晴空时大气红外遥感及其反演问题研究 II. 反演试验研究

前文给出了卫星红外观测资料的反演处理方法，并对方法作了理论上的分析，在本文中，我们将此方法应用到TOVS、GOES-8实际资料及AIRS模拟观测资料处理中并重点对TOVS资料进行试验。在反演中，我们将大气温度廓线和水汽混合比（lnq）廓线用各自的经验正交函数（EOF）表示以提高反演的稳定性并缩短计算时间，同时采用一种过滤操作以加速迭代的收敛速度。除了用本文提出的方法对TOVS资料进行处理外，还用国际TOVS处理软件包（ITPP-4.0）对同样的资料进行反演。试验表明，本文方法的反演结果优于ITPP的结果。AIRS模拟反演结果表明，高分辨率红外垂直探测器的遥感精度能够达到温度1 K、水汽10%。     

有云时大气红外遥感及其反演问题：Ⅰ.理论研究

我们已经研究了晴空情况下的大气红外遥感及其反演问题。本文对有云情况下的大气红外遥感及其反演问题进行了研究，首先指出国际上通用的处理有云反演的晴空订正法存在误差放大问题，然后提出了３×３相邻视场同步反演法。在该方法中，假定３×３相邻视场具有共同的大气温度廓线和大气水汽廓线，从而使求解方程数增加到９倍，反而反演参数只增加有限的几个，大大提高了有云情况下反演的稳定性。     

有云时大气红外遥感及其反演问题 I. 理论研究

我们已经研究了晴空情况下的大气红外遥感及其反演问题。本文对有云情况下的大气红外遥感及其反演问题进行了研究，首先指出国际上通用的处理有云反演的晴空订正法存在误差放大问题，然后提出了3×3相邻视场同步反演法，在该方法中，假定3×3相邻视场具有共同的大气温度廓线和大气水汽廓线，从而使求解方程数增加到9倍，而反演参数只增加有限的几个，大大提高了有云情况下反演的稳定性。     

有云时大气红外遥感及其反演问题 II. 反演试验研究

本文前一部分提出了用相邻视场同步反演法处理有云时的反演问题。在这部分中，我们将此方法应用到TOVS的模拟和实际观测资料反演中，并提出了一种“广义CO2分割法”来求取云高和云量的初始猜值。试验结果表明，相邻视场同步反演法反演精度明显优于单视场反演法的精度。另外，利用“广义CO2分割法”可以得到较好的云顶气压和云量的初始猜值。     

晴空卫星红外模拟资料反演大气温度廓线的研究

HIRS／3资料的反演是一个典型的非适定问题,而奇异值分解法（SVD）是一种解病态线性代数方程组的有效方法,它在遇到矩阵的不适定问题时依然可以保持其数值稳定性并能尽量多地利用各探测通道的有效信息。将SVD方法应用于卫星资料的温度反演问题中可以将资料空间和参数空间分型,从中提取有效信息来反演大气温度廓线。通过理想资料试验,分析了温度廓线初猜值、水汽廓线误差等因素对温度反演结果的影响。结果表明：对HIRS／3资料来说,用SVD法反演大气温度廓线时只能截取一定的阶数,以取4～7为宜;温度廓线初猜值的选取对反演结果的影响较大,当模式层的中层误差较大时得到的反演结果最稳定;水汽廓线的扰动对中低层的温度反演结果和第5,8,10,11和16通道的亮温值有较大影响。     

两种红外晴空辐射订正方法及其反演大气参数的比较

比较了目前开发的两种红外晴空辐射订正算法：1）匹配的红外和微波探测值融合的算法,如AIRS／AMSU晴空订正算法（大气红外探测器AIRS,先进的微波探测器AMSU）;2）匹配的红外成像与探测值融合的算法,如AIRS／MODIS晴空订正算法（中分辨率光谱成像仪MODIS）。结果表明,相对于MODIS的晴空观测值而言,AIRS／MODIS晴空订正算法优于AIRS／AMSU晴空订正算法,而且AIRS／MODIS晴空订正辐射值反演的大气温湿廓线与欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的客观分析场更接近;尽管这两种晴空订正算法本质上相当不同,但都是有效且互补的,当微波探测资料不能获得时,融合红外成像仪和探测器资料就成为唯一可靠的、间接使用有云影响的红外观测值的办法。     

从反射太阳光谱反演大气气溶胶体积谱分布的理论研究

由大气顶射出太阳辐射的形式解出发,结合球形粒子的米散射理论,由反射太阳光谱推导获得了反演整层大气气溶胶粒子体积谱分布的权重函数。在权重函数特征分析的基础上,根据一个简单的线性反演算法,利用大气辐射传输计算模拟的大气顶反射太阳光谱,反演获得了不同气溶胶浓度和复折射率条件下的气溶胶粒子体积谱。结果表明,初步建立了一套自洽的大气气溶胶体积谱分布的反演方法。通过米散射计算获得的反演参数考虑了波长对粒子半径的权重特征,使气溶胶体积谱的反演具有了明确的物理依据;同目前常用的查算表方法相比,简化了反演方案中参数化的复杂程度。     

AIRS晴空大气温度廓线反演试验

2002年5月发射的Aqua是美国地球观测系统中的第2颗卫星EOS-2（Earth Observing System）,它携带的大气红外探测仪AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）是目前国际上最先进的超高光谱分辨率红外大气垂直探测仪。1200的光谱分辨率和全球覆盖能力使其可以观测全球大气状态及其变化。对其超高光谱分辨率资料的处理和应用的研究既有科学意义,又有实用价值。利用AIRS实际观测资料反演大气温度,本文使用的是便于处理大数据量的统计反演方法中的特征向量法,计算回归系数使用的是AIRS观测辐射值和T213数值预报分析场。本文从通道个数、地形及地表发射率影响、增加预报因子、国外同类产品比较等4个方面进行了大气温度反演试验研究。研究结果表明:（1）在利用超高光谱分辨率仪器进行反演时,合理选择通道是非常必要的;（2）AIRS反演的大气温度在对流层顶和中上层具有较高的精度,在对流层低层,尤其是近地面反演精度不够理想;（3）增加地表温度,地表发射率和地形3个预报因子,可以提高近地面的反演精度;（4）文中反演的大气温度精度与国外同类产品精度基本一致。     

人工神经网络法反演晴空大气湿度廓线的研究

高光谱分辨率大气红外探测器AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)作为第一个超高光谱大气红外探测仪,开辟了卫星大气探测的新时代.以无线电探空值与SARTA(Stand-Alone Radiative Transfer Algorithm辐射传输模式)v1.05版的前向模式模拟出的AIRS辐射...     

预估临边探测大气温度和水汽廓线的反演精度

针对在研仪器——大气辐射超高光谱探测仪的临边探测模式,模拟计算了大气温度和水汽的权重函数。以此为基础,利用信息量和权重函数线性化方法,结合仪器的可探测亮温阈值0.3 K,计算并分析6种大气状态下,大气温度和水汽混合比廓线在不同反演精度条件下可获得的光谱通道数,在满足最佳光谱通道数200的要求下,理论上预估其反演精度。温度廓线整体反演精度为0.6 K,水汽混合比廓线反演精度可达到5%,但热带大气在16~20 km高度的水汽廓线反演精度仅为10%。反演精度预估,仅提供了一种全面认识仪器性能的方法,精度的确定还有赖于真实探测数据的获取和反演方法。     

Inversion and III-Posed Problem Solutions in Atmospheric Remote Sensing

With the swift advances in earth observation, satellite remote sensing and application of atmospheric radiation theory have been developed in the past decades, atmospheric sensing inversion with its algorithms is getting more and more importance. It is known that since a remote sensing equation falls into an integral equation of the first kind, thus leading to the fact that it is ill-posed and particularly the solution is unsteady, tremendous difficulties arise from the retrieval. This paper will present a simple review on the inversion techniques with some necessary remarks, before in-troducing the successful efforts with respect to such equations and the encouraging solutions achieved in recent dec-ades by researchers of the world.     

Inversion and III-Posed Problem Solutions in Atmospheric Remote Sensing

With the swift advances in earth observation,satellite remote sensing and application of atmospheric radiation theory have been developed in the past decades,atmospheric sensing inversion with its algorithms is getting more and more importance.It is known that since a remote sensing equation falls into an integral equation of the first kind,thus leading to the fact that it is ill-posed and particularly the solution is unsteady,tremendous difficulties arise from the retrieval.This paper will present a simple review on the inversion techniques with some necessary remarks,before introducing the successful efforts with respect to such equations and the encouraging solutions achieved in recent decades by researchers of the world.     

Retrieval of Tropospheric CO Profiles Using Correlation Radiometer:I.Retrieval Experiments for a Clear Atmosphere

1.IntroductionMeasurementofCOprofilesinthetroposphereisofprimaryimportanceforimprovingourunderstandingoftheglobalsystem.ThisopinionhasbeenputforwardinthereportoftheWorldMeteorologicalOrganization(1985);"DefinitionoftrendsanddistributionfortroposphericCOisessential."(WorldMeteorologicalOrganization,1985).ThisisbecauseCarbonmonoxide(CO)playsaveryimportantroleinthechemistryofthetroposphereandlowerstratospherethroughitsinfluenceoverhydroxylradical(OH)andozoneconcentration.Becauseofitsshorta…     

热红外遥感反演地表温度研究现状

地球表面温度是一个重要的水文、气象参数,它影响着大气、海、陆之间的感热和潜热交换,是诸多研究领域不可或缺的基础资料,精确定量反演陆面温度的成果将推动旱灾预报和作物缺水研究、农作物产量估算、数值天气预报、全球气候变化和全球碳平衡等领域研究的进展。因此,利用卫星遥感资料进行地表温度的反演已成为目前遥感定量研究中的重要任务之一。本文阐述了遥感反演地表温度的原理及各种方法,对各种方法所要解决的关键问题及优缺点做了评述,最后展望了遥感反演地表温度的发展趋势。     

Study on Microwave Remote Sensing of Atmosphere, Cloud and Rain

In this paper, recent research of microwave remote sensing of atmosphere, cloud and rain in China is presented. It includes the following aspects:(1) Progress in the development of multifrequency radiometer and its characteristics and parameters;(2) Application of microwave remote sensing in prediction of atmospheric boundary layer. The atmospheric temperature profiles are derived with 5 mm (54.5 GHz) radiometer angle-scanning observations. Due to the fact that microwave radiometer could monitor the atmospheric temperature profile continuously and make the initialization of numerical model any time, it is helpful for improving the accuracy in prediction of the evolution of atmospheric boundary layer;(3) Theory and application of microwave radiometers in monitoring atmospheric temperature, humidity and water content in cloud. The field experiment of International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) at Shionomisaki and Amami Oshima of Japan for studies of cloud and weather has been described;(4) Satellite remote sensing of atmosphere and cloud. The TIROS-N TOVS satellite data are used to obtain at-mospheric temperature profile. The results are compared with those of radiosonde, with rms deviation smaller than that of the current operational TOVS processing;(5) Microwave remote sensing and communication. The atmospheric attenuations are derived with microwave remote sensing methods such as solar radiation method etc., in order to obtain the local value instantaneously. The characteristics of Beijing’s rainfall have been analysed and the probability of microwave attenuation of rain is predicted;(6) For improvement of the accuracy of rainfall measurement, a radiometer-radar system (λ= 3.2 cm) has been developed. The variation of rainfull distribution and area-rainfall may be obtained by its measurements, which may be helpful for hydrological prediction.The prospect of microwave remote sensing in meteorology is also discussed.     

提为反问题的数值预报方法与试验 I. 三类反问题及数值解法

提为初值问题的数值预报在通过改进数值模式、观测手段及分析方法而改进预报的同时,仍然面临着两大困难,即模式误差和初值不完整。然而我们有大量的气候演变的历史观测资料,其中蕴含着关于气候系统的信息。本文针对这两个困难,系统地提出充分利用历史资料反演订正模式和初值进而改进数值预报的三类反问题,并给出数值解法。最后将三类反问题应用于一个简单模式进行反演预报的数值试验,其数值试验结果将在本文的第二部分给出。