红外高光谱遥感资料直接四维变分同化技术研究

To overcome the deficiency of current assimilation methods developed for infrared hyperspectral data, a new four-dimensional variational data assimilation technique is designed with the principal component scores of infrared hyperspectral radiances. Firstly, a new cloud detection scheme is investigate for infrared hyperspectral data to search observation channels which is not sensitive to cloud and precipitation, and to improve the utilization of infrared hyperspectral data in the area of cloud and precipitation. Secondly, the PC radiance transform model with its tangent and adjoint version are revised to fit the FY-4 satellite's infrared hyperspectral sensor. Then activities are focus on the new four-dimensional variational data assimilation technique using the principal component scores of infrared hyperspectral radiances, including the study of nonlinear observation operator, multiple resolution increment algorithm, variational bias correction and variational quality control. Finally, a global four-dimensional data assimilation experiment system is constructed with the PC radiance transform model, to evaluate the new method's validity and superiority for assimilation of infrared hyperspectral data.

针对现有红外高光谱遥感资料同化方法中的缺陷和不足，研究基于主成分分数的红外高光谱遥感资料直接四维变分同化技术。首先面向四维变分同化，研究一种新的红外高光谱资料云检测方法，寻找对云雨不敏感性的观测通道，提高云雨区红外高光谱资料的同化利用率；其次，研究适用于风云四号卫星干涉式红外高光谱仪的主成分快速辐射传输模式及其切线性和伴随模式；然后研究基于主成分分数的红外高光谱资料的四维变分同化方法，突破针对主成分分数的非线性观测算子、多分辨率增量算法、变分偏差订正和变分质量控制等关键技术。在此基础上，实现基于主成分辐射传输模式的全球四维变分同化试验系统，评估新方法对改进红外高光谱卫星遥感资料同化的有效性和优越性。

红外高光谱探测仪具备几千甚至上万探测光谱通道，能够提供高精度和高垂直分辨率的大气状态信息，是现代资料同化系统的重要观测资料来源。但是如何从这些大量通道中有效提取大气信息，技术难度非常大。目前世界各大数值预报业务中心，均只选取少数红外高光谱通道的辐射率资料加入同化系统，造成了观测数据的极大浪费。针对现有红外高光谱遥感资料同化方法中的缺陷和不足，开展针对红外高光谱资料的主成分分数同化方法研究，主要内容包括基于晴空通道的云检测方案、基于主成分的快速辐射传输模式、针对红外高光谱遥感资料的质量控制和偏差订正等关键技术。. 设计和实现了一种基于晴空通道的云检测方案，可以有效识别红外高光谱遥感资料的晴空通道，避免了资料浪费，且保留了更多的云顶上方的大气观测信息。基于McNally和Watts(2003年)提出的晴空通道云检测方案，改进其中通道高度计算较为粗略、不同通道指定的通道高度可能相同的问题，同时对于晴空通道搜索算法中的低冷情况的判断进行了完善优化。实例表明：晴空通道云检测算法中高层通道进入同化系统的视场数目多于低层通道，且晴空通道云检测算法对应的分析场均方根误差小于晴空视场云检测方案；晴空通道云检测方案能够把更多的大气对流层云顶之上的大气信息引入同化系统，且有效改善对流层低层温度、湿度以及中高层风场的精确度。. 设计与开发了基于主成分方法的快速辐射传输模式(PC_RTTOV)，实现了针对红外高光谱辐射率资料的主成分信息的快速提取，并以此为基础初步构建了一个四维变分资料同化原型系统。在已有的快速辐射传输模式(RTTOV)中增加计算光谱主成分分数的模块，经过生成LBL 辐射率的样本资料库和相关的回归训练测试，直接模拟主成分分数。相比模拟全光谱的快速辐射传输模式，PC_RTTOV 模式不仅能够为任意输入的大气廓线模拟主成分分数或者重构辐射率，而且PC_RTTOV模式能够更快速地模拟辐射率，获得更高的计算效率。