基于一维变分算法的卫星遥感反演大气温湿度廓线研究

发布时间：2020-04-17 04:40

【摘要】：大气温度廓线和湿度廓线是大气的重要参数,在数值天气预报及天气预警中具有重要的应用价值。卫星上搭载高光谱红外传感器具有覆盖广、连续观测、时空分辨率高等优点,因此使用卫星资料进行大气温湿度廓线的反演研究对于促进卫星资料的处理和应用具有一定意义。为获得高精度的大气温度与水汽混合比廓线数据,本文研究了基于Metop-A/IASI(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)红外高光谱资料的大气温度与水汽混合比廓线变分反演方法。利用IASI高光谱红外传感器温度和水汽探测通道资料,结合CRTM(Community Radiation Transfer Model)模式和 WRF(The Weather Research and Forecast)模式预报技术,使用一维变分方法,研究了卫星资料质量控制、背景误差协方差本地化、观测误差协方差计算等方法,构建了大气温度及水汽混合比廓线变分反演系统,并在北京、青岛、沈阳三个地区开展了反演试验。本文主要研究成果及结论:(1)在观测误差协方差计算过程中,分别使用偏差订正前和订正后的卫星观测资料进行温度及水汽混合比反演的建模试验和检验试验,并对试验结果进行比较。以探空为标准的反演结果对比试验显示,使用WRF模式预报值作为背景场,不论是建模试验还是检验试验,进行偏差订正后的温度及水汽混合比廓线反演试验的误差及均方根误差(RMSE)都比订正前的结果有所改进。(2)对于卫星仪器的通道选择进行了试验研究,以通道的雅克比为参考依据,对第一部分中的温度以及水汽混合比检验试验通道进行改进,反演得到的温度和水汽混合比廓线的平均误差及均方根误差均有所减小。(3)使用目前业务上较为常用NMC方法,计算了背景误差协方差,并与第一、第二部分试验所使用的基于统计方法的背景误差协方差进行检验试验并进行比较,结果显示,使用本研究的统计方法,对于小尺度的温度及水汽混合比反演试验来说,效果略优于NMC方法。以上试验结果均表明:基于一维变分方法,可以利用Metop-A/IASI红外高光谱资料进行大气温度与水汽混合比廓线高精度探测。
【图文】：

视场,卫星,仪器

图２－１卫星在视场范围内接收到的辐射逡逑２．２＿２邋ＩＡＳＩ邋介绍逡逑２００６年１０月欧洲第一课极轨卫星Ｍｅｔｏｐ－Ａ成功升空，使得欧洲有了自己的极轨气逡逑象卫星。ＩＡＳＩ是Ｍｅｔｏｐ－Ａ上的关键仪器之一，也是最先进的仪器之一，它是继２００２年逡逑美国ＮＡＳＡ／Ａｑｕａ卫星装载的高光谱仪器ＡＩＲＳ载轨运行之后的一个超高光谱大气探测逡逑仪器［３１Ｌ邋ＩＡＳＩ是一个基于迈克尔逊干涉仪且附有一个成像系统的傅里叶变换光谱仪，能逡逑在３．６２－１５．５—红外光谱范围内进行连续观测，以（ＵＳｃｎｒ１的光谱分辨率平均地划每个通道，共分成８４６１个通道，辐射分辨率范围为０．１邋—邋０．５邋Ｋ。ＩＡＳＩ仪器的光谱范围逡逑包含了二氧化碳、水（气体）、一氧化碳、甲烷、臭氧和一氧化二氮吸收带。二氧化碳吸逡逑收带主要用来对大气温度实行探测，水汽吸收带用来探测大气湿度和云的特性，如表２－逡逑１、２－２％所示。ＩＡＳＩ仪器对大气温度、湿度廓线以及其他气体的探测能力强、分辨率高逡逑和探测精度可靠、性能好。由于ＩＡＳＩ采用的是先进的干涉式分光技术，，相比于过去老逡逑

模式图,辐射传输模式,模式,辐射传输方程

发射率和反射率；云和气溶胶的吸收和散射模型主要用来计算云或气溶胶粒子的光学特逡逑性；气体吸收模块用来计算大气的吸收系数或大气透射；辐射传输方程求解模块主要用逡逑于求解辐射传输方程。图２－２是ＣＲＴＭ模式主要组成结构示意图逡逑二二ｐ二－……：……－刁逡逑初始化逦前向模块逦切线性模块；伴随模块逦Ｋ矩阵模块逦ＣＲＴＭ清空｜逡逑下垫面发射和逦气溶胶吸收和逦ＺＴ吸收和散射逦气体吸收模型逡逑反射模型逦｜散射模型逦｜邋模型逦Ｌ＿＿＿逡逑逦ｉ逦逡逑辐射传输方程求解模型逦＾逦？源函数逡逑图２－２邋ＣＲＴＭ辐射传输模式主要组成结构逡逑２．３．２邋ＷＲＦ邋模式逡逑中尺度预报模式ＷＲＦ邋（Ｔｈｅ邋Ｗｅａｔｈｅｒ邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ａｎｄ邋ｆｏｒｅｃａｓｔ）主要由国家大气研究中逡逑心（ＮＣＡＲ）、美国环境预报中心（ＮＣＥＰ邋）、Ｏｋｌａｈｏｍａ大学的风暴分析和预报中心（ＣＡＰＳ）逡逑等多家科研机构共同开发和建立的。自从发布第一个版本以来，经过多年的不断更新和逡逑１５逡逑
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P407

【参考文献】