【摘要】：為滿足高精度探測(cè)應(yīng)用需求,星載紅外高光譜儀器的光譜分辨率要求小于1cm~(-1),輻射定標(biāo)精度要求達(dá)到0.5K,光譜頻率精度要求達(dá)到10.00ppm。由于光譜頻率的精確性會(huì)直接影響輻射的精度,紅外干涉儀器在數(shù)據(jù)應(yīng)用之前必須進(jìn)行光譜定標(biāo)以及光譜頻率精度的精確評(píng)估和檢測(cè),這也成為紅外干涉儀定標(biāo)的最關(guān)鍵技術(shù)之一。風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星上的紅外高光譜大氣探測(cè)儀HIRAS(High-spectral Resolution Infrared Atmospheric Sounder)由我國(guó)自主研制,于2017年11月15日載于我國(guó)風(fēng)云三號(hào)D星(FY-3D)發(fā)射升空。高光譜數(shù)據(jù)的精度和質(zhì)量是定量應(yīng)用的基礎(chǔ),和儀器的研制工藝,數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法密切相關(guān)。對(duì)于多探元紅外干涉儀,其偏離主光軸的探測(cè)器像元接收到的是偏離主光軸的輻射,具有譜線偏移和發(fā)生形變的離軸效應(yīng),光譜定標(biāo)即把儀器觀測(cè)譜的頻率標(biāo)定到正確的位置。離軸效應(yīng)的訂正直接依賴采樣激光波長(zhǎng)、探元尺寸和位置參數(shù)(這些參數(shù)稱為儀器光譜定標(biāo)參數(shù))。儀器參數(shù)發(fā)射前在地面測(cè)試得到,但有測(cè)量誤差,需要重新進(jìn)行在軌精確反演標(biāo)定。本研究基于FY-3D/HIRAS地面測(cè)試儀器光譜定標(biāo)參數(shù),結(jié)合LBLRTM輻射傳輸模式,對(duì)離軸譜進(jìn)行了模擬,研究了離軸譜對(duì)激光波長(zhǎng)的誤差和探元離軸距離誤差的敏感性�；诠庾V偏差和探元離軸距離之間的敏感性,根據(jù)在軌觀測(cè)數(shù)據(jù)的光譜偏差評(píng)估結(jié)果,推導(dǎo)探元離軸距離誤差,微調(diào)探元位置參數(shù)項(xiàng),進(jìn)行探元位置參數(shù)的反演,提高光譜定標(biāo)精度。在光譜定標(biāo)精度評(píng)估中,基于互相關(guān)法計(jì)算光譜偏差,由于互相關(guān)法依賴于光譜區(qū)域的選擇,本研究進(jìn)一步分析了光譜區(qū)域選擇對(duì)光譜偏差計(jì)算的敏感性,提出了光譜精度評(píng)估方法最優(yōu)的光譜區(qū)域,提高光譜精度計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率。此外,使用互相關(guān)法需要晴空視場(chǎng)的觀測(cè)譜,本研究還開發(fā)了HIRAS晴空視場(chǎng)檢測(cè)方案,可以高效地獲取大量的晴空觀測(cè)譜,支持后續(xù)應(yīng)用。論文主要結(jié)論如下:(1)研究了離軸譜對(duì)激光波長(zhǎng)的誤差和探元離軸距離誤差的敏感性。結(jié)果表明,激光波長(zhǎng)的變化和譜頻率位置的變化一致,激光波長(zhǎng)變化1.00ppm,可造成約1.00ppm的譜頻偏;探元離軸距離的變化與譜頻率位置的變化,在離軸距離變化小于3%的條件下可視作正比關(guān)系,例如,離軸距離變化1%,可造成約5.00ppm的頻偏;離軸效應(yīng)還與波數(shù)有關(guān),波數(shù)越大,離軸效應(yīng)越顯著。(2)基于在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行了探元位置參數(shù)的反演試驗(yàn),結(jié)果表明,離軸探元參數(shù)比地面測(cè)試調(diào)整量最大約為1.8%;基于反演后的新光譜定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行光譜訂正,可使光譜定標(biāo)精度優(yōu)于儀器設(shè)計(jì)指標(biāo),長(zhǎng)波波段的光譜定標(biāo)偏差優(yōu)于1.00ppm,偏差標(biāo)準(zhǔn)差為1.40ppm,中波波段的光譜定標(biāo)精度約1.00ppm,標(biāo)準(zhǔn)差為1.20ppm,短波波段的光譜定標(biāo)精度優(yōu)于3.50ppm,標(biāo)準(zhǔn)差為5.60ppm;將反演后的探元位置參數(shù)應(yīng)用于其它獨(dú)立晴空觀測(cè)譜樣本的光譜定標(biāo),其光譜精度可達(dá)到與試驗(yàn)樣本一致的精度,總體精度優(yōu)于2.00ppm,并且標(biāo)準(zhǔn)差小于3.00ppm。綜上,本研究發(fā)展了有效的反演探元位置參數(shù)訂正ILS矩陣、準(zhǔn)確刻畫離軸效應(yīng)的方法,提高了光譜定標(biāo)精度。(3)用互相關(guān)法評(píng)估光譜精度必須考慮光譜區(qū)域的選擇,分析了光譜區(qū)域選擇對(duì)光譜偏差計(jì)算的敏感性,結(jié)果表明光譜區(qū)域不能任意選擇,光譜區(qū)域內(nèi)若包含大氣窗區(qū),其吸收線數(shù)量明顯減少,引入的絕對(duì)誤差在長(zhǎng)波和短波波段最大分別可達(dá)3.05和3.35ppm。紅外波段水汽吸收線密集,然而水汽的時(shí)空分布不均,其強(qiáng)吸收作用使輻射能量較低,在中波波段需要避開水汽的強(qiáng)吸收位置。在短波波段需要注意二氧化碳的強(qiáng)吸收線。研究表明:對(duì)于長(zhǎng)波波段,應(yīng)選擇在水汽和含量穩(wěn)定的二氧化碳吸收帶有重疊的區(qū)域,光譜區(qū)域起始波數(shù)位置從716 cm~(-1)到719 cm~(-1),例如區(qū)域[716,766]cm~(-1);對(duì)于中波波段,應(yīng)選擇包含甲烷、一氧化二氮強(qiáng)吸收帶的區(qū)域,光譜區(qū)域起始波數(shù)位置從1267cm~(-1)到1273 cm~(-1),例如區(qū)域[1270,1320]cm~(-1);對(duì)于短波波段,避開二氧化碳的強(qiáng)吸收帶和大氣窗區(qū),有光譜區(qū)域[2159,2209]cm~(-1),基于光譜區(qū)域的選擇,HIRAS光譜偏差平均值在三個(gè)波段均優(yōu)于2.00ppm,偏差標(biāo)準(zhǔn)差在長(zhǎng)波和中波優(yōu)于2.00ppm,短波約為4.00ppm。(4)用互相關(guān)法計(jì)算光譜精度必須基于晴空視場(chǎng),本研究還開發(fā)了紅外高光譜儀器晴空視場(chǎng)檢測(cè)方案,可以高效、精確地獲取大區(qū)域晴空樣本,支持了后續(xù)應(yīng)用,目前HIRAS的光譜精度監(jiān)測(cè)、輻射精度評(píng)估監(jiān)測(cè)、HIRAS資料在Grapes模式中的同化應(yīng)用、大氣成分反演等科研和業(yè)務(wù)中均使用的是本研究開發(fā)的晴空視場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果。
【圖文】：

-1135 0.625 0.625 0.8 0.8 781 777中波 1210-1750 0.625 1.25 0.8 0.4 869 433短波 2155-2550 0.625 2.5 0.8 0.2 637 159圖 1 地面視場(chǎng) FOR 示意圖2.2 光譜精度評(píng)估方法——互相關(guān)法紅外干涉儀器的光譜定標(biāo)是精確標(biāo)識(shí)每個(gè)通道的光譜波數(shù)位置的過程，包括光譜儀器線型函數(shù)（ILS）的訂正、干涉圖到輻射譜的轉(zhuǎn)換等（董超華 等，2013）。光譜分辨率越高，吸收線的漲落越明顯，每個(gè)通道光譜波數(shù)位置的準(zhǔn)確性對(duì)輻射的影響越大，為了保證輻射定標(biāo)的精度，紅外干涉儀器光譜定標(biāo)精度的技術(shù)指標(biāo)要求優(yōu)于 10.00ppm，相應(yīng)的紅外波段頻率誤差范圍為：0.0065-0.0255cm-1。經(jīng)過光譜定標(biāo)，紅外高光譜干涉儀的理想特性才能被體現(xiàn)出來。在光譜定標(biāo)中，光譜定標(biāo)精度計(jì)算模塊的輸出結(jié)果是前提和基礎(chǔ)，直接影響 ILS 訂正。圖 2 展示了光譜定標(biāo)精度計(jì)算模塊與光譜定標(biāo)的關(guān)系。圖 2 光譜精度評(píng)估與預(yù)處理光譜定標(biāo)模塊的關(guān)系圖利用晴空樣本進(jìn)行光譜定標(biāo)精度的計(jì)算思路如下：當(dāng)超過閾值時(shí)，微調(diào)儀器參數(shù)（探元尺寸、位置），訂正儀器 ILS 矩陣，進(jìn)而得到新的校準(zhǔn)光譜，再計(jì)算該光譜?

IIRS-Cloud-Mask 產(chǎn)品挑選 CrIS 視場(chǎng)的晴空，做晴空檢測(cè)。同樣對(duì) FY-3D/HIRAS二與方案三結(jié)合，先通過成像儀的可見光圖像確定范圍，然后利用 MERSI-II 的產(chǎn)品挑選晴空。對(duì) FY-4A/GIIRS：方案一和方案二的結(jié)合，通過設(shè)定 12μm 通道準(zhǔn)差的特征閾值，同時(shí)結(jié)合 FY4A高分辨率成像儀 AGRI 可見光通道圖像來挑選晴究結(jié)果表明，結(jié)合同平臺(tái)云產(chǎn)品的方法更有效。.3.1 同平臺(tái)云檢測(cè)方法實(shí)驗(yàn)對(duì) NPP/CrIS：為了研究同平臺(tái)高分辨率成像儀資料和云檢測(cè)產(chǎn)品挑選，以 CrI平臺(tái)的 VIIRS 成像儀開展研究工作。首先，通過 VIIRS 成像儀可見光和紅外通道確定研究范圍，分別如圖 3、圖 4 所示。美國(guó)地球系統(tǒng)研究中心 ESRL（Earth Syesearch Laboratory）開發(fā)的 WRF(Weather Research and Forecasting Model)前處理系形化界面，也就是 WPS(WRF Preprocessing System)的圖形界面，可以很方便的確區(qū)域，以及模擬時(shí)間范圍，投影方式選擇為蘭伯特投影(Lambert Conformal)，，如示。由圖 5 可知，所選區(qū)域大部分為海洋，時(shí)間范圍為：2017 年 10 月 03:46-03:51(UT) ，由該時(shí)間和空間范圍，選擇 2017 年 10 月 01 日 03:41-03:49(UT)DR 數(shù)據(jù)。綜合圖 3、圖 4、圖 6 時(shí)間范圍定為 03:41-03:51，相應(yīng)的北京時(shí)間為 11:41-11
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)氣象科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P407

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本文編號(hào)：2670543