风云四号高光谱红外探测仪资料同化相关问题研究

论文摘要

现有的高光谱红外大气垂直探测资料同化相关技术,尤其是卫星资料同化前的资料处理技术,主要是基于极轨卫星平台的探测仪开发得到。相比于极轨卫星,静止卫星高光谱红外大气探测仪GIIRS（Geosynchronous Interferometric Infrared Sounder）具有固定区域观测的特性和高频次观测的优势,能够监测快速变化的中尺度大气系统。为了充分利用并发挥GIIRS仪器的观测特性和优势,需要重新开发或改良现有的高光谱红外大气探测资料同化相关技术。基于这个研究背景,本论文主要针对GIIRS同化相关的三个核心技术进行研究,并取得如下的进展和结论:（1）建立了基于区域大气特性的GIIRS观测算子。观测算子是连接大气状态和卫星观测的桥梁,是卫星数据同化和定量信息反演的基础,目前中国气象局GRAPES（Global/Region Assimilation and Prediction Enhanced system）模式变分同化系统中采用的观测算子是欧洲中心开发的RTTOV（the Radiative Transfer for TOVS）模式。为了在GRAPES模式中实现GIIRS资料的同化,我们独立开发了一套适用于RTTOV模式的GIIRS仪器系数,并且在GIIRS系数的研制过程中提出了两个创新工作:训练方法和训练样本的创新。考虑到仪器系数训练是小样本回归问题,我们选取了对异常值不敏感的稳健回归方法（加权最小二乘法）来训练仪器系数;同时考虑到GIIRS仪器搭载于静止轨道卫星平台,只观测固定的小区域,因此,针对GIIRS的观测范围,为其挑选了一套有代表性的局地训练样本取代通用的全球训练样本来构建GIIRS仪器系数,以提高RTTOV模式对GIIRS仪器的模拟精度。基于LBLRTM（Line-By-Line Radiative Transfer Model）逐线积分模式和GIIRS实际观测L1数据的检验:比起普通最小二乘法,阈值方法和加权最小二乘法训练得到的仪器系数的亮温模拟精度更高,两种方法的改进主要集中在与水汽强吸收有关的GIIRS仪器中波段。然而,加权最小二乘法比阈值方法有更高的稳健性,因此,加权最小二乘法的应用价值更高。对于任何红外仪器的系数训练,我们建议使用加权最小二乘法结合阈值法进行训练;由于局地训练样本更接近于GIIRS观测范围内的大气状态,局地版系数的正演精度更高（有11.7%的精度提高）,其改进主要集中在长波段,包括在800 cm-1波数附近的CO2吸收通道以及1050 cm-1波数附近的O3吸收通道。独立检验结果也表示,局地版系数有更多的通道能达到0.05 K的阈值精度。进一步的检验结果显示,局地版系数较全球版系数在4个纬度带（从低纬到高纬）分别有11.9%,14.10%,14.39%和5.06%的正演精度的提高,这进一步表明了局地版系数能提高GIIRS仪器在非极端大气条件下的正演精度;（2）开发了基于大气变化特性的GIIRS通道选择方法。由于卫星高光谱探测器观测资料量大、观测通道存在相关性,从所有通道中选取部分有代表性的通道进行同化是目前业务中通用的做法。目前常用的通道选择方法是信息熵方法,但它仅考虑了单一频次的通道观测信息对于背景场的改进,没有充分考虑连续时间窗内观测信息对系统的影响。为了发挥GIIRS仪器对快变天气系统的观测优势,我们在常用信息熵方法基础上,增加了新的挑选指标,在GIIRS上千个通道中挑选出了对大气日变化更为敏感的通道。首先,定义了一个M指数,它用于衡量通道Jacobian函数（对于某一探测通道,其观测对每一层大气参数的一阶导数所构成的随高度变化的函数）随时间变化的程度,并且为了消除通道M指数受其探测高度的影响,我们对M指数做了分类归一化处理。然后,在保留信息熵方法优势的基础上,将M指数和信息熵方法相结合开发出了新的通道选择方法,文中记为M方法。用单廓线和局地廓线样本库对两种方法进行比较可知:M方法和信息熵方法独立挑选出的温度或水汽探测通道差异相对较小,这一点证实了信息熵方法在一定程度上能选出对大气日变化敏感的通道。M方法能在不减少所选通道信息量的基础上（和信息熵方法相比）,增加信息熵方法对大气变化敏感通道的识别能力。两种方法独立挑选出的通道都能覆盖各个探测高度,并且对大气温度和水汽的垂直探测能力相似,但是M方法选出通道亮温日变化更为明显,即验证了M方法更适合静止轨道高光谱探测器。（3）在同化中联合使用成像仪和探测仪是研究同化中的偏差订正和云检测问题的一个重要途径。因两类仪器的光谱分辨率设置不一致,不能直接对比两类仪器的观测,通常需要进行辐射卷积处理——将探测仪的观测辐射通过成像仪的光谱响应函数（spectral response function,SRF）卷积到成像仪波段上。本论文针对成像仪与探测仪的辐射卷积问题进行研究,指出辐射卷积计算中可能存在的误区。我们发现分别在波数域和波长域上进行辐射卷积计算,结果存在差异,记为辐射卷积差异（spectral convolution difference,SCD）。通过研究可知:SCD与成像仪光谱响应函数的宽度（即波段带宽）有关,当成像仪探测波段位置相同时,成像仪波段带宽越大,SCD越大。SCD与卷积计算中使用的探测仪光谱分辨率无关。短波红外波段的SCD偏大的可能性更高,可能的原因是短波波段观测到的辐射更弱,因而短波波段对辐射的变化更为敏感,相应的SCD可能更大。当探测仪分辨率超过IASI切趾光谱分辨率时,探测仪和成像仪的光谱匹配基准（插值方向）的选取需要谨慎考虑。由统计结果可得,对于红外通道而言,将成像仪光谱响应函数插值到探测仪光谱分辨率是更合理的做法。从物理角度考虑,因成像仪光谱响应函数相对更加平滑,而光谱辐射随波长或波数的变化非常剧烈,对光谱辐射进行插值会引入比较大的插值误差,因此将成像仪光谱响应函数插值到探测仪光谱分辨率是更安全的做法。成像仪波段中心波数的计算也涉及到卷积域的选择,不同域卷积会带来计算差异,试验结果表明,对于带宽更大的波段,其中心波数计算差异更明显。当中心波数差异转换为亮温差异（Bright Temperature Difference,BTD）后,发现BTD不仅与波段光谱响应函数的宽度有关,还与波段设置位置有关,通常情况下,对于成像仪红外波段而言,波段带宽越宽,波长越短,BTD一般越大。

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摘要

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第1章绪论

1.1 数值天气预报技术的发展

1.2 气象卫星大气探测技术的发展及应用前景

1.2.1 卫星大气垂直探测技术的发展

1.2.2 高光谱大气探测资料应用前景

1.3 卫星资料在数值预报模式中的同化应用发展

1.3.1 资料同化理论和方法的发展

1.3.2 卫星资料处理技术的发展

1.4 静止轨道高光谱资料直接同化特有的科学问题

1.5 主要研究内容和章节安排

第2章大气辐射传输理论、变分同化理论和GIIRS仪器介绍

2.1 大气辐射传输理论

2.1.1 大气吸收特性

2.1.2 大气吸收谱线

2.1.3 忽略散射的辐射传输方程

2.1.4 逐线积分辐射传输模式

2.1.5 快速辐射传输模式

2.2 变分同化基本理论

2.3 FY4A卫星和GIIRS仪器介绍

2.3.1 干涉式高光谱仪的工作原理

2.3.2 GIIRS仪器的光谱参数

第3章 GIIRS快速辐射传输模式

3.1 RTTOV模式快速计算参数化方案

3.2 GIIRS仪器系数的计算

3.2.1 高光谱切趾处理

3.2.2 训练方法的改进

3.2.3 训练廓线的改进

3.3 基于逐线模式对仪器系数的评估

3.3.1 检验方案

3.3.2 训练方法的检验结果

3.3.3 区域训练廓线版本系数检验结果

3.3.4 基于逐线模式检验结果小结

3.4 基于观测数据对仪器系数的评估

3.5 本章小结

第4章 GIIRS仪器的通道选择

4.1 研究进展总结

4.2 方法原理

4.2.1 信息熵方法

4.2.2 改良的信息熵方法

4.3 结果和分析

4.3.1 建立通道黑名单

4.3.2 背景及观测误差协方差矩阵

4.3.3 单廓线结果

4.3.4 局地训练廓线库结果

4.4 章节小结

第5章成像仪与探测仪联合应用的光谱辐射卷积问题

5.1 研究内容

5.2 研究方案与结果

5.2.1 波长域和波数域的光谱卷积等效公式

5.2.2 波段中心波数/中心波长的确定

5.2.3 不同光谱分辨率的匹配问题

5.2.4 不同域光谱卷积差异问题

5.3 本章小结

第6章总结与讨论

6.1 研究总结

6.2 创新之处

6.3 问题与展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 狄迪

导师: 李俊,韩威

关键词: 静止轨道高光谱红外探测仪,快速辐射传输模式,通道选择,光谱辐射卷积

来源: 中国气象科学研究院

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 气象学,气象学,航空航天科学与工程

单位: 中国气象科学研究院

分类号: P414.4;P413

总页数: 116

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