温湿廓线的反演研究

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(HighResolutionInfrareSounder/MicrowaveSoundingUnit)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(WorldMeteorologicaIOrganization，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。二．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(AtmosphericinfraredSounder)是NASA第一个红外高光谱分辨率仪器AMSU一A(AdvancedMicrowaveSoundingUnit),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°“(~13.5kmdia)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):0.14Kat4.2µm0.20Kfrom3.7to13.6µm0.35Kfrom3.6to15.4µm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的研究,自20世纪60年代开始,美国先后研发了VTPR、HIRS和VISSR等不同类型的滤光片式大气探测仪器,为了彻底改进仪器技术制式,高光谱大气探测器成为研发重点,如光栅式红外大气探测器AIRS、干涉式红外大气探测器CRIS和欧洲的IASI等。（1）传感器特性及反演方法在以往的几十年中,反演大气温湿廓线研究取得了很大进展,这里分别介绍目前具有代表性的ATVOS、MODIS和AIRS以及MWHS这4个主要卫星传感器及其相应的温湿廓线反演方法。利用ATVOS资料反演大气温湿廓线改进的泰罗斯垂直探测器,简称ATOVS(AdvancedTIROSVVerticalSounder)。ATOVS(NOAA-15,16,17,18系列)为改进的TOVS型,是用于提供温度和湿度廓线的详尽描述所需资料的探测系统。该系统不仅可以获取晴空区和部分有云区的大气温度和湿度廓线,而且还可获取云天条件下的大气温度和湿度廓线。ATOVS主要由3个不同的探测器组成:(1)HIRS/3。有20个通道(在3.76～14.95µm和0.69µm附近)与HIRS/2具有相似通道光谱特性的基本改进形式，对于温度通道仅有2条校准扫描线。(2)AMSU-A。有15个通道(在23、30、50和90GHZ附近)的全功率微波探测器，用于从地面到大约3hPa的温度和湿度垂直廓线的反演。(3)AMSU-B。有5个通道(在90、150和190GHZ附近)的全功率微波探测器，用于从地面到大约3hPa的温度和湿度垂直廓线的反演。利用一阶变分原理从辐射传输方程中得到了大气温度、水汽权重函数的解析形式,并改进了传统使用的线性迭代方法,利用牛顿非线性迭代方法求解大气表层温度、大气温度廓线及大气水汽廓线,并根据大气参量的自相关性,将大气温度廓线、大气水汽廓线用经验正交函数(EOF)的线性组合表示,减少了要反演的参数,提高了反演稳定性和迭代速度。（2）微波遥感大气辐射传输方程中透过率与权重函数的有关计算及其特性在5毫米氧气吸收谱线两侧进行多频观测，每一个频率对应的权重函数都有一个极大值，通过对不同频率的谐振峰值高度上的大气温度，得到大气温度分布廓线。1.透过率的有关计算及其特性无线电波辐射在大气中从r，传输到r，透过率为通常等式右侧称为大气透过率。透过率函数的分布是由体积吸收系数唯一决定的。理论上权重函数W（z）与大气温度有关，但其随温度的变化是很小的。每变化1度引起的核函数只有千分之几的变化。因此他们的垂直分布对大气温度廓线变化的依赖性很小，求解T(z)时，是可以认为大气的透过率和权重函数与T(z)无关。而且下行辐射亮温的权重函数值是在一定高度范围内随频率的增加值逐渐减小，频率越高天顶角越大衰减越快。高天顶角或高频可以反映低空温度层结，低天顶角或低频可以获得高空温度层结。三．具体方法：1.图像耦合法ICI根据大气辐射传输方程,卫星观测的辐射亮度温度(Ｅ)在无散射或局地平衡情况下,表示为该方法采用的是快速透过率模式RTTOVV(RapidTrabsmittanceTOVS)。质量检验后的分析场经对数内插法和经验外推模式插值到RTTOV辐射模式的40个标准层(0.1hPa～1000hPa)上，并利用上述模式进行辐射传输计算。一旦确定了反演所需的最佳初始廓线，就可以求解辐射传输方程。反演采用一维变分技术，对上述估价函数作最小化处理，即对方程作扰动处理，使得卫星观测大气廓线和最终的大气廓线之间的差值趋于最小，以获取最佳反演结果。2.统计回归反演算法统计回归方法是一种反演大气温度、湿度廓线的快速有效方法,主要原理是在观测的辐射和反演的大气廓线之间事先建立统计学关系。在频率ｖ上,晴空条件下大气顶部接收到的出射辐射是地表和大气各个层向上辐射的总和，可离散化为式中,Ｂ[ｖｊ,Ｔ(ｐｉ)]是温度为Ｔ的第ｉ气压层大气普朗克发射辐射;ｐｉ为第ｉ气压层的大气压;ｗ(ｖｊ,ｐｉ)=ε(ｖｊ,ｐｉ)τ(ｖｊ,0→ｐｉ),是权重函数,ε(ｖｊ,ｐｉ)是第ｉ气压层发射介质的光谱发射率;τ(ｖｊ,0→ｐｉ)是第ｉ气压层以上大气的光谱透过率。利用Ｍ个辐射观察来测定Ｎ层的大气温度和湿度是要解决的问题。然而权重函数只能代表一层中辐射的平均情况，因此Ｍ个辐射并不相对独立，使方程组没有唯一的解；而且较小的观测误差能引起较大的温度反演误差，使解出现不稳定。统计回归反演算法就是对上式进行线性化处理后，利用大量的大气探测数据和最小二乘算法，寻找最合适的算子矩阵Ａ(Ａ为权重函数矩阵的逆矩阵)，并使计算误差最小。统计回归反演算法的优点在于计算速度快，计算稳定性强,算法简单,但它不能说明辐射传输方程中的物理概念。3.物理反演算法物理反演算法是基于小扰动理论，通过最小化由式(5)定义的代价函数来判断MODIS通道测值对初始猜测场的拟合程度，即式中Ｘ为反演的大气廓线；Ｘ0为大气廓线的初始状态或从统计回归而来的初估值;Ｙｍ为在反演过程中观测到的MODIS亮度温度的矢量;Ｙ(Ｘ)为从大气状态Ｘ计算而得到的MODIS亮度温度矢量;γ是通过差异原理决定的调整参数。这种方案在MODIS通道测值和初估值之间提供了一种平衡。假如一组初估廓线的辐射传输计算能很好适合MODIS通道测值,非线性迭代中将给MODIS测值设定较小的权重,结果只是对初估值进行一小的订正。如果初估值与MODIS通道测值不相符合,那么非线性迭代中将给MODIS测值设定较大的权重。因此,为了获得同所有MODIS观测亮温的最佳匹配,需要同时对温度和湿度廓线作出调整。MODIS具有高的空间分辨率和很好的信噪比，能在高分辨率和大范围下找出大气稳定性特点，确定晴空辐射将更为精确，反演的精度和范围较高。MODIS反演原理：MODIS反演大气温度廓线,主要利用的就是位于红外振动-转动带的CO2吸收通道的观测。在4.3µm和15µmCO2吸收谱段、6.7µmH2O吸收谱段，由吸收谱带中心到翼区设置了若干探测通道，不同通道探测的能量分别来自于不同高度层大气的热发射。当仪器的光谱通道给定后，观测的辐射值将同大气的某一特定高度密切相关。反演的任务就是在已知有限量波段的卫星辐射率测值Ni(i=1,2,…ｎ)的情况下解出各个大气层发射的Planck辐射值Ｂ(ｖ,ｐ),由Ｂ(ｖ,ｐ)就可获得大气温度、湿度等垂直分布。利用卫星资料反演温湿廓线和云参量也取得了很大的进步，NASA利用MODIS反演大气廓线，并已经发布温湿廓线业务产品。目前国内主要在利用MODIS资料反演地表温度和利用静止气象卫星反演海温已取得进步，但是离国外还有一定差距，尚未就利用MODIS辐射率资料反演大气廓线大量开展工作。利用AIRS红外超光谱资料反演大气廓线的步骤是：利用AIRS红外超光谱资料反演大气廓线:第一步AIRS象元的云检测，即从MODIS云产品中提取高水平分辨率得出云检测信息之后，与AIRS的象元进行空间匹配，从而确定AIRS的象元云检测信息；云检测由于云量、云高及云特性的变化强烈影响着行星反照率梯度和地表能量交换，进一步影响区域、全球天气和气候，云检测是用卫星资料研究云对天气和气候系统作用至关重要的一步。云检测的效果如何，直接影响利用卫星资料反演大气参数的精度和误差。AIRS高光谱观测大气参数精度很高，能辨别出每条CO2吸收线，能探测从地面到40km高度的大气温度和水汽廓线，因而改进了大气廓线的垂直分辩能力，但AIRS空间分辨率低（1