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利用CrIS红外高光谱卫星数据反演大气温湿度廓线的研究

沈振翔 刘朝顺

沈振翔, 刘朝顺. 利用CrIS红外高光谱卫星数据反演大气温湿度廓线的研究[J]. 华东师范大学学报(自然科学版), 2019, (3): 199-210. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2019.03.021
引用本文: 沈振翔, 刘朝顺. 利用CrIS红外高光谱卫星数据反演大气温湿度廓线的研究[J]. 华东师范大学学报(自然科学版), 2019, (3): 199-210. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2019.03.021
SHEN Zhen-xiang, LIU Chao-shun. A study on the inversion of atmospheric temperature and humidity profiles by using CrIS infrared hyperspectral satellite data[J]. Journal of East China Normal University (Natural Sciences), 2019, (3): 199-210. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2019.03.021
Citation: SHEN Zhen-xiang, LIU Chao-shun. A study on the inversion of atmospheric temperature and humidity profiles by using CrIS infrared hyperspectral satellite data[J]. Journal of East China Normal University (Natural Sciences), 2019, (3): 199-210. doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2019.03.021

利用CrIS红外高光谱卫星数据反演大气温湿度廓线的研究

doi: 10.3969/j.issn.1000-5641.2019.03.021
基金项目: 

上海市自然科学基金 17ZR1408600

详细信息
    作者简介:

    沈振翔, 男, 硕士研究生, 研究方向为大气遥感与应用.E-mail:616063531@qq.com

    通讯作者:

    刘朝顺, 男, 博士, 副研究员, 研究方向为环境遥感.E-mail:csliu@re.ecnu.edu.cn

  • 中图分类号: P407

A study on the inversion of atmospheric temperature and humidity profiles by using CrIS infrared hyperspectral satellite data

  • 摘要: 大气温湿度廓线信息是数值天气预报和气候变化评估等科学研究必不可少的基础数据,利用高光谱卫星数据准确定量地反演高精度的大气温湿度廓线,对提高天气预报和气候预测能力具有重要意义.本文利用搭载在Suomi-NPP(National Polar-orbiting Partnership)卫星上的新一代跨轨红外探测器CrIS(Cross-track Infrared Sounder)的高光谱红外辐射资料,联合欧洲中期天气预报中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)的温湿度廓线再分析资料,利用D-R(Dual-Regression)双回归反演算法进行了大气温湿度廓线的反演研究.并利用上海宝山站点2014-2016年6-9月的实测的大气温湿度廓线探空数据和美国国家海洋与大气管理局NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)官方算法NUCAPS(NOAA Unique Combined Atmospheric Processing System)提供的大气温湿度产品进行了对比与验证.结果表明:基于ECMWF的大气温湿度再分析数据作为背景场的D-R算法反演得到的大气温度廓线的总体BIAS基本保持在±1 K以内,RMSE(root mean squareerror)在2 K以内,与NUCAPS算法的反演精度相当;在低层,D-R算法的反演精度仍保持在2 K以内,要优于NUCAPS算法(RMSE指标).相对湿度在高度300 hPa以下时与NUCAPS算法反演的精度相当,其RMSE基本在20%以内,BIAS基本在±10%以内,反演结果较好且稳定;但在高于300 hPa时,D-R算法反演的误差明显增大到30%,精度降低.
  • 图  1  高光谱红外探测仪CrIS观测方式的空间分辨率图

    Fig.  1  Spatial resolution map of CrIS observation mode for the hyperspectral infrared detector

    图  2  基于美国标准大气模拟晴空条件下的CrIS亮温分布

    Fig.  2  CrIS brightness-temperature distribution based on American Standard atmosphere simulated clear air conditions

    图  3  温度廓线

    Fig.  3  Temperature profile

    图  4  相对湿度廓线

    Fig.  4  Relative humidity profile

    图  5  温度廓线的RMSE (a)和BIAS(b)

    Fig.  5  The RMSE (a) and BIAS (b) of the temperature profile

    图  6  相对湿度廓线的RMSE (a)和BIAS(b)

    Fig.  6  The RMSE (a) and BIAS (b) of the relative humidity profile

    图  7  700 hPa高度层上一景的NUCAPS温度(a)、NUCAPS相对湿度(b)、D-R温度(c)、D-R相对湿度(d)、ECMWF温度(e)和ECMWF相对湿度(f)

    注: 温度单位为K, 相对湿度单位为%

    Fig.  7  Temperature (NUCAPS (a), D-R (c), ECMWF (e)) and relative humidity (NUCAPS (b), D-R (d), ECMWF (f)) at a location at a height levelof 700 hPa

    表  1  高光谱红外探测仪CrIS的三个波段的参数

    Tab.  1  Parameters for the three bands of the hyperspectral infrared detector CrIS

    分辨率/cm$^{-1}$ 光谱范围/cm$^{-1}$ 通道数
    长波红外 0.625 648.75$\sim $1 096.25 717
    中波红外 1.25 1 207.5$\sim $1 752.5 437
    短波红外 2.5 2 150$\sim $2 555 163
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    表  2  选取的ECMWF的廓线样本所对应的时间以及个数

    Tab.  2  The date and number of samples of the selected ECMWF's profiles

    时间 样本数
    2012年6月 8 531
    2012年7月 8 199
    2012年8月 4 661
    2012年9月 14 531
    2013年6月 9 006
    2013年7月 10 359
    2013年8月 16 168
    2013年9月 6 718
    总计 78 173
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    表  3  NUCAPS算法与D-R算法的对比

    Tab.  3  The difference between the NUCAPS algorithm and the D-R algorithm

    NUCAPS(NOAA) Dual-Regression(UW/CIMSS)
    统计回归与物理解 统计回归解
    反演红外与微波波段 只反演红外波段
    云下也反演 深厚云层下无法反演
    3$\times $3视场角(50km) 单个视场角(14km)
    目前用于CrIS 用于多种传感器(AIRS、IASI、CrIS)
    用于业务 用于研究
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    表  4  温湿度廓线反演结果统计

    Tab.  4  Statistics of inversion results from the temperature and humidity profiles

    高度层/hPa 温度RMSE/K 温度BIAS/K 湿度RMSE/% 湿度BIAS/%
    D-R NUCAPS D-R NUCAPS D-R NUCAPS D-R NUCAPS
    100 1.54 1.44 -0.77 -0.31 27.33 12.13 23.16 6.13
    200 1.35 1.16 0.47 -0.15 23.19 9.99 17.77 3.50
    300 1.09 1.26 -0.16 -0.70 23.30 11.95 19.54 5.51
    400 1.07 1.16 -0.38 -0.37 14.26 13.70 3.92 1.25
    500 1.10 1.08 -0.61 -0.16 15.44 15.27 3.99 0.63
    600 0.99 1.04 -0.31 -0.28 17.96 15.13 0.70 1.70
    700 1.27 1.30 -0.22 -0.44 17.90 16.19 -6.61 2.22
    800 1.55 1.70 -0.36 -0.61 22.03 21.51 -8.45 1.50
    900 1.89 1.90 0.21 -0.44 17.81 16.97 -12.87 -7.41
    1 000 1.97 2.60 0.27 -1.41 13.64 16.27 1.77 9.63
    整层平均 1.34 1.44 -0.18 -0.49 19.78 14.04 6.54 2.54
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  • 收稿日期:  2018-03-16
  • 刊出日期:  2019-05-25

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