基于成像仪对云区红外高光谱探测资料清云处理方法及敏感性研究

Recently, the hyperspectral infrared atmospheric sounders onboard China’s next-generation FengYun satellites，FY-4A/GIIRS and FY-3D/HIRAS, are in operation. The sounding radiances for clear sky are successfully applied to GRAPES (Global and Regional Assimilation and PrEdiction System) developed by CMA (China Meteorological Administration). However, the cloudy sounding radiances are hardly been used, because the cloud radiative transfer models are complicated and unsolid. In order to enhance the effectiveness and efficiency of data assimilation, it is critical to apply sounding information of cloudy sky to the operational numerical weather prediction (NWP) models. Flown on the same platform, the collocated (consistent in time and space) infrared sounder and imager, provide mount of match-up measurements for the study of methodology and process for synergistic use of both infrared sounder and imager for multiple applications. 1) By comparing the infrared sounding radiances with collocated imager’s measurements, the observation biases for data assimilation are assessed. 2) Using imager’s cloud detection products assist cloud-clearing of sounder’s partially cloudy field-of-views (FOVs). The effectiveness and efficiency of imager assisted cloud-clearing for infrared sounders onboard FengYun satellites are evaluated. The quality control criteria for cloud-clearing and data assimilation are discussed, based on sounder/imager duos onboard FengYun satellites. 3) The impact of several factors, such as imager’s spatial resolution, spectral coverage, and observation noises, on cloud-clearing effects are analyzed. The findings will provide scientific evidences for further enhancements and applications of future FengYun satellite series and its observing system.

我国新一代风云气象卫星上搭载的红外高光谱大气探测仪FY-4A/GIIRS和FY-3D/HIRAS已在轨业务运行。在中国气象局全球/区域业务同化和预报系统中，高光谱探测资料已取得了良好的应用效果，但由于云区辐射传输模式的复杂性，目前有效资料同化数据仅限于晴空区，亟需将高光谱资料同化拓展到有云区，提高云区资料同化效果和效率。针对高光谱资料数据有效同化率不高的问题，本项目基于同卫星平台的红外高光谱探测仪和高分辨率成像仪，1）开展同平台红外载荷交叉比对，确定观测资料系统偏差；2）结合成像仪的云检测产品，对探测仪部分有云视场作“清云”处理，评估风云卫星探测仪和成像仪联合“清云”处理能力，基于“清云”处理结果提出满足同化应用需求的数据质量控制方案；3）研究成像仪空间分辨率、波段配置和观测精度对“清云”处理效果的影响，为未来风云气象卫星观测系统改进、联合波段配置及应用提供科学依据。

由于云区辐射传输模式的复杂性，业务上资料同化数据仅限于不受云影响的晴空辐射（包括晴空像元或晴空通道），亟需将红外高光谱资料同化拓展到有云区，提高云区资料同化效果和效率。基于我国最新一代地球静止轨道卫星FY-4A上GIIRS和AGRI，以及太阳同步晨昏轨道卫星FY-3E上HIRAS-II和MERSI-LL，建立了红外高光谱大气探测仪和成像仪的时空匹配和参数融合方法，提出了基于成像仪对探测仪部分云区资料的清云处理方法，发展了红外高光谱大气探测资料同化的预处理方案。第一，建立红外高光谱大气探测仪和成像仪参量匹配融合系统。基于时空匹配和参数融合算法，将成像仪的云检测、云顶高度和地表参数等匹配到探测仪视场，输出包含探测仪的视场云检测、云量估计、融合云顶高度和地表参数等信息，支撑红外高光谱探测资料的直接同化应用。第二，基于GIIRS和AGRI交叉辐射校验模型，探究了包括视场表面温度、有效云量、卫星天顶角及阵列位置等，对（AGRI – GIIRS）辐射偏差特征的影响。完全晴空条件下，GIIRS和AGRI红外窗区通道具有很好的一致性，辐射偏差均值小于0.2 K；但GIIRS和AGRI的CO2吸收通道存在2.2~2.6 K系统性偏差。利用高分辨率区域模式及其同化系统（WRF/ WRFDA），基于观测辐射减模拟辐射（O-B）对GIIRS观测辐射偏差特征进行全景分析。结果表明，GIIRS在长波通道O−B偏差和标准差普遍小于中波通道，且都存在一段受污染的通道。第三，针对GIIRS和AGRI缺乏相互重叠的水汽吸收通道，且CO2吸收通道辐射偏差较大的问题，提出了基于AGRI对GIIRS部分云区视场的清云处理及质量控制方法；利用AGRI晴空辐射（CLR）对GIIRS清云辐射（CCR）进行交叉辐射检验，给出适用于资料同化的清云标识码。结果显示，成功清云视场的（AGRI CLR - GIIRS CCR）与完全晴空视场的（AGRI – GIIRS）辐射偏差非常接近。故GIIRS CCR可被当作晴空辐射数据直接进入同化系统，大大提高了红外高光谱探测资料在数值天气预报模式和资料同化系统中的可利用效率和应用效果。