不透明厚云的精度和相关性都很高。最后分析了影响各方法精度的原因,并对后续云顶高度反演方法进行了展望。     

风云二号静止气象卫星的云相态识别算法

风云二号静止气象卫星上装载有可见光、中波红外、水汽和红外波段探测通道,其中白天的中波红外通道反射率可以反映云顶粒子的尺度和相态信息.联合使用可见光、中波红外和热红外通道辐射,可构建白天云顶粒子相态识别算法.云相态识别结果与CloudSat卫星的云分类产品相比较,个例分析表明,两种数据对于以深对流和卷云为主的高层冰云识别...     

CALIPSO星载激光在全球海洋上空的透性统计

利用CALIPSO卫星2006年6月至2010年5月四年的5 km二级云产品数据对CALIPSO星载激光在全球海洋上空的穿透性进行统计分析,分别讨论了穿透概率随年度变化、季节变化、昼夜变化及地理位置的变动情况,同时分析了产品版本因素对分析结果造成的影响.分析表明,海洋上空的数据中探测到云层的约占72.2％,其中不透明云...     

多云核提取方法在图像分割中的应用

针对基于云变换的图像分割算法中云模型的构成存在速度慢、计算误差大的问题,提出了一种基于云变换的多云核同时提取的方法,该方法首先将图像灰度信息作出统计,依照一定方式找到所有波峰,并将波峰值作为E_x,最后根据云模型定义构造出正态云模型,并通过实验将云模型与多阈值法分割图像相结合,实验结果证明,该方法不但可以准确快速地计算出云模型、使误差减少、并且使得图像分割效果好、效率高。     

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。     

云底高度的激光云高仪、红外测云仪以及云雷达观测比对分析

为了比较几种自动化测云仪器的性能,中国气象局气象探测中心在南京信息工程大学的气象探测基地首次组织了一次为期近5个月的比对试验,试验仪器包括四台激光云高仪、两部红外测云仪、一台全天空成像仪以及一部毫米波云雷达。对其中大部分仪器取得的三个月云底高度数据进行了初步的分析,结果表明：三台激光云高仪测量结果比较一致;两部红外测云仪在测量低云时一致性稍差;云雷达与激光云高仪测量的最低层云底高度数据一致性较差,但与红外测云仪的测量结果匹配较好。