【摘要】：現(xiàn)有的高光譜紅外大氣垂直探測(cè)資料同化相關(guān)技術(shù),尤其是衛(wèi)星資料同化前的資料處理技術(shù),主要是基于極軌衛(wèi)星平臺(tái)的探測(cè)儀開發(fā)得到。相比于極軌衛(wèi)星,靜止衛(wèi)星高光譜紅外大氣探測(cè)儀GIIRS(Geosynchronous Interferometric Infrared Sounder)具有固定區(qū)域觀測(cè)的特性和高頻次觀測(cè)的優(yōu)勢(shì),能夠監(jiān)測(cè)快速變化的中尺度大氣系統(tǒng)。為了充分利用并發(fā)揮GIIRS儀器的觀測(cè)特性和優(yōu)勢(shì),需要重新開發(fā)或改良現(xiàn)有的高光譜紅外大氣探測(cè)資料同化相關(guān)技術(shù)�；谶@個(gè)研究背景,本論文主要針對(duì)GIIRS同化相關(guān)的三個(gè)核心技術(shù)進(jìn)行研究,并取得如下的進(jìn)展和結(jié)論:(1)建立了基于區(qū)域大氣特性的GIIRS觀測(cè)算子。觀測(cè)算子是連接大氣狀態(tài)和衛(wèi)星觀測(cè)的橋梁,是衛(wèi)星數(shù)據(jù)同化和定量信息反演的基礎(chǔ),目前中國(guó)氣象局GRAPES(Global/Region Assimilation and Prediction Enhanced system)模式變分同化系統(tǒng)中采用的觀測(cè)算子是歐洲中心開發(fā)的RTTOV(the Radiative Transfer for TOVS)模式。為了在GRAPES模式中實(shí)現(xiàn)GIIRS資料的同化,我們獨(dú)立開發(fā)了一套適用于RTTOV模式的GIIRS儀器系數(shù),并且在GIIRS系數(shù)的研制過(guò)程中提出了兩個(gè)創(chuàng)新工作:訓(xùn)練方法和訓(xùn)練樣本的創(chuàng)新�？紤]到儀器系數(shù)訓(xùn)練是小樣本回歸問(wèn)題,我們選取了對(duì)異常值不敏感的穩(wěn)健回歸方法(加權(quán)最小二乘法)來(lái)訓(xùn)練儀器系數(shù);同時(shí)考慮到GIIRS儀器搭載于靜止軌道衛(wèi)星平臺(tái),只觀測(cè)固定的小區(qū)域,因此,針對(duì)GIIRS的觀測(cè)范圍,為其挑選了一套有代表性的局地訓(xùn)練樣本取代通用的全球訓(xùn)練樣本來(lái)構(gòu)建GIIRS儀器系數(shù),以提高RTTOV模式對(duì)GIIRS儀器的模擬精度�；贚BLRTM(Line-By-Line Radiative Transfer Model)逐線積分模式和GIIRS實(shí)際觀測(cè)L1數(shù)據(jù)的檢驗(yàn):比起普通最小二乘法,閾值方法和加權(quán)最小二乘法訓(xùn)練得到的儀器系數(shù)的亮溫模擬精度更高,兩種方法的改進(jìn)主要集中在與水汽強(qiáng)吸收有關(guān)的GIIRS儀器中波段。然而,加權(quán)最小二乘法比閾值方法有更高的穩(wěn)健性,因此,加權(quán)最小二乘法的應(yīng)用價(jià)值更高。對(duì)于任何紅外儀器的系數(shù)訓(xùn)練,我們建議使用加權(quán)最小二乘法結(jié)合閾值法進(jìn)行訓(xùn)練;由于局地訓(xùn)練樣本更接近于GIIRS觀測(cè)范圍內(nèi)的大氣狀態(tài),局地版系數(shù)的正演精度更高(有11.7%的精度提高),其改進(jìn)主要集中在長(zhǎng)波段,包括在800 cm~(-1)波數(shù)附近的CO_2吸收通道以及1050 cm~(-1)波數(shù)附近的O_3吸收通道。獨(dú)立檢驗(yàn)結(jié)果也表示,局地版系數(shù)有更多的通道能達(dá)到0.05 K的閾值精度。進(jìn)一步的檢驗(yàn)結(jié)果顯示,局地版系數(shù)較全球版系數(shù)在4個(gè)緯度帶(從低緯到高緯)分別有11.9%,14.10%,14.39%和5.06%的正演精度的提高,這進(jìn)一步表明了局地版系數(shù)能提高GIIRS儀器在非極端大氣條件下的正演精度;(2)開發(fā)了基于大氣變化特性的GIIRS通道選擇方法。由于衛(wèi)星高光譜探測(cè)器觀測(cè)資料量大、觀測(cè)通道存在相關(guān)性,從所有通道中選取部分有代表性的通道進(jìn)行同化是目前業(yè)務(wù)中通用的做法。目前常用的通道選擇方法是信息熵方法,但它僅考慮了單一頻次的通道觀測(cè)信息對(duì)于背景場(chǎng)的改進(jìn),沒(méi)有充分考慮連續(xù)時(shí)間窗內(nèi)觀測(cè)信息對(duì)系統(tǒng)的影響。為了發(fā)揮GIIRS儀器對(duì)快變天氣系統(tǒng)的觀測(cè)優(yōu)勢(shì),我們?cè)诔Ｓ眯畔㈧胤椒ɑA(chǔ)上,增加了新的挑選指標(biāo),在GIIRS上千個(gè)通道中挑選出了對(duì)大氣日變化更為敏感的通道。首先,定義了一個(gè)M指數(shù),它用于衡量通道Jacobian函數(shù)(對(duì)于某一探測(cè)通道,其觀測(cè)對(duì)每一層大氣參數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)所構(gòu)成的隨高度變化的函數(shù))隨時(shí)間變化的程度,并且為了消除通道M指數(shù)受其探測(cè)高度的影響,我們對(duì)M指數(shù)做了分類歸一化處理。然后,在保留信息熵方法優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,將M指數(shù)和信息熵方法相結(jié)合開發(fā)出了新的通道選擇方法,文中記為M方法。用單廓線和局地廓線樣本庫(kù)對(duì)兩種方法進(jìn)行比較可知:M方法和信息熵方法獨(dú)立挑選出的溫度或水汽探測(cè)通道差異相對(duì)較小,這一點(diǎn)證實(shí)了信息熵方法在一定程度上能選出對(duì)大氣日變化敏感的通道。M方法能在不減少所選通道信息量的基礎(chǔ)上(和信息熵方法相比),增加信息熵方法對(duì)大氣變化敏感通道的識(shí)別能力。兩種方法獨(dú)立挑選出的通道都能覆蓋各個(gè)探測(cè)高度,并且對(duì)大氣溫度和水汽的垂直探測(cè)能力相似,但是M方法選出通道亮溫日變化更為明顯,即驗(yàn)證了M方法更適合靜止軌道高光譜探測(cè)器。(3)在同化中聯(lián)合使用成像儀和探測(cè)儀是研究同化中的偏差訂正和云檢測(cè)問(wèn)題的一個(gè)重要途徑。因兩類儀器的光譜分辨率設(shè)置不一致,不能直接對(duì)比兩類儀器的觀測(cè),通常需要進(jìn)行輻射卷積處理——將探測(cè)儀的觀測(cè)輻射通過(guò)成像儀的光譜響應(yīng)函數(shù)(spectral response function,SRF)卷積到成像儀波段上。本論文針對(duì)成像儀與探測(cè)儀的輻射卷積問(wèn)題進(jìn)行研究,指出輻射卷積計(jì)算中可能存在的誤區(qū)。我們發(fā)現(xiàn)分別在波數(shù)域和波長(zhǎng)域上進(jìn)行輻射卷積計(jì)算,結(jié)果存在差異,記為輻射卷積差異(spectral convolution difference,SCD)。通過(guò)研究可知:SCD與成像儀光譜響應(yīng)函數(shù)的寬度(即波段帶寬)有關(guān),當(dāng)成像儀探測(cè)波段位置相同時(shí),成像儀波段帶寬越大,SCD越大。SCD與卷積計(jì)算中使用的探測(cè)儀光譜分辨率無(wú)關(guān)。短波紅外波段的SCD偏大的可能性更高,可能的原因是短波波段觀測(cè)到的輻射更弱,因而短波波段對(duì)輻射的變化更為敏感,相應(yīng)的SCD可能更大。當(dāng)探測(cè)儀分辨率超過(guò)IASI切趾光譜分辨率時(shí),探測(cè)儀和成像儀的光譜匹配基準(zhǔn)(插值方向)的選取需要謹(jǐn)慎考慮。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得,對(duì)于紅外通道而言,將成像儀光譜響應(yīng)函數(shù)插值到探測(cè)儀光譜分辨率是更合理的做法。從物理角度考慮,因成像儀光譜響應(yīng)函數(shù)相對(duì)更加平滑,而光譜輻射隨波長(zhǎng)或波數(shù)的變化非常劇烈,對(duì)光譜輻射進(jìn)行插值會(huì)引入比較大的插值誤差,因此將成像儀光譜響應(yīng)函數(shù)插值到探測(cè)儀光譜分辨率是更安全的做法。成像儀波段中心波數(shù)的計(jì)算也涉及到卷積域的選擇,不同域卷積會(huì)帶來(lái)計(jì)算差異,試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于帶寬更大的波段,其中心波數(shù)計(jì)算差異更明顯。當(dāng)中心波數(shù)差異轉(zhuǎn)換為亮溫差異(Bright Temperature Difference,BTD)后,發(fā)現(xiàn)BTD不僅與波段光譜響應(yīng)函數(shù)的寬度有關(guān),還與波段設(shè)置位置有關(guān),通常情況下,對(duì)于成像儀紅外波段而言,波段帶寬越寬,波長(zhǎng)越短,BTD一般越大。
【圖文】：

.1 截止到 2019 年歐洲中心對(duì)南北半球（熱帶除外）3 天、5 天、7 天和 10 天的 500 hPa場(chǎng)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)水平發(fā)展情況 （引自 ECMWF)正如前文所提，天氣預(yù)報(bào)問(wèn)題的本質(zhì)是一組帶有邊界條件和初始條件的非線性程，是典型的初邊值問(wèn)題，是在給定大氣的初始條件下通過(guò)方程逐步向前積分未來(lái)大氣狀態(tài)的預(yù)報(bào)，因此，給定初值的準(zhǔn)確與否對(duì)模式最終的預(yù)報(bào)精度有很（朱國(guó)富，2015；王躍山，1999）。尤其在近十年，數(shù)值預(yù)報(bào)模式自身已日益，模式初值的精度已成為制約模式最終預(yù)報(bào)效果的關(guān)鍵因素（薛紀(jì)善，2009； 等，2008）。正如圖 1.1 所示，在衛(wèi)星遙感高速發(fā)展之前，海洋上空的氣象

圖 1.2 衛(wèi)星紅外大氣高光譜探測(cè)器光譜范圍分布（引自 Yang et al.，2017）表 1.1 高光譜紅外大氣探測(cè)儀主要的探測(cè)波段及相應(yīng)的探測(cè)目標(biāo)光譜范圍 (cm-1) 主要探測(cè)目標(biāo)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)氣象科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P414.4;P413

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2594579