【2017年整理】温湿廓线的反演研究.doc

温湿廓线的反演研究 一．发展历史 二十世纪七十年代末，NOAA极轨卫星装载的HIRS/MUS(High Resolution Infrare Sounder/Microwave Sounding Unit)仪器组开始业务大气预报提供全球卫星探测温湿度廓线资料。十年后，世界气象组织(World MeteorologicaI Organization，WMO)对卫星资料在大气预报中的应用价值进行了评估，于1987年发表的评估报告中指出，大气预报准确率的进一步提高，全球温湿度探测精度必须达到气球探空的精度,也就是1km气层厚度的温度探测精度达到均方根误差小于1K(即1K/1km)，对流层湿度探测精度达到90%。气球探空不是全球覆盖的，在广大的海洋、沙漠和极区,尤其是南半球缺少温湿度廓线资料，需要卫星探测作为补充。而目前业务卫星探测的精度远远低于气球探空的精度。 前人的研究发展中，King最早提出利用卫星观测热红外发射辐射反演大气温度廓线(King,1956)。 kaplan通过大气发射的光谱分布,获取温度的垂直分布，发现不同光谱波段的辐射来自不同的气层，因而利用一组位于不同波段上的探测通道就可以反演不同高度上的大气温度。Wark提出了利用卫星探测大气温度廓线的研究计划Wark,1961)。从1970年代开始，国外开展了大量的温湿度廓线反演算法研究工作。Smith(1991)对国外卫星反演大气温湿度廓线的发展历史进行了全面详细的总结。我国在参考国外研究成果的鉴础上,利用国外的卫星观测资料开展了大量的富有创新意义的研究工作，并从算法上实现了对大气温度、湿度和臭氧廓线的反演。曾庆存首先系统阐述了大气红外遥感探测的理论，此后许多科学家开始了大量研究。20世纪80年代,黎光清等根据大气温度遥测方程的非适定性质,提出了一个有偏估计调整算法,并在此基础上建立了一个改进的同步物理反演方法。20世纪90年代以后,数值天气预报高时空分辨率的要求，使卫星资料 相对于探空资料的重要性大大提高。Aumann等利用AIRS的高光谱分辨率探测特性，构造出更为陡峭的权重函数，得到更加精细的高阶大气垂直结构，改善了大气参数的反演精度及其垂直分辨率。 传感器介绍 AQUA卫星介绍及AIRS仪器简介 AIRS是新一代星载高光谱分辨率大气红外遥感仪器家族中的第一个成员。已经进入轨道的还有IASI(2006年10月20日，Meteop-A卫星平台)。其它的都还在计划之中。以下仅对AIRS本身的一些技术参数作一个简单的介绍，其中包括和它一起协同工作的两个微波仪器AMSU和HSB。 AQUA卫星是组成NASA地球观测系统EOS的卫星之一,于2002年5月4日在加州范仆堡空军基地发射，运行在太阳同步轨道，卫星高度705km。AIRS是装载在AUQA上的众多仪器之一主要用于大气垂直探测。 AQUA卫星上的AIRS仪器组： AIRS(Atmospheric infrared Sounder)是NASA第一个红外高光谱分辨率仪器 AMSU一A(Advanced Microwave Sounding Unit) ,和NOAA系列上相同的15通道微波探测仪,它的一个视场内包含3x3个AIRS视场。 AIRS仪器的红外特性 光谱分辨率: (v/v=1200,通道宽度0.42.4,通道总数2378 空间覆盖特性: 士49.5度??? 1.1°“(~13.5 km dia)IFOV(星下点瞬时视场) 光谱覆盖特性: 3.74μ一4.61μm（2674一2170cm-1） 6.20μm一8.22μm（1613一1217cm-1） 8.80μm一15.4μm（1136一649cm-1） 噪声(NEDT): 0.14K at 4.2μm 0.20K from 3.7 to 13.6μm 0.35K from 3.6 to 15.4μm 功率/重量: 256W/66kg 设计寿命: 5年 光谱范围覆盖了重要的4.2μm及15μm的CO2温度探测带,6.3μm水汽吸收带，9.6μm臭氧吸收带，同时还包括CH4, N2O, CO和SO2的吸收谱线。AIRs的不同通道分别对大气的不同高度敏感，每一通道权重函数在某一气压层上有极大值，2378个通道能提供从地面到40km高度的大气信息,辐射测量绝对精度优于0.2K。由于AIRS具有高测量精度和高光谱分辨率的特点，所以被用来探测精细的大气温度、湿度廓线、臭氧总含量等。AIRS是一个扫描探测器,扫描宽度约1650km，星下点分辨率约为13.5km，垂直分辨率为1km，每6分钟的观测资料构成一个granule，每个景(granule)有135条扫描线组成,每条扫描线有90个观测视场，每天240个granule覆盖全球观测两次。 为发展大气探测获取大气温湿廓线