（大气物理学与大气环境专业论文）利用星载超光谱仪器观测资料进行大气参数反演的试验.pdf

中文摘要 2 0 0 2 年5 月4 日，地球观测系统( e o s ) 第二颗卫星a q u a 升空，其上携带的大气红外 探测器a i r s ( t h ea t m o s p h e r i ci n f r a r e ds o u n d e r ) 采用红外光栅阵分光技术，按n a s a 技 术要求，2 3 7 8 个通道覆盖6 5 0 至2 7 0 0 c m 1 红外光谱区域，光谱分辨率( v a v ) 高于1 2 0 0 ， 观测范围覆盖全球，真正实现了高光谱高精度红外探测。 本文利用c i m s s ( c o o p e r a t i v ei n s t i t u t ef o rm e t e o r 0 1 0 9 i c a ls a t e l l i t es t u d i e s ， u n i v e r s i t yo fw i s c o n s i n - m a d i s o n ) 全球晴空反演训练大气廓线资料集，一部分廓线作为 训练样本，另一部分廓线用于反演检验。采用s a r t a ( s t a n d - a l o n er a d i a t i v et r a n s f e r a l g o r i t h m ) 辐射传输模式模拟a i r s 各通道亮温值，用特征向量统计回归反演方法反演晴 空下大气的温度、臭氧廓线和其他参数，并和实际观测值进行对比，评估反演效果。 为了进一步改进温度廓线的反演精度，本文研究增加特征向量个数、增加地表温度和 地表红外比辐射率作为影响因子等措施对反演大气温度廓线的影响。结果表明： 1 、利用特征向量反演算法，可以快速地反演大气温度、臭氧廓线、地表温度、地表气 压及红外地表比辐射率等参数。温度廓线的反演误差在对流层下层( 尤其是近地面) 较大 约为2 3 k ，高层相对较小约为i 2 k 。臭氧廓线的反演误差最大值为0 8 5 p p m v ，在l o h p a 高度附近。 2 、增加特征向量的个数，可以改进大气温度廓线反演精度。取8 0 个特征向量时，效 果最好。但过多增加特征向量个数，并不能更进一步改进反演精度。 3 、温度垂直廓线的反演对地表特征属性非常敏感，增加地表温度作为影响因子明显提 高了低层大气温度的反演精度，增加地表比辐射率影响因子则改进了中层5 0 2 0 0 h p a 之间 的反演精度。若同时增加上述两项影响因子，则能够同时改进低层和中层大气的温度反演 精度。 关键词：a i r s ，特征向量统计反演法，影响因子 a b s t r a c t a i r si sa p r i m a r yi n s t r u m e n to nt h ea q u ap o l a ro r b i t i n gs a t e l l i t e ，w h i c hw a s l a u n c h e do nm a y4 ，2 0 0 2a so n eo ft h ee a r t ho b s e r v i n gs y s t e m ( e o s ) p l a t f o r m t h e s p e c t r a lr a n g ei sf r o m6 5 0t o2 7 0 0c m w i t h2 3 7 8s p e c t r a li rc h a n n e l s ，s p e c t r a l r e s p o n s ef u n c t i o n sw i t l lf u l lw i d t h sa th a l fm a x i m u mo f v 1 2 0 0 t h ea b i l i t yo f g l o b a lc o v e r a g em a k e si tt ob ea b l et oo b s e r v et h ea t m o s p h e r ea n di t sv a r i a t i o no na g l o b a lb a s i s ，w h i c hh a st r u l yr e a l i z e dt h eh i g hs p e c t r u mh i 曲a c c u r a c yi n f r a r e d d e t e c t i o n t h ed a t a s e tf o rg l o b a lc l e a r - s k ya t m o s p h e r i cp r o f i l e sf r o mc i m s s ( c o o p e r a t i v e i n s t i t u t ef o rm e t e o r o l o g i c a ls a t e l l i t es t u d i e s ，u n i v e r s i t yo fw i s c o n s i n - m a d i s o n ) i s u s e dh e r e ，h a l fp a r ta s t r a i n i n gs a m p l e s ，t h eo t h e rf o rr e t r i e v i n ga n dt e s t i n g f u r t h e r m o r e ，a i r ss i m u l a t i n gd a t ad e r i v e df r o ms a r t a ( s t a n d a l o n er a d i a t i v e t r a n s f e ra l g o r i t h m ) a r eu s e da sr e g r e s s i o nf a c t o r st or e t r i e v et h ea t m o s p h e r ep r o f i l e o ft e m p e r a t u r e ，o z o n ea n do t h e rv a r i a b l e so nac l e a rs k yb a s i sb ym e a n so f e i g e n v e c t o rr e g r e s s i o na l g o r i t h m s t h er e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ho b s e r v a t i o n st o e v a l u a t et h er e t r i e v e i no r d e rt oi m p r o v et h er e t r i e v a l so ft h ea t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r ep r o f i l e s ，t h e n u m b e ro fe i g e n v e c t o r si si n c r e a s e df i r s t l y , t h e n ，s u r f a c et e m p e r a t u r ea n di rs u r f a c e r e f l e c t i o ni n d e xa r ei n t r o d u c e da sr e s t r a i n tf a c t o r sf o rr e t r i e v i n ge q u a t i o n a n a l y s i s s h o w st h a t ： 1 e i g e n v e c t o rr e g r e s s i o na l g o r i t h mi sau s e f u lw a yt or e t r i e v et h e a t m o s p h e r i cp r o f i l eo ft e m p e r a t u r e w i t h s p e e d i n e s s t h e e r r o ro f t e m p e r a t u r ep r o f i l ei s2 3ki nt h el o w e rt r o p o s p h e r ea n d1 - 2ki n m i d d l ea n du p p e rl e v e l s t h em a x i m u mo ft h ee r r o ro fo z o n ep r o f i l ei s 0 8 5p p m va t1 0h p a 2 t h er e t r i e v a lp r e c i s i o no ft e m p e r a t u r ei sp r o v e dw h e ne i g e n v e c t o r si s i n c r e a s e d t h ep u r p o s ei sb e s ta st h en u m b e ro fe i g e n v e c t o r si s8 0 b u t o v e r a b u n d a n te i g e n v e c t o r sc o u l d n tp r o v et h ep r e c i s i o nm u c hb e t t e r i i t e m p e r a t u r ep r o f i l er e t r i e v a li ss e n s i t i v et oc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee a r t h s s u r f a c e t h er e t r i e v a lp r e c i s i o no f t e m p e r a t u r ei nl o wl e v e li se v i d e n t l y p r o v e dw h e n t h es u r f a c et e m p e r a t u r ei sa d d e d ，w h i l et h a ti n5 0 2 0 0h p a i sa m e l i o r a t e dw h e ni rs u r f a c er e f l e c t i o ni sa d d e d 。i ft h e ya r ea d d e da t t h es a m et i m e ，t h ep r e c i s i o n si nb o t hl o w a n du p p e rl e v e l sa r e i m p r o v e d k e yw o r d s ：a i r s ，e i g e n v e c t o rr e g r e s s i o na l g o r i t h m ，r e s t r a i n tf a c t o r s i i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表 或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名：垦塑 日期：受：女： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索：有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：薹垂堑作者签名：盈翌盟 e期：盟：笪：垒 第一章前言 1 1 研究目的和意义 第一章前言 2 0 0 2 年5 月，n a s a 的最新地球观测卫星a q u a 成功发射，其上携带的超高光谱分辨率 红外大气垂直探测器a i r s ( a t m o s p h e r i ci n f r a r e ds o u n d e r ) 首次在轨运行，并已运行6 年多，其信息量是以往探测仪器的上百倍，对其大信息量的资料处理需要进行研究和讨论。 2 0 0 3 年，中国气象局国家卫星气象中心开始接收a q u a 卫星资料。我国科学家近年来 一直致力于它的应用开发研究，不断推出新成果。在温度廓线反演方面，结果越来越趋于 理想，但仍然不能达到数值天气预报的要求。 本研究首先采用特征向量统计回归反演法，利用c i m s s ( c o o p e r a t i v ei n s t i t u t ef o r m e t e o r 0 1 0 9 i c a ls a t e l l i t es t u d i e s ，u n i v e r s i t yo fw i s c o n s i n - m a d i s o n ) 的全球晴空反 演训练样本集，由s a r t a ( s t a n d a l o n er a d i a t i v et r a n s f e ra l g o r i t h m ) 前向模式模拟 出辐射强度，反演大气温度、臭氧廓线，地表温度、地表气压、1 5 个通道的红外地表比辐 射率等参数。研究不同特征向量个数对反演结果的影响，再考虑增加地表温度和红外地表 比辐射率影响因子，研究对温度廓线反演效果的影响。 1 2 国内外研究进展 在以前的几十年中，在反演大气温度、湿度方面已取得一定进展，然而其精度并没有 达到数值天气预报的要求。主要原因有硬件和软件两方面。 首先是仪器的局限，业务上使用的是低分辨率的红外垂直探测仪器，女n t i r o s - n 业务 垂直探测器( t o v s ) ，其局限在于权重函数被加宽，卫星感应器接收到的能量是来自某一 厚层的大气的辐射，使得小尺度的垂直结构很难反演，解决这一问题的办法在于发展高分 辨率的红外垂直探测仪器。近几年来随着光学上关键技术的突破，发展高分辨率红外垂直 探测仪器成为可能，例如由威斯康星一麦迪逊大学研究的高分辨率干涉仪探测器( h i s ) 已装载在n a s a 的e r 一2 飞机上，能够提供机载观测资料。载在地球观测系统( e o s ) 上的先 进的大气红外探测器a i r s 是代表。a i r s 是a q u a 极轨卫星平台上一个重要的仪器，具有高 第一章前言 测量精度和高光谱分辨率的特性，因此具有观测大气垂直精细尺度温、湿结构的能力，可 以用来反演高垂直分辨率的温度、湿度廓线和云特性。 其次在反演算法上存在的局限，也会影响反演的精度。解决的办法是提高大气透过率 计算精度，发展高效率的反演算法。由于反演问题是一个非适定问题，即其解是不唯一，不 稳定的，必须在求解过程中增加一些附加条件后才能得到一个稳定的解心1 。 反演的任务就是在已知的有限量波段的卫星辐射率测值，( i = l ，2 ，n ) 的情况下解 出就可获得大气温度的垂直分布，进而在温度廓线已知的条件下，获取大气湿度廓线。各 个大气层发射的p l a n c k 辐射值b p ，p ) ，由b ( v ，p ) 就可获得大气温度的垂直分布，进而 在温度廓线已知的条件下，获取大气湿度廓线。 关于晴空情况下从卫星红外观测资料中反演大气温度，其反演方法大致可分为三种。 ( 1 ) 统计方法，预先收集到探空资料和与其匹配的卫星测值，直接建立大气温、湿廓线与 卫星测值间的回归方程。如采用最小二乘法协1 ，统计控制法h 1 ，特征向量法幅3 ，经验正交函 数展开法1 ，岭回归解h 1 等。统计回归算法的优点在于计算速度快，计算稳定性强，算法简 单，便于处理大量数据，并能够为物理方法提供较好的初估场。这一方法的关键是确定预 报因子，并有大量样本用于计算相关系数。( 2 ) 物理方法，直接对辐射传输方程进行物理求 解，使用n 个离散通道的测值，待求函数( b ，p ) ) 用有限多个参数表示，把解泛函方程 化为解代数方程组，如最优光滑解法，s m i t h 迭代法n 0 3 ，c h a h i n e 松弛法1 。s m i t h 等 ( 1 9 8 5 ) 提出同时求解温度和湿度两个参数的物理反演方法，并发展成为业务处理t o v s 资 料的软件i t p p 2 卜n 引。李俊等( 1 9 9 4 ) 也提出一种同时求解温度和湿度及臭氧廓线的物理方 法叫牛顿非线性迭代法n7 l 。物理反演方法的关键是需要解决仪器通道大量透射率的快速、 精确计算问题，以便选择较好的初始解。在用物理反演法求解不稳定的方程以及非线性问 题中，都要涉及到初始猜值，因此如何选取初值是一个重要问题，它直接影响到结果的合 理性、精确程度及迭代的收敛速度。( 3 ) 统计一物理方法，主要指c h e d i n 等( 1 9 8 5 ) 发展的 3 i 法引，即改进初估值反演法( i m p r o v e di n i t i a li z a t i o ni n v e r s i o n ) ，它的特点是考虑 了比统计法更多的描述大气辐射传输过程的物理计算，采用模式识别方法从t o y s 初估值反 演( t i g r ) 数据集中选取统计意义上的最佳初估解，再由b a y e s 算法反演出大气温、湿廓 线( 2 0 1 。 2 - 第一章前言 1 3 本文研究内容 ( 1 ) 将c i m s s 全球晴空反演训练大气廓线资料集，分成两部分，一部分作为回归训练 样本，一部分用于反演检验。 ( 2 ) 对回归训练样本进行窗区亮温分类，利用s a r t a 前向模式模拟出a i r s 各通道的 辐射强度。 ( 3 ) 采用特征向量回归反演方法计算不同亮温分类的回归系数，反演大气温度、臭氧 廓线、地表温度、气压等参数，并和反演对象进行对比。 ( 4 ) 选取不同个数的主特征向量，进行大气温度、臭氧廓线反演。 ( 5 ) 增加地表温度、红外地表比辐射率作为影响因子，进行大气温度廓线反演试验， 检验上述影响因子对大气温度廓线反演精度的影响。 本章参考文献 1 s m i t h ，w l ，h e r e v e r c o m b ，h b h o w e l la n dh m w o o l f ，1 9 8 3 ，h i s a s a t e l l i t e i n s t r u m e n tt oo b s e r v et e m p e r a t u r ea n dm oi s t u r ep r o f i l e sw i t hh i g h v e r t i c a l r e s o l u t i o n ，p r e p r i n t s ，f i f t hc o n f o na t m o s p h e r i cr a d i a t i o n ，b a l t i m o r e ，a m e r m e t e o r s o c ，1 9 2 官莉，h l h u a n g ，李俊，用e o s a i r s 观测值反演大气廓线的初步研究，气象学报 英文版，2 0 0 5 ，1 9 ( 1 ) ：1 1 2 1 1 9 3 张培昌，王振会，大气微波遥感基础，北京，气象出版社，1 9 9 5 4 s m i t h ，w l a n dh m w o o l f ，t h eu s eo fe i g e n v e c t o r so fs t r a t i s t i c a lc o n v a r i a n c e m a t r i c e sf o ri n t e r p r e t i n gs a t e l i t es o u n d i n gr a d i o m e t e ro b s e r v a t i o n s ，a t m o s s c i ，1 9 7 6 ，3 3 ，1 1 2 7 1 1 4 0 5 王松桂，线性回归与方差分析，北京，高等教育出版社，1 9 9 9 6 陈希孺，王松桂，近代使用回归分析，南宁，广西人民出版社，1 9 8 4 7 s m i t h ，w l i t e r a t i v es o l u t i o no ft h er a d i a t i v et r a n s f e re q u a t i o nf o rt h e t e m p e r a t u r ea n da b s o r b i n gg a sp r o f i l eo fa na t m o s p h e r e ，a p p l i e dd p t i c s ，1 9 7 0 ， 9 ，1 9 9 3 1 9 9 9 8 袁重光，曾庆存，求解气温遥测方程的迭代法，气象卫星的红外遥测及反演，北京， 科学出版社，1 9 7 7 3 第一章前言 9 9 m o u s t a f a t c h a h i n e ，i n v e r s ep r o b l e m si nr a d i a t i v et r a n s f e r ：d e t e r m i n a t i o no f a t m o s p h e r i cp a r a m e t e r s ，j o u r n a lo ft h ea t m o s p h e r i cs c i e n c e ，1 9 7 0 ，2 7 ，9 6 0 - - - 9 6 7 1 0 s m i t h w l a n dh m 。w o o l f ，c m ，1 9 8 4 ：c o n f e r e n c eo ns a t e l l i t e m e t e o r o l o g y r e m o t es e n s i n ga n da p p li c a t i o n ，a 珊e r m e t e o r s o c ，4 5 - 4 8 1 1 吴保锁，黎光清，董超华，n o 从极轨气象卫星大气参数的物理反演方法数值试验， 红外与毫米波学报，1 9 9 0 ，3 ：2 3 3 2 41 1 2 黎光清，董超华，吴保锁，东亚地区高分辨率物理反演方法的数值试验：内部比较 研究，大气科学，1 9 9 1 ，1 5 ( 1 ) ：8 4 9 3 1 3 黎光清，张文建，董超华，同步物理反演方法改进试验，中国空间科学技术，1 9 9 1 ， 1 1 ( 1 ) ：4 5 - 5 0 1 4 黎光清，张文建，董超华，东亚地区气象参数同步物理反演方法的数值试验：s p r m 和i s p i 瑚，大气科学，1 9 9 3 ，1 7 ( 4 ) ：4 8 9 4 9 8 1 5 张文建，黎光清，董超华，用卫星遥感资料反演气象参数的误差分析及数值试验， 应用气象学报，1 9 9 2 ，3 ( 3 ) ：2 6 6 2 7 2 1 6 l ig u a n g q i n g ，t h es t u d yo fr e t r i e v a lt h e o r ya n dm e t h o d sf r o ms a t e l l i t er e m o t e s e n s i n gf o rm e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e r so v e re a s t e r na s i a - p a r ti ：i s p r ma n ds r r m 。 a c t am e t e o r o l o g i c as i n i c a ，2 0 0 0 ，1 4 ( 3 ) ，2 0 3 一- 2 1 3 1 7 l ij u n ，z h o uf e n g x i a n ，z e n gq i n g c u n ，s i m u l t a n e o u sn o n l i n e a rr e t r i e v a lo f a t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r ea n da b s o r b i n gc o n s i t i t u e n tp r o f i l e sf r o ms a t e l l i t e i n f r a r e ds o u n d e rr a d i a n c e s ，a d v a n c e si na t m o s p h e r i cs c i e n c e s , 1 9 9 4 ，1 1 ( 2 ) ： 1 2 8 1 3 7 1 8 c h e d i n a ，a n dn a s c o t t ，i n i t i a l i z a t i o no ft h er a d i a t i v et r a n s f e re q u a t i o n i n v e r s i o np r o b l e mf r o map a t t e r nr e c o g n i t i o nt y p ea p p r o a c h ；a p p l i c a t i o nt ot h e s a t e l l i t eo ft h et i r o s - ns e r i e s ，i n “a d v a n c e si nr e m o t es e n s i n gr e t r i e v a l m e t h o d s ”，a d e e p a kp u b l i s h i n g , 1 9 8 5 2 4 ：1 2 8 1 4 3 1 9 黎光清，董超华，应用b a y e s 算法估计核函数误差对大气温度廓线反演的影响，大气 科学，1 9 8 8 ，1 2 ( 1 ) ：3 6 4 1 2 0 黎光清，董超华，调整方法反演大气温度廓线的比较研究，大气科学，1 9 8 6 ，1 0 ( 4 ) ： 4 1 9 4 2 5 4 第二章大气探测反演原理 第二章大气探测反演原理 2 1 气象卫星的主要特点 业务气象卫星按照轨道高度主要分为两类：极轨气象卫星和静止气象卫星n 3 。极轨气 象卫星大气探测的主要目的是：获取全球的大气温度、湿度、大气成分( 如臭氧、气溶胶、 甲烷等) 的三维结构的定量遥感产品，为全球数值天气预报和气候预测模式提供初始信息。 静止气象卫星大气探测的主要目的是高频次获取热带区域大气温度、湿度及大气成分的三 维定量遥感产品，为区域中小尺度天气预报模式以及短期和短时天气预报提供热力场和动 力场( 温度、湿度、辐射值) 、空间四维变化信息，进而达到改进区域中小尺度天气预报、 台风、暴雨等重大灾害性天气预报准确率的目的。和常规观测资料相比，气象卫星探测资 料具有以下优势晗3 ： 1 空间覆盖广：气象卫星采用遥感技术，从空间获取数据，卫星资料覆盖全球，可以 弥补高山、海洋等地域常规观测资料的空缺。它不仅有平面结构观测资料，还有垂直结构 观测资料，不仅有定性观测资料，还有定量观测资料，这是气象卫星对气象事业的最大贡 献。而且气象卫星遥感观测地球环境，不受地理条件、自然环境及国家区域行政疆界的限 制，可以实现全球、全天候和多方位的观测； 2 水平分辨率较高：图像资料的星下点分辨率为1k m ，垂直探测资料的星下点分辨 率最高也可达到1 7 k m ： 3 时间取样频率较高：静止气象卫星可以获得每3 0 分钟或每一小时( 美国g o e s 静止 气象卫星采用三轴稳定姿态，可对地进行连续观测，取样频率可达每2 0 分钟1 次) 的大范 围实时资料，双星组网的极轨气象卫星也可提供每日4 次覆盖全球的图像资料和垂直探测 资料。气象卫星获得观测信息快，可以实现长期连续观测； 4 资料一致性好：气象卫星在较长时期内使用同一仪器对全球进行观测，此外，卫星 资料是一定视场的面积取样平均值，具有区域代表性。发展到今天，许多气象卫星已经业 务化、系列化，观测资料逐年连续积累下来，一致性、连续性、可比性较好，能很好地反 映观测对象的动态变化，随时可以提供使用； 5 经济效益较高：从获取观测资料整体和应用服务效益上看，从实际可用的单位信息 比价和综合成本上看，特别是随着卫星观测与通信能力的不断改进，以及发射成功率、可 5 - 第二章大气探测反演原理 靠性和寿命的全面提高，气象卫星是比较经济、效益比较高的探测技术手段。 2 2 需求推动卫星大气探测技术的发展 气象学是一门专门研究大气现象和过程，探讨其演变规律和变化，并直接或间接用于 指导生产实践为人类服务的科学b 1 。由于生产实践对大气科学所提出的要求范围很广，气 象学所涉及的问题很多，用来解决这些问题的方法差异很大，再加上随着科学技术发展的 日新月异，气象学分成若干分支。例如有专门研究大气物理性质及其变化规律的大气物理 学；有重点研究天气现象及其演变规律，并以此预报未来天气变化的天气学等。无论是大 气物理学研究还是天气学研究，都需要用到大范围的大气观测资料，如大气温度、气压、 湿度、风、云等。想要提高研究水平，获得更准确的天气气候变化规律，就必须获取高时 间、高空间分辨率和高探测精度的大气参数信息。因此，探测技术是推动气象学发展的原 动力。 2 0 世纪6 0 年代之前，人们意识到，气象观测存在的一个主要问题是地面和无线电探 空仪r a o b ( r a d i o s o n d eo b s e r v a t i o n ) 的观测网分布不均匀，高山、高原上观测站点极为稀 少，海洋上几乎没有r a o b 资料，南半球观测资料则更加稀少。1 9 5 9 年美国科学家k i n g 和 k a p l a n 首先提出了在卫星上进行三维大气温度、湿度探测，主要原理是利用大气混合比稳 定的c o ，红外吸收带来探测大气的温度廓线，利用水汽( h ，o ) 红外吸收带来探测大气 的湿度廓线，利用大气成分自身特有的辐射来遥测其含量的分布和变化( 如大气污染) h 1 。 根据这一设想，1 9 6 0 年美国发射了第一颗气象卫星t i r o s l ( t e l e v i s i o na n di n f r a r e d o b s e r v a t i o ns a t e l l i t e ) 。七十年代美国设计了滤光片式红外大气探测仪，率先实现了对 大气温、湿廓线定量遥感的重大突破怕1 。 随着天气、气候学等不断发展，对卫星探测产品的精度要求越来越高。世界气象组织 w m o ( w o r l dm e t e o r 0 1 0 9 i c a lo r g a n i z a t i o n ) 通过分析和评价前十年t i r o s 业务垂直探测 器t o v s ( t i r o s - - no p e r a t i o n a lv e r t i c a ls o u n d e r ) 资料对天气预报准确率的改进，1 9 8 7 年指出只有当全球大气温度、湿度探测的精度达到无线电探空的水平，才可能对天气预报 做出重大的改进。无线电探空的精度，在对流层大气温度统计均方根误差r m s e ( r o o t m e a n s q u a r ee r r o r ) 达到1 k ，大气湿度达到1 0 ，大气廓线的垂直分辨率达到1 七聊，而 当前国际上的t o v s a t o v s 以及我国未来的垂直探测仪器，都还不具备这样的探测精度，只 有已经发射上天的超高光谱大气探测仪a i r s 才具有达到这种探测精度水平的能力m 1 。 6 第二章大气探测反演原理 随着人类活动对环境的影响越来越不容忽视，在对卫星探测产品的精度要求越来越高 的同时，对其产品的种类也要求越来越多，除了温度、湿度、臭氧等发展较早的产品外， 对c 日。，c 0 ，c d ，z 等恒量气体成分也提出了探测要求。此外，对卫星探测产品 的时空分辨率，特别是大气垂直结构的分辨率的需要不断提高。表2 1 2 3 分别从不同角 度全面综述了当前和未来气象、气候业务对大气探测的需求。由此可知，为满足气象业务、 军事气象和航空、航海等专业气象服务的实用要求，必须大力发展气象卫星大气探测技术， 提高大气探测的水平和能力。 表2 1 临近天气预报等对大气探测的需求 探测空间尺度 一般需要：5 0 0 0k m 5 0 0 0 砌的天气尺度 特殊需要：1 0 0 0k m 1 0 0 0 k m 的中小尺度 探测空间水平 分辨率 目前：2 5 砌( 全球) ；5 k m ( 区域) 2 0 1 0 年：5 o n ( 全球) ；1 砌( 区域) 表2 2 数值天气预报对大气探测的垂直分辨率需求 高度范围垂直分辨率 地表- 5 0 0 h p a 5 0 0 3 0 0 h p a 3 0 0 l o o h p a 0 3 - 0 5 砌每层 1 - 2 k i n 每层 1 - 2 k m 每层 l o o h p a 以上2 - 3 k m 每层 7 第二章大气探测反演原理 2 3 星载大气探测仪器的发展概况 自从1 9 6 0 年美国发射第一颗( t i r o s 1 ) 试验卫星以来，中、日、俄、法、印、欧共 体等许多国家和组织都已发射了气象卫星。卫星遥感技术取得了很大的发展，美国和欧洲 的气象卫星上装载的大气垂直探测仪器已经收集了大量的资料，并在数值模式中发挥越来 越大的作用。即将发射的我国第二代极轨气象卫星f y 一3 也装载了一系列的大气垂直探测仪 器。 2 3 1 美国极轨气象卫星tir o s n 0 从系列 美国是最先把空间卫星遥感技术应用于气象学的国家之一，表2 4 给出了美国的极轨 气象卫星t i r o s 系列的发展概况。美国发射试验卫星t i r o s 系列、第一代业务卫星e s s a ( e n v i r o n m e n t a ls u r v e ys a t e l l i t e ) 后，在第二代业务卫星i t o s ( i m p r o v e d t i r o s o p e r a t i o n a ls y s t e m ) n o 从( n a t i o n a lo c e a n o g r a p h i ca t m o s p h e r i c a d m i n i s t r a t i o n ) 上 装载了大气温度廓线仪v t p r ( v e r t i c a lt e m p e r a t u r ep r o f i l er a d i o n m e t e r ) ，获取大气 垂直温度分布。 从1 9 7 8 年开始，第三代业务卫星n 0 从系列上就持续安装了大气垂直探测系统，主要 是能够提供全球资料的t o y s 。t o v s 系统主要包括高分辨率红外辐射探测仪h i r s ( h i g h r e s o l u t i o ni n f r a r e dr a d i a t i o ns o u n d e r ) 和微波探测装置m s u ( m i c r o w a v es o u n d e r u n it ) ，用于遥感大气温湿廓线、云参数和臭氧总含量等。t o v s 装载于系列卫星n o a a 一6 ， n 刚峨一7 ，n o 从1 4 。 1 9 9 8 年美国开始了新一代极轨卫星系列的研究，即n o a a k ，l ，m ，n 。新一代第一颗 星发射上天后，称为n o a a - 1 5 卫星，此为第四代业务气象卫星时代，其大气探测系统也演 化为先进的卫星大气垂直探测系统a t o v s ( a d v a n c e dt i r o s - - no p e r a t i o n a lv e r t i c a l s o u n d e r ) ，a t o v s 主要由h i r s 3 、a m s u a 和a m s u - b 三个仪器组成。a t 0 v s 的主要特征是： h i r s 仪器性能提高，h i r s 3 型取代h i r s 2 型；由1 5 个微波通道的a m s u - a 和5 个微波通 道的a m s u b 取代原来4 通道的m s u ，用以探测有云情况下的大气温湿分布，扫描点空间分 辨率有较大幅度的提高。2 0 0 5 年上半年n o 从一1 8 卫星上天。 第五代系列卫星是n o a a - o ，p ，q ，红外温度探测器( i r t s ) 与h i r s 3 的特性基本一 致，微波温度探测器( m t s ) 类似于a m s u a ，新增加了6 0 一- - 6 3 g h z 范围内6 个通道，微波 湿度探测器( 删s ) 与a m s u b 类似。 8 第二章大气探测反演原理 表2 4 美国极轨气象卫星一t i r o s n o 从系列发展一览表 2 3 2 美国静止气象卫星- g o e s 系列 表2 5 给出了美国地球静止卫星的发展概况。它同样经历试验和业务两个阶段，试验 阶段的卫星是应用技术卫星( a t s ) 系列，业务静止气象卫星为g o e s ( g e o s t a t i o n a r y o p e r a t i o n a le n v i r o n m e n t a ls a t e l l i t e ) 系列。g o e s 也有类似于h i r s 的红外垂直探测仪 器，用来探测包括美国在内的区域实时资料。 表2 5 美国静止气象卫星- g o e s 系列发展一览表 在垂直探测仪器上：第二代卫星以探测器v a s 取代前几颗卫星使用的v i s s r ，用于 9 第二章大气探测反演原理 反演三维大气温度和水汽分布；第三代开始将图像仪与大气探测器分开。它们有各自独 立的的地面控制系统和地面传输系统，可以同时获取卫星云图和大气垂直探测资料。大气 探测器由1 2 通道增加至1 9 通道，分辨率由1 4 尼聊提高到8 j 聊，和h i r s 的1 7 4 忌聊的分 辨率相比大有提高，观测精度和灵敏度也有很大提高，且观测区域可在东西、南北两个方 向灵活控制，观测频次大为增加，可以获得高频次的大气温度、湿度分布资料；第四代 卫星的垂直探测器将有更高的垂直分辨率，温度精度将达到1 1 5 k ，湿度达到1 5 的精度。 2 3 3 高光谱分辨率大气探测仪器的发展 目前国际上比较通用的滤光片式红外大气垂直探测仪对温度的探测精度为2 k ，对湿度 的探测精度为2 0 ，探测的垂直分辨率为4 k m 左右，这种精度显然无法满足发展中的数 值天气预报的需要。 限制滤光片式红外大气垂直探测仪探测能力的主要是它的光谱分辨功率。光谱分辨功 率的定义为r = a 九，滤光片式红外大气垂直探测仪由于受滤光片制式限制，光谱分辨 功率太低，在5 0 一1 0 0 左右。而目前已经上星的a i r s 以及未来的g i f t s ，i a s i ，c r i s 和h e s 等高光谱红外探测仪，其光谱分辨功率一般均超过1 0 0 0 。当光谱分辨功率r 1 2 0 0 ，并且 仪器的辐射测量绝对精度优于0 2 k 时，大气探测仪对温度的探测精度才可能接近l k ，对 湿度的探测精度接近1 0 ，探测的垂直分辨率接近1 公里左右，使星载大气探测仪的探测 能力达到当前气象中广泛使用的大气探空资料的精度水平，进而为数值天气预报提供大范 围、高精度的初始场n 1 。 2 0 0 2 年5 月4 日，美国国家航空航天局n a s a ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n ) 发射了地球观测卫星e o s 系列的第二颗卫星e o s p m 1 ，又称a q u a 。图 2 1 为a q u a 卫星。卫星上搭载了光栅式大气红外探测仪a i r s ，第一次在卫星上实现了真正 意义上的高光谱分辨率大气探测。在此之后，将陆续有多个高光谱分辨率红外大气探测仪 上天。 继a i r s a q u a 上天之后，n a s a 计划在其静止科学试验卫星e o - 3 上搭载干涉式红外大 气探测仪g i f t s 埔( g e o s y n c h r o n o u si m a g i n gf o u r i e rt r a n s f o r ms p e c t r o m e t e r ) 。如果 g i f t s 探测数据能够成功应用于各领域，n o a a 将把其技术应用在搭载于静止环境卫星 g o e s r 上的高分辨率大气探测仪器h e s 旧1 ( h y p e r s p e c t r a le n v i r o n m e n t a ls e n s o r ) 上， 并计划在2 0 1 2 年发射。此外，美国n o a h 计划在下一代极轨业务卫星n p p 和n p o e s s 系列上 装载跨轨红外探测仪c r i s 们( c r o s s - t r a c ki n f r a r e ds o u n d e r ) 。欧洲气象卫星组织 1 0 - 第二二章人气探测反演原理 e b i e t s a t ( e u r o p e a no r g a n is a t i o nf o rt h ee x p l o i t a t jo no fm e t e o r o l o g i c a ls a t e l l