风云四号高光谱资料数值模拟及温度廓线反演试验研究

论文总字数：15367字

目 录

1 引言……………………………………………………………………1

1.1 研究背景及现状…………………………………………………………………………1

1.2 研究对象及方法…………………………………………………………………………1

2 FY-4辐射传输模式……………………………………………………2

2.1 模式介绍…………………………………………………………………………………2

2.2 模式安装…………………………………………………………………………………3

2.3 内部例子运行……………………………………………………………………………3

3 CIMSS 全球晴空反演训练样本………………………………………3

3.1 样本介绍…………………………………………………………………………………3

3.2 原始数据处理……………………………………………………………………………4

4 模式的敏感性分析及数值模拟………………………………………5

4.1 不同云顶高度敏感性分析………………………………………………………………5

4.2 不同 optvis 敏感性分析………………………………………………………………7

4.3 正演模拟…………………………………………………………………………………9

5 初步反演试验 ………………………………………………………11

5.1 数据预处理 ……………………………………………………………………………11

5.2 反演方法简介 …………………………………………………………………………11

5.3 参数设置 ………………………………………………………………………………13

5.4 初步反演结果 …………………………………………………………………………13

6 结论 …………………………………………………………………15

7 讨论 …………………………………………………………………15

参考文献…………………………………………………………………16

致谢………………………………………………………………………17

风云四号高光谱资料数值模拟及温度廓线反演试验研究

蔡僖

，China

Abstract：FY-4 is the first stationary satellite loaded with hyperspectral infrared atmospheric vertical detectors, there is no related research on the same kind of load in the world at the moment. The FY-4 radiation transmission mode is used for the forward simulation of the CIMSS training samples. There is also a simple sensitivity analysis of the mode itself and a small part of the inversion work is carried out using neural networks. The results show that both the cloud top height and the optical thickness (optvis) have a great influence on the brightness observed by FY-4, the effect of inversion using neural network is quite good, worthy of the future in-depth study.

Key words:FY-4; hyperspectral infrared atmospheric vertical detectors; forward simulation; sensitivity analysis; retrieval

1、引言：

1.1、研究背景及现状

随着当代人们对天气气候变化的关注度的提高，气象行业受到的重视程度在逐渐增加的同时，对其业务工作也提出了更高的要求，其本身也面临着更多的挑战，而正是这些挑战的存在，促进了气象行业的蓬勃发展。而为了进行气象研究，观测数据资料是必不可少的，气象学家需要利用这些观测资料进行相关分析，处理并最终实现对天气的预报工作。而地面资料存在许多的局限性和不足之处，如观测点的分布较为不均匀，且密度难以达到新的要求；部分区域的资料比较缺乏，观测的频率低，资料的连续性不理想等等。而在这些方面，气象卫星显现出了明显的优势，通过搭载各类观测仪器，气象卫星能够提供各类高频次，连续观测的资料。而其中高光谱红外大气垂直探测仪又对光谱探测通道进行了更加的细化，因此大气温湿廓线的反演精度得以进一步的提高。

我国从1988年第一颗气象卫星风云一号升空之后，不断创新，改进技术，在极轨和静止卫星方面不断地实现技术突破，取得一次又一次成就，至2016年12月11日，最新一代的静止气象卫星—风云四号成功升空，标志着我国在静止轨道气象卫星的研发上达到了新的高度。作为最新一代的静止轨道定量遥感卫星，风云四号不仅在功能和性能上大幅拓展，提高，整体达到了国际先进水平，更是配置了干涉式的红外大气垂直探测仪, 光谱分辨0.8cm－1，可在垂直方向上对大气结构实现高精度定量探测，这是欧美第三代静止轨道单颗气象卫星不具备的[1]。

大气垂直干涉检测（AVID）是中国新一代气象卫星（FY-4）的关键载荷之一[2]。高光谱红外大气垂直探测仪细化了光谱探测通道，提高了反演大气温湿廓线的精度。风云四号是国内第一个装载高光谱红外大气垂直探测仪的静止卫星。国际上暂无相关高轨同类载荷的相关研究。目前高光谱红外大气垂直探测仪，主要有搭载在美国NASA Aqua卫星上的大气红外探测仪AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)，于2002年发射上天，有2378个通道；搭载在欧洲MetOp-A/B卫星上的干涉仪IASI(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)，分别于2006年和2012年成功发射上天，一共有8464个通道；以及搭载在美国NOAA Suomi NPP卫星上的跨轨扫描红外探测仪CrIS(Cross-track Inf rared Sounder)，于2011年10月28日被发射上天，一共有1305个通道。其中ARIS上采用的是光栅分光技术，IASI、CrIS采用的是干涉分光技术，这也是我国FY-4静止卫星上搭载的红外高光谱探测仪采用的分光技术。为实现业务化运行，FY-4卫星的能源、推进剂、姿态、太阳电池阵驱动、温度、动量轮卸载等采用了自主管理，并可通过地面上注修改自主管理规则，进一步提高了卫星的安全性和可靠性[3]。此前比较流行的辐射传输模式为CRTM辐射传输模式，能够快速准确地模拟卫星辐射，支持100多种传感器，而本文所使用的是FY-4辐射传输模式，后文会有详细介绍。此外，目前大气温湿廓线反演的技术主要有正向模型反演算法，回归法，神经网络法等[4,5]。而正向模型算法的计算量以及耗时量都相当大，回归法的考虑比较简单，对于解决非线性问题存在局限性，而在这一类问题上神经网络算法有着自己强大的优势[6]。

1.2、研究对象及方法

本文主要研究对象为风云四号静止卫星，利用FY-4辐射传输模式对CIMSS全球晴空反演训练样本进行了数值模拟的正演工作。此外也利用人工神经网络（Artificial Neural Network）进行了一小部分的反演工作。

本文首先在第三章引入并介绍了FY-4辐射传输模式；在第四章对所使用的CIMSS全球晴空反演训练样本进行了介绍；在论文的第五章对模式的敏感性进行了简单的分析；在第六章进行了数值的正演模拟工作；为大致测试一下数值模拟的效果，在第七章进行了一些初步的反演测试工作；从第八章开始，对论文的总体内容进行了总结，补充和推广，提出了不足之处以及今后的展望。

2、FY-4辐射传输模式

2.1、模式介绍

此模式的开发者为威斯康星大学空间科学与工程中心的Elisabeth Weisz，是一个用于计算云雨天情况下的传感器亮温值的辐射传输模式。而同时，通过改动其内部的参数，也可以用于晴空模式下的亮温模拟计算，通过编辑修改其内部的程序文件，并在Linux系统中编译，运行，便可得到指定条件下的亮温值。该辐射传输模式中的快速模型系数是通过将由NSMC提供的具有特定光谱响应函数的0.1cm -1透过率数据库（LBLR TM v11.6）逐行卷积计算来获得LBL仪器特定透过率，然后进行回归计算以获得晴空，臭氧和水汽快速模型系数。模式中使用的快速算法是PFAAST（Pressure Layered Fast Atmospheric Transmittance），该算法最初称为PLOD，但后来更名为PFAAST。是由S.Hannon、L.Strow和W.McMillan共同开发的，适用于各种分辨率的高光谱传感器。

放入输入数据后，更改相应文件中的路径，运行fy4stbc.f主程序就能得到相应的亮温值。fy4stbc.f读取六个模式大气101层的温度，湿度和臭氧信息，然后计算出亮温。有云时的亮温的计算条件是波数 ≤2500 cm^-1，而晴空时亮温的计算不受限制。目前地表压强被设定为底层气压，地表面温度被设定为输入温度廓线的最底层的值，所有波段的地表发射率都为0.98，而这些都可以在‘fy4stbc.f’由用户修改。

FY-4辐射传输模式的大体运行流程如图1所示。

图1 FY-4辐射传输模式简单流程图

2.2、模式安装

根据模式内的指导说明，模式的安装主要在Linux系统中进行，在Linux系统中解压后，删除上次编译后留下的.o文件并重新进行编译，之后对fy4s_cloudf.nl文件进行修改以满足实验需要，最后运行fy4stbc.exe主程序便可得到相应输出。输出文件包含四类信息：通道序号，通道波数，辐射值，亮温值，得到输出后即可利用Matlab提取相应需要的信息。

2.3、内部例子运行

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