漆成莉　顧明劍　胡秀清　吳春強(qiáng)（ 中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 0008； 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 00083）

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風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星紅外高光譜探測(cè)技術(shù)及潛在應(yīng)用

漆成莉1顧明劍2胡秀清1吳春強(qiáng)1
（1 中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081；2 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

摘要：高光譜大氣探測(cè)儀具有高光譜分辨率、高靈敏度和高精度光譜輻射定標(biāo)等特點(diǎn)，在大氣溫濕度廓線反演、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)同化、氣候變化研究以及大氣痕量氣體探測(cè)等應(yīng)用上有顯著的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)風(fēng)云三號(hào)極軌氣象衛(wèi)星的FY-3A/B/C三顆衛(wèi)星上成功裝載了自主研制的通道式紅外探測(cè)儀器—紅外分光計(jì)（IRAS），獲取了從可見(jiàn)光到紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)26個(gè)通道的輻射觀測(cè)，并應(yīng)用于資料同化、全球大氣溫度和水汽廓線反演等。從FY-3D星開(kāi)始將裝載紅外高光譜大氣探測(cè)儀以替代IRAS，標(biāo)志著紅外高光譜大氣垂直探測(cè)系統(tǒng)新紀(jì)元的開(kāi)始。以風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星紅外高光譜大氣探測(cè)儀為例，介紹了衛(wèi)星紅外高光譜探測(cè)技術(shù)的進(jìn)展和地面應(yīng)用系統(tǒng)預(yù)處理過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，給出了紅外高光譜資料的潛在應(yīng)用，并對(duì)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)同化和大氣探測(cè)應(yīng)用方面的難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了分析和探討。

關(guān)鍵詞：風(fēng)云三號(hào)，高光譜干涉儀，資料同化

0　引言

紅外探測(cè)儀器是利用熱紅外波段對(duì)地球大氣垂直分布、地表等參數(shù)遙感的一類(lèi)儀器，其共有特點(diǎn)是根據(jù)地球大氣中不同波長(zhǎng)發(fā)射輻射的平均自由程不同，其輻射貢獻(xiàn)的峰值高度層也不同，即權(quán)重函數(shù)位于不同高度大氣層，在大氣窗區(qū)及氣體吸收帶翼區(qū)和中心設(shè)置不同的通道來(lái)探測(cè)大氣垂直結(jié)構(gòu)，采用的分光技術(shù)主要有濾光片分光、光柵分光和干涉分光等。主要遙感參數(shù)包括三維大氣溫度、濕度廓線，大氣狀態(tài)和云、氣溶膠、臭氧等大氣成分的三維垂直結(jié)構(gòu)，以及地氣系統(tǒng)的輻射收支等。這類(lèi)儀器觀測(cè)資料和產(chǎn)品主要應(yīng)用在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、氣候變化監(jiān)測(cè)、全球輻射能量收支、大氣微量氣體變化等領(lǐng)域。

分光技術(shù)是紅外大氣探測(cè)儀器研制過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)，可以采用濾光片輪、光柵或干涉技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并衍生出不同技術(shù)方案的探測(cè)儀器。濾光片分光儀器光譜分辨能力（通道響應(yīng)函數(shù)中心波長(zhǎng)λ和通道響應(yīng)函數(shù)半峰全寬Δλ的比值R）僅為50～100左右，光柵和干涉分光儀器的光譜分辨能力要高于1000。

世界上第一個(gè)探測(cè)類(lèi)儀器—光柵分光儀，也稱(chēng)紅外輻射分光儀（SIRS-A），于1969年4月載于美國(guó)雨云3號(hào)試驗(yàn)天氣衛(wèi)星（NIMBUS-3）[1]。SIRS-A在15μm CO2吸收帶選擇8個(gè)紅外譜段，星下點(diǎn)水平分辨率259km，用于探測(cè)大氣溫度廓線。雖然SIRS-A資料的垂直分辨率低，瞬時(shí)觀測(cè)視域很大，大約90%以上的測(cè)值受到云的干擾，但仍然給當(dāng)時(shí)的天氣分析/預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)帶來(lái)了改進(jìn)效果。HIRS（高分辨紅外輻射探測(cè)計(jì)）為跨軌掃描，且具有較高分辨率的紅外輻射探測(cè)器，由20個(gè)通道組成，即19個(gè)紅外通道和1個(gè)可見(jiàn)光通道[2]。其中位于15μm CO2吸收帶的7個(gè)通道和位于4.3μm CO2吸收帶的5個(gè)通道，主要用于探測(cè)大氣溫度的垂直分布；位于6.3μm H2O吸收帶的3個(gè)通道，主要用于探測(cè)大氣濕度的垂直分布；位于11～12和3.7～4.1μm 的6個(gè)窗區(qū)通道，主要用于探測(cè)地表溫度和云檢測(cè)。HIRS的星下點(diǎn)水平分辨率為17.4km。美國(guó)靜止氣象衛(wèi)星（GOES）上攜帶的大氣紅外探測(cè)儀是GOESSounder，其通道設(shè)置類(lèi)似于NOAA衛(wèi)星上的HIRS[3]。

我國(guó)2008年及之后成功發(fā)射的FY3A/B/C星上均裝載了濾光片式紅外大氣探測(cè)儀器—紅外分光計(jì)（IRAS）。IRAS在0.69～15μm的光譜范圍內(nèi)設(shè)置了26個(gè)通道，前20個(gè)通道設(shè)置類(lèi)似于NOAA/HIRS儀器，另外增加了6個(gè)可見(jiàn)近紅外通道，用于大氣溫濕度廓線的探測(cè)[4]。

1987年，世界氣象組織（WMO）曾指出，只有當(dāng)全球大氣溫度、濕度探測(cè)的精度達(dá)到無(wú)線電探空的水平后，才能對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)做出重大的改進(jìn)。無(wú)線電探空的精度相當(dāng)于在對(duì)流層大氣溫度的均方根誤差（RMS）精度達(dá)到1K，大氣濕度的精度達(dá)到10%，大氣廓線的垂直分辨率達(dá)到1km。與需求相比，通道式探測(cè)儀器由于受濾光片式分光技術(shù)的限制，光譜和輻射測(cè)量精度不足，約2.0K和20%的反演精度和幾千米的探測(cè)垂直分辨率已經(jīng)基本上達(dá)到了濾光片式大氣垂直探測(cè)儀的能力的上限，無(wú)法滿(mǎn)足發(fā)展中的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的需要，因此人們把發(fā)展紅外高光譜技術(shù)放到了首位。

1　紅外高光譜儀器的發(fā)展

實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率紅外大氣探測(cè)的技術(shù)途徑主要有兩種：光柵技術(shù)和干涉技術(shù)。實(shí)踐表明，在星上實(shí)現(xiàn)光柵技術(shù)成本高，技術(shù)難度更大，這是因?yàn)楣鈻欧止饨档土巳肷涞絻x器探測(cè)器部分的光通量，要求紅外探測(cè)器具有極高的探測(cè)靈敏度。光柵的不均勻性，使得探測(cè)得到的上千個(gè)光譜通道需要逐一進(jìn)行星上光譜和輻射定標(biāo)，極大地增加了儀器設(shè)計(jì)和資料預(yù)處理的難度。星上環(huán)境對(duì)光柵造成的熱變形效應(yīng)，更給探測(cè)資料的處理引入了大量的隨機(jī)誤差，降低了資料反演的精度。干涉分光的優(yōu)勢(shì)之一是高光通量，它通過(guò)Fourier變換空間或時(shí)間序列調(diào)制的干涉圖，恢復(fù)得到高光譜分辨率的大氣準(zhǔn)連續(xù)吸收光譜。同時(shí)，光路設(shè)計(jì)上不會(huì)對(duì)入射光束過(guò)多地分束，也不會(huì)降低儀器探測(cè)的光通量。

目前有三個(gè)高光譜大氣探測(cè)儀器在軌運(yùn)行，AIRS是首個(gè)在衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)真正意義上的高光譜分辨率紅外大氣探測(cè)的儀器，于2002年5月4日載于美國(guó)NASA EOS-Aqua衛(wèi)星，紅外3.7～15.4μm范圍內(nèi)有2378個(gè)通道，光譜分辨能力大于1200，絕對(duì)輻射測(cè)量精度優(yōu)于0.2K，跨軌掃描幅寬2650km，星下點(diǎn)分辨率13km，用于探測(cè)大氣溫、濕廓線、臭氧總量等。2006年10月19日，歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織（EUMETSAT）的第一顆極軌氣象衛(wèi)星Metop-A把法國(guó)研制的邁克爾遜干涉分光技術(shù)的高光譜紅外大氣探測(cè)器IASI帶入太空。IASI除了分光技術(shù)不同于AIRS外，最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了對(duì)地球大氣在3.62～15.5μm范圍的連續(xù)光譜觀測(cè)，光譜分辨率0.5cm-1，光譜采樣0.25cm-1，共8461個(gè)通道，星下點(diǎn)分辨率12km，跨軌掃描幅寬2052km。利用IASI高分辨率連續(xù)光譜觀測(cè)，還可提取大氣其他成分，如CO、N2O、CH4、SO2。2011年10月28日，美國(guó)新一代極軌氣象衛(wèi)星系列JPSS的準(zhǔn)備星NPP（后更名為Suomi NPP）把高光譜紅外探測(cè)器CrIS帶入太空，采用干涉分光技術(shù)，三段式光譜覆蓋探測(cè)（0.92～15μm）共1305個(gè)通道，在長(zhǎng)、中、短波段的光譜分辨率分別為0.625cm-1、1.25cm-1、2.5cm-1，跨軌掃描幅寬2200km，星下點(diǎn)分辨率14km[5]。歐洲的高光譜分辨率紅外大氣探測(cè)儀（IRS）是為裝載到EUMETSAT新一代三軸姿態(tài)穩(wěn)定的靜止氣象衛(wèi)星MTG（計(jì)劃于2017年左右發(fā)射）系列而研制的，以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一地域的高頻次、高垂直分辨率的大氣溫、濕廓線等探測(cè)。

中國(guó)正在研制并將裝載到計(jì)劃于2016年發(fā)射的FY-3D和新一代靜止氣象衛(wèi)星FY-4的高光譜紅外大氣探測(cè)器，分別稱(chēng)HIRAS、GIIRS，這兩個(gè)儀器均采用干涉分光技術(shù)。為了讓用戶(hù)深入了解紅外高光譜儀器，推動(dòng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用，本文重點(diǎn)以風(fēng)云三號(hào)紅外高光譜大氣探測(cè)儀為例，介紹紅外高光譜儀器的組成及觀測(cè)原理，以及數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)，探討紅外高光譜儀器的潛在應(yīng)用和在應(yīng)用中需要進(jìn)一步攻關(guān)的技術(shù)難題。

2　FY-3D紅外高光譜大氣探測(cè)儀

2.1儀器簡(jiǎn)介

FY-3D紅外高光譜大氣探測(cè)儀（HIRAS）將是FY-3極軌氣象衛(wèi)星系列上的首個(gè)高光譜紅外探測(cè)儀器，由中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制，這是我國(guó)自主研發(fā)、制造的紅外高光譜精密光機(jī)遙感儀器。儀器采用二維指向補(bǔ)償、干涉儀前置、冷光學(xué)、大冷量輻射制冷、小面陣紅外探測(cè)器技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)與國(guó)際同類(lèi)儀器相當(dāng)?shù)墓庾V分辨能力和系統(tǒng)靈敏度等高性能探測(cè)能力[6]。表1和2給出了該儀器的主要技術(shù)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表1　FY-3D/HIRAS紅外高光譜大氣探測(cè)儀技術(shù)指標(biāo)Table 1　FY-3D/HIRAS instrument characteristics

表2　FY-3D/HIRAS紅外高光譜大氣探測(cè)儀通道光譜特征參數(shù)Table 2　FY-3D/HIRAS spectral characteristics

紅外高光譜大氣探測(cè)儀在軌期間有三種工作模式，即發(fā)射入軌初期模式、對(duì)地掃描模式和定標(biāo)模式。發(fā)射入軌初期，儀器需要進(jìn)行干涉儀動(dòng)鏡解鎖，防污罩加熱去污，在輻射制冷溫度達(dá)到工作溫度后，進(jìn)行干涉儀星上光校。對(duì)地掃描模式是紅外高光譜大氣探測(cè)儀的常規(guī)觀測(cè)模式，此模式下掃描鏡跨軌掃描工作，共觀測(cè)29個(gè)駐留視場(chǎng)，每個(gè)視場(chǎng)包括4個(gè)像素。紅外高光譜大氣探測(cè)儀儀器設(shè)計(jì)采用多元小面陣并行觀測(cè)，可以同時(shí)延長(zhǎng)干涉圖的形成時(shí)間，并且盡可能多的形成對(duì)地觀測(cè)瞬時(shí)視場(chǎng)。三個(gè)小面陣同時(shí)觀察地面的同一目標(biāo)視場(chǎng)，各波段的小面陣探測(cè)器同時(shí)觀測(cè)4塊不同目標(biāo)區(qū)域，每一個(gè)探測(cè)元對(duì)地觀測(cè)張角為1.1°，對(duì)應(yīng)星下點(diǎn)地面瞬時(shí)視場(chǎng)大小約為16km，像元之間地面距離26.17km（圖1）。探測(cè)器將干涉光學(xué)產(chǎn)生的干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理與放大，并數(shù)字化后傳輸給衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。定標(biāo)模式指每條掃描線均掃描兩次冷空間和兩次內(nèi)黑體定標(biāo)源進(jìn)行輻射定標(biāo)。地面大氣輻射經(jīng)45°掃描鏡掃描后，反射進(jìn)入干涉儀子系統(tǒng)，由分束器分成兩路相干光，一路由分束器反射的光線經(jīng)過(guò)定鏡反射后，再次透射分束器；另一路分束器透射的光線經(jīng)過(guò)動(dòng)鏡反射后，回到分束器，并被分束器表面反射，動(dòng)鏡在往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制下，兩路光線的光程差隨動(dòng)鏡的運(yùn)動(dòng)位置不同而不同，從而使得干涉光光強(qiáng)信號(hào)隨光程差而發(fā)生變化，動(dòng)鏡一次平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)可以得到一幅目標(biāo)的雙邊干涉圖。入射能量經(jīng)過(guò)干涉子系統(tǒng)后形成干涉光進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)收集光束后進(jìn)入分色片將入射能量按光譜分開(kāi)，分別使用長(zhǎng)波分色片和中波分色片分離長(zhǎng)波通道（8.8～15.38μm）、中波1通道（5.71～8.26μm）和中波2通道（3.92～4.64μm）的輻射信號(hào)，并經(jīng)透鏡匯聚到探測(cè)器上。

圖1　探測(cè)器對(duì)應(yīng)地面視場(chǎng)圖Fig.1　HIRAS detector ground projection of field of view size

在干涉系統(tǒng)中使用標(biāo)準(zhǔn)參考光譜為干涉光譜信號(hào)提供光譜譜線基準(zhǔn)和電子學(xué)采樣信號(hào)的時(shí)間基準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)參考光譜使用的是長(zhǎng)壽命的高穩(wěn)頻激光器作為信號(hào)源，激光信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)共用干涉光路，在動(dòng)鏡運(yùn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)對(duì)激光信號(hào)和地氣系統(tǒng)的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使用硅光探測(cè)器檢測(cè)激光的干涉信號(hào)，該干涉信號(hào)的變化嚴(yán)格對(duì)應(yīng)干涉系統(tǒng)的光程差變化，由于共用動(dòng)鏡運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，由此得到的激光干涉信號(hào)就提供了對(duì)目標(biāo)干涉圖進(jìn)行等光程差采樣基準(zhǔn)，為目標(biāo)光譜圖的準(zhǔn)確反演提供了技術(shù)保障。

2.2儀器技術(shù)方案

紅外高光譜大氣探測(cè)儀系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、干涉儀子系統(tǒng)、探測(cè)器子系統(tǒng)組成。光學(xué)系統(tǒng)作為收集和分析地球和大氣輻射的部件，負(fù)責(zé)將觀測(cè)目標(biāo)的紅外輻射信號(hào)接收并匯聚到探測(cè)器上，包括掃描、干涉分光、匯聚、分色、再匯聚等一系列過(guò)程。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)位于干涉儀子系統(tǒng)之后，主要功能是將干涉調(diào)制信號(hào)收集匯聚。中繼光學(xué)系統(tǒng)功能是將望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)匯聚的光按系統(tǒng)要求的波段進(jìn)行分色并使各波段的光進(jìn)入對(duì)應(yīng)通道，包括轉(zhuǎn)折反射鏡、紅外窗口，分色片、視場(chǎng)光闌等。HIRAS的探測(cè)掃描是通過(guò)二維掃描機(jī)構(gòu)帶動(dòng)掃描鏡進(jìn)行工作，掃描鏡在力矩電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做跨軌掃描運(yùn)動(dòng)，在掃描鏡駐留觀測(cè)時(shí)，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)掃描鏡完成沿軌補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。干涉儀的主要功能是使輸入的紅外輻射產(chǎn)生自調(diào)制，接收遙控指令，向外輸出紅外干涉信號(hào)、采樣控制信號(hào)以及干涉儀狀態(tài)遙測(cè)信息等。干涉儀包括紅外干涉和激光干涉兩個(gè)組成部分。

紅外高光譜探測(cè)儀要求在地面模擬真空低溫環(huán)境進(jìn)行光學(xué)性能的裝校和測(cè)試，其分色片及各通道組件需置于低溫工作環(huán)境，探測(cè)器組件工作于85K。長(zhǎng)波探測(cè)器采用HgCdTe探測(cè)器，中波1采用HgCdTe探測(cè)器，中波2采用Insb探測(cè)器。3個(gè)紅外波段的探測(cè)器分別封裝成3個(gè)組件，每個(gè)探測(cè)器組件包含4元探測(cè)器。制冷系統(tǒng)對(duì)紅外探測(cè)器和中后繼光路制冷，以提高整機(jī)靈敏度和減少儀器背景輻射影響。

3　地面預(yù)處理關(guān)鍵技術(shù)

紅外高光譜大氣的探測(cè)儀采用復(fù)雜的光機(jī)結(jié)構(gòu)，具備較強(qiáng)的星上處理功能，同時(shí)需要地面和衛(wèi)星系統(tǒng)密切配合，實(shí)現(xiàn)多環(huán)節(jié)預(yù)處理和光譜輻射定標(biāo)處理，才能生成高精度的L1產(chǎn)品。針對(duì)地面數(shù)據(jù)處理過(guò)程，核心處理技術(shù)包括星上和定標(biāo)前處理技術(shù)、精準(zhǔn)輻射定標(biāo)，精準(zhǔn)光譜訂正、預(yù)處理產(chǎn)品精度驗(yàn)證和質(zhì)量控制等（圖2）。針對(duì)紅外高光譜大氣探測(cè)儀獲取的地球場(chǎng)景和定標(biāo)目標(biāo)原始干涉圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行星上模擬信號(hào)采樣、噪音檢測(cè)、壓縮、濾波抽樣、脈沖計(jì)數(shù)等處理技術(shù)研究。干涉儀精準(zhǔn)輻射定標(biāo)是針對(duì)黑體、冷空等定標(biāo)源的周期觀測(cè)，深入研究定標(biāo)源可能受到的太陽(yáng)和月亮污染并進(jìn)行精確訂正；精確引入儀器背景輻射模型和黑體發(fā)射模型；并基于二次諧波能量分析從干涉信號(hào)中識(shí)別出非線性特征；基于干涉圖的非對(duì)稱(chēng)性研究相位誤差導(dǎo)致的復(fù)數(shù)定標(biāo)方法。由于干涉儀輻射與光譜的緊密耦合問(wèn)題，需要開(kāi)展干涉儀精準(zhǔn)光譜訂正，在軌光譜訂正處理包括儀器線型函數(shù)ILS的確定和波長(zhǎng)位置的確定，激光器頻率穩(wěn)定和影響ILS函數(shù)的探元離軸問(wèn)題，離線光譜訂正需要采用輻射傳輸模擬地球目標(biāo)光譜來(lái)訂正儀器的固定光譜偏差。

一個(gè)新型儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)必須在對(duì)其觀測(cè)誤差、儀器噪聲等特征有了足夠的了解和評(píng)估后才能給用戶(hù)使用，尤其是氣候監(jiān)測(cè)和數(shù)值預(yù)報(bào)同化用戶(hù)。因此經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)和光譜定標(biāo)等一系列預(yù)處理轉(zhuǎn)換后的衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果還需要借助可靠的評(píng)估方法進(jìn)行精度驗(yàn)證，基于偏差分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)定標(biāo)參數(shù)優(yōu)化以及數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制。儀器觀測(cè)系統(tǒng)的偏差來(lái)源于多個(gè)方面，如定標(biāo)過(guò)程的不確定性（如太陽(yáng)污染、探測(cè)器非線性等），對(duì)在軌光譜響應(yīng)函數(shù)變化的未知性，偏差特性還會(huì)隨時(shí)間和掃描角度的變化，隨軌道和季節(jié)變化等，只有突破了紅外高光譜干涉儀高精度定標(biāo)的一系列關(guān)鍵技術(shù)，才能加深氣象衛(wèi)星用戶(hù)和儀器研制方對(duì)干涉儀器的工作原理、數(shù)據(jù)特征、精準(zhǔn)定標(biāo)等方面的技術(shù)理解，生成高光譜干涉儀高精度一級(jí)產(chǎn)品，提升我國(guó)在高光譜儀器研制和資料處理及同化應(yīng)用方面的能力，確立我國(guó)在相關(guān)技術(shù)上的國(guó)際地位。

4　紅外高光譜資料的應(yīng)用展望

十多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在星載紅外高光譜大氣探測(cè)資料應(yīng)用方面開(kāi)展了大量研究工作，取得了許多有益的進(jìn)展[7]。這里基于已有研究，探討我國(guó)風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星紅外高光譜大氣探測(cè)儀器資料的潛在應(yīng)用能力和需要攻破的技術(shù)難點(diǎn)。

4.1數(shù)值天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用

圖2　HIRAS地面預(yù)處理關(guān)鍵技術(shù)路線圖Fig.2　HIRAS ground processing key technology route chart

我國(guó)紅外高光譜探測(cè)儀器的首要應(yīng)用目標(biāo)是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）同化應(yīng)用，即通過(guò)觀測(cè)的大氣發(fā)射/吸收光譜來(lái)得到高垂直分辨率、高精度的大氣溫濕度廓線信息作為NWP的初始場(chǎng)。為了建立初始場(chǎng)的最優(yōu)估計(jì)，利用同化技術(shù)把觀測(cè)與預(yù)報(bào)模式結(jié)合起來(lái)，如今最常用的是四維變分同化技術(shù)（4DVAR）。衛(wèi)星探測(cè)類(lèi)儀器如微波儀器、紅外高光譜儀器成為支持?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)的全球觀測(cè)系統(tǒng)的重要部分，在過(guò)去二十年里迅速成為對(duì)NWP影響最大的觀測(cè)資料，超過(guò)當(dāng)前同化的任何其他觀測(cè)資料[8]。全球多個(gè)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心報(bào)告顯示，目前的業(yè)務(wù)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，就單個(gè)儀器資料對(duì)模式的貢獻(xiàn)率，高光譜紅外探測(cè)儀對(duì)同化預(yù)報(bào)效果的影響最大。對(duì)NWP應(yīng)用而言，位于645～800cm-1（15.5～12.5μm）光譜區(qū)域范圍內(nèi)的CO2吸收線主要提供的是大氣溫度廓線信息；位于800～1200cm-1（12.5～8.3μm）光譜區(qū)域是大氣窗區(qū)，包含了地表溫度和近地面的水汽信息；1200～1600cm-1（8.3～6.3μm），提供了水汽的垂直分布信息。

此外，由于高光譜儀器的光譜分辨率高（超過(guò)1000個(gè)通道），即大氣垂直分辨率高，以及低噪聲水平，因此包含了比以前的通道式業(yè)務(wù)垂直探測(cè)儀器多一個(gè)量級(jí)以上的大氣結(jié)構(gòu)信息。目前制約紅外高光譜儀器觀測(cè)同化應(yīng)用的難點(diǎn)之一是有云資料的同化，大部分NWP中心可以同化使用簡(jiǎn)單云模式模擬計(jì)算的有云視場(chǎng)觀測(cè)，如薄云、完全有云、高云視場(chǎng)，而對(duì)復(fù)雜的多層云的情況還未找到可行的解決方案，仍然是一個(gè)活躍的研究方向[9]。同化衛(wèi)星觀測(cè)的難點(diǎn)之二是水汽觀測(cè)的同化效果很不顯著，原因是有儀器對(duì)水汽含量的非線性響應(yīng)，以及水汽含量的高時(shí)空變化性。要開(kāi)發(fā)出更先進(jìn)的可以同化有云和水汽觀測(cè)的方案，需要數(shù)據(jù)同化方案、輻射傳輸模式以及NWP模式本身均取得重要進(jìn)展[10-11]。最近有研究直接利用干涉圖觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品反演，例如直接用干涉圖來(lái)代替選取的部分獨(dú)立通道輻射進(jìn)行水汽反演，則能得到更好的垂直分辨率和精度[12-13]。

4.2天氣預(yù)警應(yīng)用

在大氣的紅外窗口區(qū)存在很多較弱的水汽和CO2吸收線，這些吸收線光譜區(qū)的輻射能夠提供檢測(cè)對(duì)流層低層熱力結(jié)構(gòu)變化的關(guān)鍵信息，紅外高光譜儀器的光譜分辨率提高后，不僅可以獲取更高精度的大氣參數(shù)，更重要的是提高了大氣探測(cè)在垂直方向上的分辨率，這給衛(wèi)星資料應(yīng)用提供了很大優(yōu)勢(shì)。AIRS儀器在軌工作后，CIMSS開(kāi)發(fā)了可表征大氣不穩(wěn)定狀態(tài)的幾種大氣不穩(wěn)定度指數(shù)產(chǎn)品，分析其在中尺度大氣環(huán)流場(chǎng)和突發(fā)性強(qiáng)對(duì)流天氣中的應(yīng)用個(gè)例。在強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)生前，衛(wèi)星高光譜大氣探測(cè)器觀測(cè)的大氣濕度和溫度的水平和垂直分布信息能夠提供更豐富的中尺度環(huán)流信息，如大氣不穩(wěn)定度和邊界層結(jié)構(gòu)等與風(fēng)暴觸發(fā)相關(guān)的指標(biāo)，這些指標(biāo)對(duì)于強(qiáng)風(fēng)暴的鄰近預(yù)報(bào)和短期預(yù)報(bào)都非常重要[14]。大氣不穩(wěn)定指數(shù)可以使用臺(tái)站資料、數(shù)值預(yù)報(bào)輸出、再分析資料以及衛(wèi)星反演的溫濕度廓線，與云參數(shù)、大氣可降水量等衛(wèi)星產(chǎn)品結(jié)合使用，可為強(qiáng)對(duì)流事件提供更豐富的預(yù)警信息。Li等[14]用WRF模式模擬低光譜ABI和高光譜儀器HES紅外輻射，在垂直方向上，HES的垂直分辨率遠(yuǎn)高于ABI，在紅外區(qū)有超過(guò)1000個(gè)光譜通道，能準(zhǔn)確體現(xiàn)濕空氣向上抬升并與干空氣混合的過(guò)程，大大提高了對(duì)水平和垂直方向上大氣溫度和濕度信息時(shí)間演變的刻畫(huà)精度，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的鄰近預(yù)報(bào)十分有利。

目前國(guó)際上在軌的紅外高光譜儀器具有相似的分辨率和探測(cè)精度，綜合使用這些資料可以提高衛(wèi)星資料的時(shí)間和空間覆蓋。我國(guó)風(fēng)云三號(hào)和風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星上的紅外高光譜大氣探測(cè)儀器（GIIRS）將會(huì)協(xié)同觀測(cè)，提供更高頻次的大氣溫濕度廓線和不穩(wěn)定度指數(shù)產(chǎn)品，為改進(jìn)天氣預(yù)警服務(wù)提供重要信息。

4.3大氣成分反演應(yīng)用

紅外高光譜數(shù)據(jù)的第三個(gè)重要應(yīng)用目標(biāo)是大氣成分反演和監(jiān)測(cè)，可以反演痕量氣體和氣溶膠的垂直分布廓線，如臭氧、一氧化碳、甲烷等，在空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中顯示了極大的潛力，而且可以提供長(zhǎng)期連續(xù)的大氣成分記錄用于研究其年際變化[15]。紅外15.3μm、4.3μm波段是很強(qiáng)的CO2吸收帶，加之高光譜儀器的信噪比表現(xiàn)和光譜分辨率都比過(guò)去通道式紅外觀測(cè)跨越了一個(gè)量級(jí)以上，基于紅外高光譜觀測(cè)可以得到高層大氣中CO2信息。AIRS、IASI觀測(cè)光譜覆蓋了CH4紅外7.6μm、3.7μm波段，能用于大氣中CH4濃度時(shí)空分布變化監(jiān)測(cè)[16]， 4.6μm波段觀測(cè)也可以用于CO時(shí)空分布變化的遙感監(jiān)測(cè)。

紅外高光譜觀測(cè)還可以用于測(cè)量一些過(guò)去認(rèn)為從太空不能探測(cè)到的活性氣體種類(lèi)的濃度，如氨氣[17]，以及用于一些近實(shí)時(shí)突發(fā)事件的探測(cè)，如火災(zāi)和火山爆發(fā)等。大氣成分的反演方法有基于目標(biāo)成分的敏感性波段觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)目標(biāo)成分廓線的非線性迭代，最終實(shí)現(xiàn)模式模擬光譜與觀測(cè)光譜擬合，得到最可能的大氣成分的廓線信息；也可以基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，通過(guò)構(gòu)造合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，快速提取衛(wèi)星大氣參數(shù)。但實(shí)現(xiàn)上述諸多應(yīng)用的先決條件是儀器光譜輻射的精準(zhǔn)定標(biāo)，對(duì)儀器輻射精度要求十分苛刻。大氣成分的監(jiān)測(cè)應(yīng)用有可能成為風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星紅外高光譜大氣探測(cè)儀器的又一潛在應(yīng)用目標(biāo)。

4.4在氣候研究上的應(yīng)用

目前在軌的紅外高光譜觀測(cè)儀器（AIRS，IASI，CrIS）的性能和定標(biāo)評(píng)估結(jié)果顯示它們完全有能力用于氣候研究。如AIRS資料可以幫助理解和模擬水汽和云等氣候分量在大氣水文循環(huán)過(guò)程中的作用，證實(shí)了水汽對(duì)氣候變暖的響應(yīng)。2002年以來(lái)，AIRS觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示海面溫度與250hPa高度的水汽含量呈正相關(guān)；AIRS數(shù)據(jù)也被用來(lái)分析2007年異常的北極冰層融化，分析深對(duì)流云（DCC）的發(fā)生頻率與熱帶緯向平均表面溫度的相關(guān)性等。IASI觀測(cè)已經(jīng)用于多個(gè)重要?dú)夂蜃兞浚‥CVs）的研究及其他重要?dú)夂驍?shù)據(jù)庫(kù)的建立，這些氣候變量包括溫度和水汽廓線、云和氣溶膠、人為溫室氣體以及臭氧、地面溫度和比發(fā)射率等。當(dāng)數(shù)據(jù)記錄累積超過(guò)5年以上，即可用于研究一些氣候變量事件，如ENSO、赤道輻合帶（ITCZ）振蕩、熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（MJO）事件等。對(duì)于全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)（GCOS）計(jì)劃最重要的是構(gòu)建均勻的、穩(wěn)健的、長(zhǎng)期的氣候變量數(shù)據(jù)記錄。紅外高光譜儀器的絕對(duì)輻射定標(biāo)精度可達(dá)0.2K，輻射穩(wěn)定性在10-3K/a量級(jí)，頻率穩(wěn)定性?xún)?yōu)于5ppm，具有很好的探測(cè)靈敏度。只要紅外高光譜儀器提供的長(zhǎng)時(shí)間序列的輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)記錄令人滿(mǎn)意，一定能為全球氣候變化和模式預(yù)測(cè)研究做出重要貢獻(xiàn)。無(wú)疑風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星的紅外高光譜大氣探測(cè)儀器將為氣候研究提供新的重要數(shù)據(jù)源。

4.5衛(wèi)星紅外輻射基準(zhǔn)的應(yīng)用

當(dāng)初建立全球天基交叉定標(biāo)系統(tǒng)（GSICS）的首要目標(biāo)之一是為靜止軌道成像儀器的紅外通道開(kāi)發(fā)出交叉定標(biāo)產(chǎn)品，滿(mǎn)足其全球統(tǒng)一輻射基準(zhǔn)的應(yīng)用[18]。由于紅外高光譜探測(cè)儀器光譜覆蓋范圍寬，光譜分辨率高，輻射一致性和光譜定標(biāo)精度能達(dá)到0.1K和5ppm以下，因此一直被GSICS列為全球在軌統(tǒng)一的紅外輻射交叉定標(biāo)源。GSICS最初基于Aqua/AIRS作為參考源開(kāi)發(fā)GEO-LEO紅外交叉定標(biāo)算法，當(dāng)Metop/IASI發(fā)射上天后，其在連續(xù)光譜覆蓋上更有優(yōu)勢(shì)，從而被采納為新的紅外交叉定標(biāo)基準(zhǔn)源。除了作為GSICS靜止衛(wèi)星紅外輻射基準(zhǔn)源，高光譜探測(cè)儀還能用于同一平臺(tái)上的極軌衛(wèi)星紅外通道的輻射基準(zhǔn)，由于同一平臺(tái)的觀測(cè)時(shí)間同步、空間配準(zhǔn)更準(zhǔn)確，因此能獲得更多種類(lèi)的樣本用于訂正其他儀器紅外通道的觀測(cè)偏差，包括隨角度變化和隨軌道變化的誤差。即將在軌運(yùn)行的風(fēng)云三號(hào)紅外高光譜大氣探測(cè)儀器，有可能成為國(guó)際GSICS的一員新兵。

5　總結(jié)

簡(jiǎn)要綜述了衛(wèi)星紅外探測(cè)儀器的發(fā)展。詳細(xì)介紹了我國(guó)FY-3D星將要裝載的紅外高光譜大氣探測(cè)儀HIRAS，包括儀器的結(jié)構(gòu)、觀測(cè)原理和系統(tǒng)組成以及儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理中所涉及的核心關(guān)鍵技術(shù)?；趪?guó)內(nèi)外已有研究結(jié)果，探討和分析了風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星高光譜儀器在天氣、氣候和環(huán)境監(jiān)測(cè)等多領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用。由于風(fēng)云衛(wèi)星高光譜探測(cè)儀器完全由國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)和研制，設(shè)計(jì)方案和數(shù)據(jù)特征均和國(guó)外同類(lèi)儀器有很大區(qū)別，尤其在星上數(shù)據(jù)壓縮和處理方面，因此后端數(shù)據(jù)應(yīng)用均需要參考實(shí)際衛(wèi)星在軌測(cè)試評(píng)估的數(shù)據(jù)誤差特征以及性能指標(biāo)，進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，這樣才能更好地在我國(guó)自主的NWP和氣候模式應(yīng)用中發(fā)揮最大應(yīng)用價(jià)值。

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FY-3 Satellite Infrared High Spectral Sounding Technique and Potential Application

Qi Chengli1,Gu Mingjian2,Hu Xiuqing1,Wu Chunqiang1
(1 Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites,National Satellite Meteorological Centre,Beijing 1000812 Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200083)

Abstract:High spectral infrared sounders possess distinct advantages in application of atmospheric temperature and humidity profiles retrieval,numerical weather prediction(NWP),climate change study and trace gas measurement due to high spectral resolution,low radiometric noise and high spectral and radiometric accuracy.Infrared Atmospheric Sounder(IRAS)was successfully launched onboard FY-3A/B/C satellites.It measures 26 channels of radiance from visible to infrared spectral range and was used in data assimilation,global atmospheric temperature and humidity profile retrieval,et al.A high spectral infrared atmospheric sounder(HIRAS)designed and manufactured completely by China will be carried onboard FY-3D,marking a new epoch of infrared high spectral vertical sounding system in China.FY-3D/HIRAS was taken as an example,and satellite infrared high spectral sounding technique and key preprocessing issues of high spectral infrared sounders were summarized as well as analysis and discussion of difficult problems that exist in high spectral infrared data application of NWP and climate study.

Keywords:FengYun 3,high pectral sounder,data assimilation

收稿日期：2015年9月17日；修回日期：2015年12月28日

DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2016.01.013

第一作者：漆成莉（1979—），E-mail:qicl@cma.gov.cn

資助信息：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2015AA123701）；國(guó)家自然科學(xué)基金（41275104）；中國(guó)科學(xué)院紅外探測(cè)與成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題