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基于风云四号高光谱红外模拟资料反演大气温湿廓线试验研究

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基于风云四号高光谱红外模拟资料反演大气温湿廓线试验研究

作者：周爱明南京信息工程大学

学位级别：硕士

大气温湿是气象预报和气候预测研究及业务的主要参数,红外高光谱遥感能提供区域和全球高精度大气温湿资料。风云四号(FY-4)是国内第一个装载高光谱红外垂直探测仪的静止卫星,国际上无相关高轨同类载荷的相关研究和反演经验,且随着风云... 详细信息

大气温湿是气象预报和气候预测研究及业务的主要参数,红外高光谱遥感能提供区域和全球高精度大气温湿资料。风云四号(FY-4)是国内第一个装载高光谱红外垂直探测仪的静止卫星,国际上无相关高轨同类载荷的相关研究和反演经验,且随着风云四号高光谱红外大气垂直探测仪的处理流程、产品质量等指标的不断完善,在温湿廓线反演研究中使用这些资料的需求越来越迫切。为推动我国FY-4高光谱红外垂直探测仪(GIIRS)资料温湿廓线反演研究,本文基于FY-4 GIIRS辐射正演模拟理论,利用神经网络构建了四套反演体系:全球以及中国区域的温度和湿度反演算法模型,对反演效果进行评价,同时建立了 Metop-A高光谱红外垂直探测仪(IASI)反演温湿廓线的模型,并对比分析两种模拟资料反演大气温湿廓线的能力。本文的主要研究成果及结论:(1)完成了 GIIRS和IASI的正演模拟计算过程。将全球晴空训练样本CIMSS数据作为辐射传输模式的输入,通过一系列的理论计算,得到模拟的GIIRS和IASI亮温值,并作对比分析发现,虽然GIIRS模拟亮温值在总体上低于IASI,但是两者在所有通道的模拟亮温值走势一致,这也验证了 GIIRS正演模拟的准确性。(2)实现了 GIIRS模拟资料的大气温度廓线反演试验,建立了全球和中国区域两种大气温度反演模型。通过对该反演模型精度的分析,发现中国区域反演大气温度的精度(RMSE=1.922K)高于全球(RMSE=2.630K)。对比分析用5类CIMSS数据反演大气温度的效果,发现用NOAA88的CIMSS数据进行大气温度反演的精度最高(RMSE=1.853K),平均误差达到了 0.070K,具有高度相关性(R=0.998)。且对流层大气温度反演精度(RMSE=0.846K)明显高于平流层(RMSE=2.020K),平均误差分别为-0.003K和0.024K。(3)实现了 GIIRS模拟资料的大气湿度廓线反演试验,建立了全球和中国区域的两种大气湿度反演模型。对于全球区域下的反演模型,水汽混合比RMSE为0.440g/kg,且用NOAA88的CIMSS数据进行大气水汽混合比的反演精度(RMSE=0.315g/kg)最高。对于中国区域下的反演模型,反演大气水汽混合比、相对湿度和水汽密度的RMSE分别为0.362g/kg、9.079%和0.450g/m3,且中国区域反演大气湿度的模型精度优于全球。(4)实现了 IASI模拟资料的大气温湿廓线反演试验,建立了全球和中国区域的四种反演大气温湿廓线的模型。对于全球反演模型,反演大气温度和湿度的RMSE分别为1.054K和0.524g/kg,且用NOAA88的CIMSS数据进行反演大气水汽混合比的精度最高(RMSE=0.439g/kg)。对于中国区域的反演模型,反演大气温度和湿度的RMSE分别为0.989K和0.487g/kg(水汽混合比)、5.307%(相对湿度)、0.364g/m3 (水汽密度)。且在中国区域建立反演温湿廓线的模型精度要优于全球。(5)对比分析了 GIIRS与IASI两种模拟资料反演大气温湿廓线的精度。对于反演温度能力的检验,发现FY-4 GIIRS大气温度反演精度在低层优于IASI,在高层误差大于IASI;而对于反演湿度能力的检验,发现GIIRS大气湿度的反演精度明显优于IASI。总之我国FY-4 GIIRS资料在温湿廓线反演方面具有重要研究前景。

关键词： GIIRS IASI BP神经网络大气温湿廓线反演精度

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大气温湿廓线反演问题的研究

国土资源遥感 2008年第1期20卷 23-26页

作者：王颖黄勇黄思源总参气象水文局北京100081 解放军理工大学气象学院南京211101 济空气象中心济南250002

介绍了反演大气温湿廓线的主要传感器特性,阐述了ATOVS、MOD IS和AIRS这3个卫星传感器的仪器特征及其相应的大气温湿廓线反演原理和方法,对其利弊进行初步分析,总结了大气温湿廓线反演问题的发展趋势。

关键词：大气温湿廓线反演方法传感器

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多目标遗传算法反演对流层大气温湿廓线研究

自动化仪表 2024年第2期45卷 84-90页

作者：李志乾王波胡桐仇志金邹靖齐鲁工业大学山东省科学院海洋仪器仪表研究所山东青岛266061

针对地基微波辐射计反演对流层大气温湿廓线完全依赖于历史数据的问题,设计了一种新的反演算法和流程。在对历史探空数据的统计分析基础上,得到各层大气温湿参数经验范围。从经验库中随机构造一条大气温湿廓线作为初值,基于大气微波辐... 详细信息

针对地基微波辐射计反演对流层大气温湿廓线完全依赖于历史数据的问题,设计了一种新的反演算法和流程。在对历史探空数据的统计分析基础上,得到各层大气温湿参数经验范围。从经验库中随机构造一条大气温湿廓线作为初值,基于大气微波辐射传输模式MonoRTM模型,计算模拟亮温。比较计算值与实测亮温的接近程度,通过更新初值,不断迭代计算,逐步筛选出可行解,并通过设定大气温湿垂直递减率等约束条件,从可行解中约束出帕累托前沿。采用皮尔逊系数加权平均的方法,从帕累托前沿中得到全局满意解。研究结果表明,新建立的基于多目标遗传算法的不完全依赖于历史数据的对流层大气温湿廓线反演模型,有较好的自适应能力和鲁棒性,反演精度高。该模型可以满足微波辐射计在历史气象资料积累匮乏地区的使用需求。

关键词：微波辐射计大气温湿廓线多目标遗传算法约束条件反演模型

地基多通道微波辐射计反演大气温湿廓线的研究

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地基多通道微波辐射计反演大气温湿廓线的研究

作者：周玉驰中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）

学位级别：硕士

大气温湿廓线是大气环境的重要参数,探测大气温湿廓线在天气预报、大气科学等领域具有重要意义。本文研究了利用多通道地基微波辐射计测量大气温湿廓线的原理和反演技术。本文的主要内容如下: 1.首先介绍了微波在大气中的传播模型和大... 详细信息

大气温湿廓线是大气环境的重要参数,探测大气温湿廓线在天气预报、大气科学等领域具有重要意义。本文研究了利用多通道地基微波辐射计测量大气温湿廓线的原理和反演技术。本文的主要内容如下: 1.首先介绍了微波在大气中的传播模型和大气微波辐射传输模型。然后介绍了大气温湿廓线的反演估计技术,重点介绍了国际上广泛应用的反演技术:回归算法和神经网络算法。 2.研究了基于回归算法和神经网络算法的多通道地基微波辐射计测量反演大气温湿廓线的方法,并分析了算法的收敛性。结果表明,利用这两种算法反演大气温湿廓线是很有意义的,反演大气温度廓线的结果是相当精确的。另外,低空处的反演结果较为精确。 3.在算法研究的基础上,分别通过对四种不同情况的仿真,本文分析了天线波束宽度和主波束效率、亮温测量精度和定标精度对大气温湿廓线测量与反演的影响。分别利用两种地基多通道大气廓线微波探测仪(RPG-HATPRO和MP-3000A)的通道对大气温湿廓线进行反演,比较两种仪器的性能。 4.研究了微波辐射计温度通道和湿度通道的选择问题。首先选择不同通道数时比较理想的通道组合。然后比较不同通道数情况下的反演结果,确定反演大气温湿廓线的通道组合。本文的研究结果可为地基多通道微波辐射计的设计提供参考。

关键词：地基微波辐射计大气温湿廓线回归算法神经网络算法

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大气温湿度一体化微波探测技术

微波学报 2020年第S01期36卷 413-415页

作者：姜丽菲李秀伟俞伟敏万国愚刘明利徐红新上海航天电子技术研究所上海201109

大气温湿度廓线探测是国内外气象卫星一个重要功能,提出了将大气温、湿度廓线探测功能融为一体的一体化探测载荷,同时兼具了云及降雨探测。载荷采用准光学技术、旋转平面反射面天线、天线口面全路径定标方案,实现了大气同源与高精度探测... 详细信息

大气温湿度廓线探测是国内外气象卫星一个重要功能,提出了将大气温、湿度廓线探测功能融为一体的一体化探测载荷,同时兼具了云及降雨探测。载荷采用准光学技术、旋转平面反射面天线、天线口面全路径定标方案,实现了大气同源与高精度探测,分层设计方案使得布局更加紧凑。该载荷可装载在多种卫星平台上,满足我国后续气象卫星应用需求。

关键词：微波辐射计大气温湿廓线准光学技术

单通道物理法反演海表温度的参数敏感性分析及验证

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红外与毫米波学报 2012年第1期31卷 91-96页

作者：周旋杨晓峰程亮李紫薇中国科学院遥感应用研究所中国人民解放军61741部队

定量分析了反演海表温度的单通道物理法对海水比辐射率、海面风速、海水盐度、大气透过率、大气上下行辐射等参数的敏感性,发现海水比辐射率、大气透过率对算法精度影响较大,是单通道物理法反演海表温度的主要误差来源.在不同的波段,单... 详细信息

定量分析了反演海表温度的单通道物理法对海水比辐射率、海面风速、海水盐度、大气透过率、大气上下行辐射等参数的敏感性,发现海水比辐射率、大气透过率对算法精度影响较大,是单通道物理法反演海表温度的主要误差来源.在不同的波段,单通道物理法对参数敏感性也有较大差别,中红外波段的敏感性要小于热红外波段.为了验证单通道物理法的可行性、精度及参数敏感性分析的结果,选择墨西哥湾海域2009年全年夜间MODIS实测数据进行实验.结果表明,中红外波段的单通道物理法反演海表温度的精度高于热红外波段,达到MODIS劈窗算法海表温度标准产品同等精度,这与参数敏感性分析的结果一致.由于中红外波段单通道物理法精度较高,一方面,可以满足常规的业务观测需求,为海表温度反演提供新的技术手段;另一方面,可用来标定劈窗算法系数,弥补海洋现场观测站位空间分布不足的问题.

关键词：单通道物理法大气温湿廓线海表温度敏感性分析

基于MonoRTM模型的微波辐射计反演方法研究

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气象科学 2013年第2期33卷 138-145页

作者：黄兴友张曦冷亮李峰樊雅文南京信息工程大学大气物理与大气环境重点开放实验室南京210044 中国气象局武汉暴雨研究所暴雨监测预警湖北省重点实验室武汉430074 中国气象局气象探测中心北京100081

基于辐射传输模型MonoRTM计算天空亮温度,使用多元线性统计回归方法和BP神经网络方法分别对大气温度和水汽密度廓线进行了反演,检验并分析了两种方法的反演精度。结果表明,多元线性回归方法反演的温度偏差总体不大于6 K,反演的水汽密度... 详细信息

基于辐射传输模型MonoRTM计算天空亮温度,使用多元线性统计回归方法和BP神经网络方法分别对大气温度和水汽密度廓线进行了反演,检验并分析了两种方法的反演精度。结果表明,多元线性回归方法反演的温度偏差总体不大于6 K,反演的水汽密度偏差小于4 g/m3;神经网络方法反演的温度偏差小于2 K,反演的水汽密度误差总体不大于2 g/m3。与探空数据的对比表明,对于大气温度和水汽密度反演,BP神经网络方法的反演结果都要比多元线性回归方法的反演结果更接近探空资料值。

关键词：大气温湿廓线 MonoRTM辐射传输模型多元线性回归 BP神经网络

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地基微波辐射计的一维变分反演算法研究

地基微波辐射计的一维变分反演算法研究

作者：熊诗伟华中科技大学

学位级别：硕士

大气状态廓线是人类用以研究预测气象的重要参数,在过去的时间里,大气状态的获得往往来自一天发射两次的无线探空气球。由于探空气球不可回收、成本较高、探空扩线不垂直等缺点,人类逐渐由直接探空转向遥感观测,而地基微波辐射计系统作... 详细信息

大气状态廓线是人类用以研究预测气象的重要参数,在过去的时间里,大气状态的获得往往来自一天发射两次的无线探空气球。由于探空气球不可回收、成本较高、探空扩线不垂直等缺点,人类逐渐由直接探空转向遥感观测,而地基微波辐射计系统作为一种大气遥感观测的重要途径,越来越多的机构在研发使用地基微波辐射计系统,用以观测大气状态。地基微波辐射计系统通过在地面观测大气向下辐射亮温,将观测亮温输入反演模型中,进而求得大气状态的反演分析结果。本文重点介绍地基微波辐射计的一维变分反演算法,并验证其反演性能。本文以大气辐射传输理论为基础,先介绍大气衰减模型,仿真出微波波段大气辐射主要成分的吸收系数,得出辐射计频段选择的依据,然后介绍大气向下传输方程,阐述其物理含义,从而引申出大气分层,将辐射传输正向模型离散化,使积分方程组变成多元一次方程组,将反演问题归结为方程组的解法。接着本文介绍了几种地基微波辐射计的反演算法,以线性回归和神经网络为主,并包括正则化法、光滑化法、贝叶斯最大概率法和迭代法,给出各反演算法的数学公式。本文重点介绍一维变分反演算法的理论原理和实验结果分析,以资料同化方法为基础,引出一维变分算法,详细阐述一维变分的数学原理,并对一维变分中背景误差和观测误差、雅可比矩阵、共轭梯度法的意义与求法作出说明。最后给出反演实验中仿真数据分析与仿真结果对比。

关键词：地基微波辐射计大气温湿廓线反演一维变分

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基于探空资料的拉萨短期降水预报特征分析

高原山地气象研究 2015年第2期35卷 17-23页

作者：德庆代华光德吉卓玛边巴多吉文胜军西藏自治区气象台拉萨850000 西藏自治区气象服务中心拉萨850000

利用近11年拉萨探空和地面降水资料,挑选811次符合条件的分析对象,对不同相态不同强度不同时次的降水和所对应的探空特征进行了对比分析。夏季拉萨早晨大气水汽含量高于晚上,夜间大气不稳定能量高于凌晨。出现降雨前早晚大气一致有增温... 详细信息

利用近11年拉萨探空和地面降水资料,挑选811次符合条件的分析对象,对不同相态不同强度不同时次的降水和所对应的探空特征进行了对比分析。夏季拉萨早晨大气水汽含量高于晚上,夜间大气不稳定能量高于凌晨。出现降雨前早晚大气一致有增温增湿现象,一般夜雨表现为高低层干热中间湿冷结构,强夜雨为高低层湿热中间干冷。冬季早晚大气温湿差异小于夏季,有降雪时大气层结曲线和露点曲线呈近"漏斗"状,即大气属于上干下湿状态。考虑到无降水大气状况和有降水大气更好区别,本文也统计出5103次无降水个例,给出了无降水的大气特征。

关键词：探空降水大气温湿廓线大气层结参数