1 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
风云三号E星（FY-3E）搭载的高光谱大气探测仪（HIRAS-II）能够实现大气的垂直探测，具有高光谱、高灵敏度、高精度的特点。仪器在轨之后由于仪器衰减和环境变化的原因产生非线性响应，影响在轨定标精度。针对非线性响应的问题，提出了一种基于带内光谱的非线性校正方法。首先基于带外低频光谱的非线性特征求解非线性校正系数，将此系数作为初值输入到辐射定标模型中，以星上测量的黑体带内光谱与理想光谱的偏差为目标函数，通过迭代优化非线性校正系数。通过辐射定标实验得出，校正后的黑体亮温偏差明显低于未校正和基于带外光谱的校正方法。将HIRAS-II的观测数据与IASI进行交叉比对并计算平均亮温偏差和偏差绝对值，经过带内校正法非线性校正后的亮温平均偏差为-0.13K，优于带外校正方法。
HIRAS-II 非线性校正 在轨定标 带内光谱 HIRAS-II nonlinearity correction on-orbit calibration in-band spectrum
南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044
FY-3E/HIRAS-II作为世界上第一个晨昏轨道的星载红外高光谱仪器，评估其观测资料质量对提高资料同化分析场和全球数值天气预报精度具有十分重要的作用。本文基于2021年12月-2022年1月及2022年3月共35天的HIRAS-II观测，采用新息增量法检验了其在轨辐射观测资料质量，按陆地和洋面分别统计了O-B偏差和标准差的分布特征；进一步匹配相同时间段、相同区域的MetOp-B/IASI观测资料，使用双重差异的O-B法分析了HIRAS-II观测资料质量，可消除偏差中辐射传输模式模拟的影响。结果表明，不论海洋还是陆地，HIRAS-II长波与中波大部分通道的O-B平均偏差均小于0.5 K、标准差在1 K以内，陆地上标准差比洋面偏大（尤其是窗区通道）。664~665 cm-1 CO2吸收带和1 300~1 680 cm-1 水汽吸收带，由于再分析资料的偏差引起RTTOV模拟的辐射值存在系统性误差，使得偏差较大；980~1 080 cm-1 O3吸收带和1 300 cm-1 CH4吸收带附近较大的偏差是由于辐射传输模式RTTOV中吸收气体浓度采用固定的气候廓线值造成的，这些波段与MetOp-B/IASI相比的double O-B偏差均趋近于0 K，说明O-B偏差主要是由于辐射传输模式模拟误差造成的，而不是仪器观测的质量低。短波大部分通道的O-B平均偏差在2 K~2 K之间，标准差在2 K以内。1 920 cm-1附近通道由于是仪器中波与短波的交界处，采用的探测器不同造成较大的O-B偏差。2 267~2 380 cm-1较大的偏差是由于RTTOV模拟亮温时没有考虑非局地热力平衡NLTE效应的影响。波数大于2 400 cm-1的短波波段由于太阳污染使得偏差和标准差都逐渐增大。HIRAS-II O-B偏差随扫描角存在不对称现象，使用时需要进行扫描角偏差订正。
FY-3E/HIRAS-II RTTOV 新息增量法 观测质量评估 FY-3E/HIRAS-II RTTOV innovation vector method evaluation of observation quality
1 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
3 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室，上海 200083
4 国家卫星气象中心 中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室，北京 100081
红外高光谱大气探测仪II型（HIRAS-II）是一台傅里叶变换光谱仪，搭载于世界首颗民用晨昏轨道气象卫星FY-3E上，其研制过程在FY-3D/HIRAS-I产品基础上，重点提升了探测器灵敏度、光谱和辐射定标精度等方面。仪器发射前进行了全面的热真空定标试验，其中非线性订正作为辐射定标过程的重要环节，对辐射定标精度具有重要影响。针对HIRAS-II长波和中波1红外探测器产生的非线性效应，通过缩放带内光谱对原始数据作非线性订正，采用最小化不同温度点复原光谱各波数点的响应度分布和最小化变温黑体定标偏差分布两种方法推导非线性系数。对比辐射定标数据作非线性订正前后的光谱亮温偏差，结果表明，经过非线性订正后的辐射定标精度得到了明显提升。
HIRAS-II 非线性校正 辐射定标 热真空试验 HIRAS-II nonlinearity correction radiometric calibration TVAC tests
1 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 国家卫星气象中心中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室, 北京 100081
精确的风场数据对提高数值天气预报准确性具有重要意义, 对流层风是改进天气预报的要素之一。 虽然利用气象卫星成像仪对连续云图追踪特征目标进行导风是一种有效的风场观测方法, 且在区域和全球尺度上改善了数值天气预报, 但仍存在风场高度分配模糊问题而产生误差。 星基红外高光谱探测仪具备大气温湿度廓线垂直探测能力, 通过分析各个垂直分层内的大气参数运动得到三维风场, 能够提升风场垂直高度的准确性, 改进风场高度分配模糊问题。 提出了利用跨平台极轨气象卫星FY-3D星红外高光谱大气探测仪HIRAS和NOAA-20星跨轨红外探测仪CrIS交叉观测对流层三维风场的创新方法, 根据两仪器近重叠轨道星下点交叉观测辐射数据匹配水汽通道图像, 通过稠密光流法分析目标运动变化并计算风场, 对风矢量进行质量控制后同ERA-Interim再分析资料作定量化比较, 分析风速均值绝对偏差、 均方根误差和风向均值绝对偏差。 分别对2019年2月20日UTC世界时00:00, 06:00, 12:00的HIRAS和CrIS交叉数据计算200, 300, 400, 600, 650和1 000 hPa六组垂直高度风场, 结果表明, 风速范围的变化趋势与再分析资料表现一致, 风速范围随高度降低而减小, 高层对20 m·s-1以上风速更敏感, 地表附近测得风速集中在10 m·s-1以内。 风速均值绝对偏差多数小于3 m·s-1, 最大不超过4 m·s-1, 风速均方根误差多数小于3.5 m·s-1, 最大不超过4.5 m·s-1, 风向均值绝对偏差多数小于30°, 最大不超过40°。 风场误差主要来自仪器自身设计参数不同引入辐射数据的观测偏差, 以及因数据空间分辨率不同导致在图像重投影处理过程中引入的定位偏差。
红外高光谱大气探测仪 对流层三维风场 水汽通道 HIRAS Tropospheric 3D winds Vapor channels 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1131
