“衛(wèi)星資料應(yīng)用” 專題系列　極軌氣象衛(wèi)星高光譜紅外探測(cè)儀簡(jiǎn)介

殷夢(mèng)濤　鄒曉蕾,（　佛羅里達(dá)州立大學(xué)地球海洋科學(xué)大氣科學(xué)系，美國(guó)；　南京信息工程大學(xué)資料同化研究與應(yīng)用中心，南京 0044）

“衛(wèi)星資料應(yīng)用” 專題系列極軌氣象衛(wèi)星高光譜紅外探測(cè)儀簡(jiǎn)介

殷夢(mèng)濤1鄒曉蕾1,2
（1佛羅里達(dá)州立大學(xué)地球海洋科學(xué)大氣科學(xué)系，美國(guó)；2南京信息工程大學(xué)資料同化研究與應(yīng)用中心，南京 210044）

極軌（polar-orbiting）氣象衛(wèi)星在離地球高度約800km的極地軌道上運(yùn)行，每天可繞地球14圈，每繞地球一圈需100多分鐘。極軌衛(wèi)星由南到北的地跡線與赤道的交點(diǎn)稱為降交點(diǎn)，由北到南的地跡線與赤道的交點(diǎn)稱為升交點(diǎn)。極軌衛(wèi)星不同軌道的地跡線過赤道的經(jīng)度由于地球自轉(zhuǎn)而不同，但它們經(jīng)過赤道的地方時(shí)間是相同的。一顆極軌氣象衛(wèi)星每天可覆蓋全球兩次，提供多光譜范圍的微波、紅外、可見光等全球資料。這與靜止（geostationary）衛(wèi)星不同。靜止衛(wèi)星觀測(cè)雖然在時(shí)間上是連續(xù)的，但觀測(cè)的空間范圍和光譜范圍有限[1]。極軌氣象衛(wèi)星資料在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候研究及氣象產(chǎn)品反演等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用價(jià)值。

搭載有紅外探測(cè)儀的極軌氣象衛(wèi)星軌道分晨昏軌道、上午軌道及下午軌道三種。晨昏軌道和上午軌道指衛(wèi)星的降交點(diǎn)時(shí)間分別在06:00和10:00左右，下午軌道指衛(wèi)星的升交點(diǎn)時(shí)間在13:00左右①。美國(guó)自1978年起發(fā)射了美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）系列極軌環(huán)境衛(wèi)星（POES）。其中NOAA-13在預(yù)定下午軌道上運(yùn)行失敗，NOAA-6/8/10/12/15為晨昏軌道衛(wèi)星，NOAA-17為上午軌道衛(wèi)星，其余的NOAA系列極軌環(huán)境衛(wèi)星包括NOAA-18/19和Suomi NPP為下午軌道衛(wèi)星。歐洲氣象衛(wèi)星中心（EUMETSAT）自2006年起已發(fā)射的兩顆極軌氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星MetOp-A/B為上午軌道衛(wèi)星。中國(guó)自2008年開始發(fā)射風(fēng)云第3代系列極軌氣象衛(wèi)星 （FY-3），至今已發(fā)射了兩顆試驗(yàn)氣象衛(wèi)星FY-3A/B和一顆業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星FY-3C。其中FY-3A/C為上午軌道衛(wèi)星，分別于2008年5月和2013年9月發(fā)射。FY-3B為下午軌道衛(wèi)星，于2010年11月發(fā)射。中國(guó)計(jì)劃在2018年發(fā)射本國(guó)第一顆晨昏軌道衛(wèi)星FY-3E，以實(shí)現(xiàn)全天候、全球范圍的極軌氣象衛(wèi)星觀測(cè)。表1列出了目前在軌運(yùn)行的極軌氣象衛(wèi)星的名稱、發(fā)射時(shí)間、紅外探測(cè)儀、狀態(tài)及所屬機(jī)構(gòu)。

第一代高分辨率紅外探測(cè)儀（HIRS）搭載在1975年發(fā)射的Nimbous-6衛(wèi)星上。當(dāng)時(shí)的HIRS只有16個(gè)紅外通道和1個(gè)可見光通道，之后搭載在NOAA-6～19衛(wèi)星上的第二、三和四代HIRS （HIRS/2/3/4）有19個(gè)紅外通道和1個(gè)可見光通道。表2列出了第一代HIRS與HIRS/2/3/4的通道中心波數(shù)及波段寬度。與第一代HIRS相比，HIRS/2/3/4沒有1219.51cm－1附近的通道，但新增了4個(gè)紅外通道，這些通道的中心波數(shù)分別為801.92、1029.87、1364.26和 2500.00cm－1。

表1　目前在軌運(yùn)行的極軌氣象衛(wèi)星Table 1　Current operational polar-orbiting meteorological satellites with their launch dates, infrared sounders, status and agencies

表2　第一代HIRS和HIRS/2/3/4的通道中心波數(shù)及波段寬度Table 2　The central wavenumber and the beam width at each channel of the first HIRS and HIRS/2/3/4 cm-1

自2002年起搭載在極軌氣象衛(wèi)星上的紅外探測(cè)儀是新式的高光譜紅外探測(cè)儀。 至今已提供和正在提供全球觀測(cè)資料的高光譜紅外探測(cè)儀包括搭載在美國(guó)國(guó)家航空航天管理局（NASA）Aqua衛(wèi)星上的大氣紅外探測(cè)儀（AIRS）、搭載在MetOp-A/B衛(wèi)星上的紅外大氣探測(cè)干涉儀（IASI）以及搭載在Suomi NPP衛(wèi)星上的跨軌掃描紅外探測(cè)儀（CrIS）。顯然，三種不同高光譜紅外探測(cè)儀AIRS、IASI和CrIS比高分辨率紅外探測(cè)儀（HIRS系列）的光譜分辨率高得多。AIRS在650～2700cm－1范圍內(nèi)有2378個(gè)通道，IASI在600～2800cm－1范圍內(nèi)有8461個(gè)通道。CrIS在650～2550cm－1范圍內(nèi)有1305個(gè)通道，分長(zhǎng)波、中波及短波三個(gè)波段，這三個(gè)波段的觀測(cè)范圍分別為650～1095cm－1、1210～1750cm－1及2155～2550cm－1②。而HIRS/2/3/4在650～2700cm－1范圍內(nèi)只有19個(gè)通道。這三種高光譜紅外探測(cè)儀具有不同的光譜分辨率。AIRS的光譜分辨率（Δν）隨著通道中心波數(shù)（ν）的增加而增加，與恒定的光譜分辨系數(shù)（R）成反比[2]，即：

式中，R=1200。IASI在全波段范圍內(nèi)具有恒定的光譜分辨率0.25cm－1。CrIS在長(zhǎng)波、中波及短波三個(gè)波段內(nèi)分別具有恒定的光譜分辨率0.625、1.25及2.5cm－1②。利用全波段分辨率模式，CrIS在全波段范圍內(nèi)的光譜分辨率為0.625cm－1[3]。Strow等[4]發(fā)現(xiàn)由于CrIS短波波段的光譜分辨率比IASI短波波段的光譜分辨率低得多，無(wú)法在衛(wèi)星升空后用IASI短波資料對(duì)CrIS短波波段進(jìn)行絕對(duì)頻率訂正。在全波段分辨率模式下，CrIS可以提供高光譜分辨率的短波資料，實(shí)現(xiàn)CrIS短波波段的絕對(duì)頻率訂正[5]。

下面以最新高光譜紅外探測(cè)儀CrIS為例，進(jìn)一步討論高光譜紅外探測(cè)儀的其他主要特點(diǎn)。CrIS是跨軌掃描儀器，它在單條掃描線上的能視場(chǎng)（Field of Regard，F(xiàn)OR）數(shù)為30，每個(gè)能視場(chǎng)又由9個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)（Field of View，F(xiàn)OV）組成。當(dāng)衛(wèi)星Suomi NPP自南向北沿軌運(yùn)行時(shí)，高光譜紅外探測(cè)儀CrIS自西向東跨軌觀測(cè)30個(gè)能視場(chǎng)。CrIS資料的水平分辨率主要由波束寬度決定，也與掃描角及衛(wèi)星高度有關(guān)。CrIS的波束寬度為0.963°，對(duì)應(yīng)星下點(diǎn)資料的瞬時(shí)視場(chǎng)直徑為14km。圖1展示了赤道附近一條CrIS掃描線上瞬時(shí)視場(chǎng)和能視場(chǎng)大小分布。圖中瞬時(shí)視場(chǎng)和能視場(chǎng)的軌跡是根據(jù)CrIS瞬時(shí)視場(chǎng)中心的經(jīng)緯度、儀器波束寬度及Suomi NPP衛(wèi)星天頂角、方位角、高度計(jì)算得到的。計(jì)算細(xì)節(jié)見附錄。由圖1知，瞬時(shí)視場(chǎng)和能視場(chǎng)面積隨掃描角增大而增大，即跨軌掃描儀器CrIS資料的水平分辨率在星下點(diǎn)處最大，隨掃描角增大而減小。當(dāng)掃描角較大時(shí)，CrIS能視場(chǎng)在跨軌方向有重疊。圖2放大展示了一條CrIS掃描線上能視場(chǎng)1、15、30內(nèi)9個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)的分布。選擇的單條CrIS掃描線與圖1一樣。每個(gè)能視場(chǎng)內(nèi)，瞬時(shí)視場(chǎng)5被稱為中心瞬時(shí)視場(chǎng)（Center FOV），瞬時(shí)視場(chǎng)1、3、7、9被稱為對(duì)角瞬時(shí)視場(chǎng)（Corner FOV），瞬時(shí)視場(chǎng)2、4、6、8被稱為鄰邊瞬時(shí)視場(chǎng)（Side FOV）[3]。對(duì)于單條掃描線來(lái)說(shuō)，對(duì)角瞬時(shí)視場(chǎng)和鄰邊瞬時(shí)視場(chǎng)的位置繞著中心瞬時(shí)視場(chǎng)自西向東逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由圖2可見，同一能視場(chǎng)內(nèi)的9個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)之間無(wú)重疊。

圖3展示了CrIS 9個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)的跨軌直徑和沿軌直徑隨能視場(chǎng)的變化。選擇的單條CrIS掃描線與圖1一樣。值得注意的是，隨著掃描角增大，9個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)跨軌視場(chǎng)直徑比沿軌視場(chǎng)直徑增大得更明顯。在星下點(diǎn)處，跨軌視場(chǎng)直徑比沿軌視場(chǎng)直徑稍小，這是因?yàn)樗矔r(shí)視場(chǎng)在沿軌方向經(jīng)歷了更大的緯向扭曲。這里，緯向扭曲指地球半徑從赤道（6378.1km）到極地（6356.8km）逐漸減小，導(dǎo)致極軌衛(wèi)星離地球表面的距離隨緯度增加而增加，因而同一儀器在高緯觀測(cè)的瞬時(shí)視場(chǎng)面積比在低緯時(shí)大。在最大掃描角處，9個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)的最小跨軌直徑約為39km，而9個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)的最大沿軌直徑約為25km。

與CrIS類似，HIRS和AIRS都是跨軌掃描儀器。第一代HIRS在每條掃描線上有42個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)，HIRS/2/3/4在每條掃描線上有56個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)。AIRS在每條掃描線上有90個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)。值得注意的是，每代HIRS的星下點(diǎn)水平分辨率都不相同。第一、二代高分辨率紅外探測(cè)儀HIRS和HIRS/2的星下點(diǎn)水平分辨率分別為25和17.7km。第三代高分辨率紅外探測(cè)儀HIRS/3在可見光和短波紅外通道的星下點(diǎn)水平分辨率均為20.3km, 但在長(zhǎng)波紅外通道的星下點(diǎn)水平分辨率略有不同，為18.9km。第四代高分辨率紅外探測(cè)儀HIRS/4的星下點(diǎn)水平分辨率為10km，比前三代HIRS儀器的星下點(diǎn)水平分辨率差不多高一倍。AIRS的星下點(diǎn)水平分辨率為13.5km。圖4a—4c比較了HIRS/3長(zhǎng)波紅外通道、AIRS及CrIS在星下點(diǎn)附近的瞬時(shí)視場(chǎng)大小分布。由圖可知，在掃描角相同的條件下，HIRS/3紅外長(zhǎng)波通道的瞬時(shí)視場(chǎng)最大，AIRS的瞬時(shí)視場(chǎng)最小，CrIS的瞬時(shí)視場(chǎng)大小居中。HIRS/3紅外長(zhǎng)波通道、AIRS和CrIS的瞬時(shí)視場(chǎng)大小差異主要是由這三種儀器的波束寬度差異造成的，與衛(wèi)星高度差異也有關(guān)。HIRS/3紅外長(zhǎng)波通道、AIRS和CrIS的波束寬度分別為1.3、1.1和0.963°。搭載AIRS的Aqua衛(wèi)星高度僅為705km，搭載CrIS的Suomi NPP衛(wèi)星高度為834km。雖然AIRS的波束寬度大于CrIS的波束寬度，但由于Aqua衛(wèi)星高度低于Suomi NPP衛(wèi)星高度，AIRS的瞬時(shí)視場(chǎng)比CrIS的瞬時(shí)視場(chǎng)小。在星下點(diǎn)附近，三種儀器在跨軌和沿軌方向均無(wú)視場(chǎng)重疊，HIRS/3長(zhǎng)波紅外通道的瞬時(shí)視場(chǎng)在跨軌和沿軌方向均有較大間隙，AIRS的瞬時(shí)視場(chǎng)只在沿軌方向有較小間隙，CrIS的瞬時(shí)視場(chǎng)在跨軌和沿軌方向的間隙都較小。

在晴空條件下，忽略散射項(xiàng)，CrIS觀測(cè)到的輻射是一段時(shí)間里，由波束寬度決定的錐形體積內(nèi)，由權(quán)重函數(shù)決定的一定高度范圍里的大氣紅外輻射總量。CrIS觀測(cè)單個(gè)能視場(chǎng)內(nèi)9個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)的時(shí)間為0.2s[3]。CrIS提供了655～2550cm－1范圍內(nèi)1305個(gè)通道的亮溫資料，但過多的通道導(dǎo)致部分通道觀測(cè)的紅外輻射會(huì)來(lái)自相同高度范圍。因此，CrIS全通道輻射資料里包含了很多重復(fù)信息。在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中，為了減少計(jì)算量和不同通道之間的相關(guān)，滿足業(yè)務(wù)資料同化和反演的需求，有必要對(duì)CrIS的1305個(gè)通道進(jìn)行篩選。CrIS的通道篩選有兩個(gè)大原則。一個(gè)是優(yōu)先選擇只對(duì)特定大氣物理量敏感的通道，這樣可以有效避免不同通道包含重復(fù)冗長(zhǎng)的信息；另一個(gè)是優(yōu)先選擇垂直分辨率更高的通道，這樣可以提高反演產(chǎn)品的垂直分辨率[6]。CrIS的垂直分辨率由各通道的權(quán)重函數(shù)決定。某通道的權(quán)重函數(shù)垂直分布越窄，則該通道的垂直分辨率越高。權(quán)重函數(shù)最大值所在高度的大氣對(duì)該通道觀測(cè)的輻射量值貢獻(xiàn)最大[7]。不同通道的權(quán)重函數(shù)最大值分布在不同高度，這是反演大氣物理量垂直廓線的基礎(chǔ)。此外，CrIS的通道篩選也要考慮所選通道的垂直觀測(cè)范圍。Gambacorta等[6]根據(jù)以上原則從CrIS 1305個(gè)通道中選出了399個(gè)通道，用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的同化系統(tǒng)中。這些通道包括24個(gè)地表溫度通道、87個(gè)大氣溫度通道、62個(gè)水汽通道、53個(gè)O3通道、27個(gè)CO通道、54個(gè)CH4通道、52個(gè)CO2通道、24個(gè)N2O通道、28個(gè)HNO3通道和24個(gè)SO2通道。圖5a—5d分別展示了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下利用通用輻射傳輸模式（CRTM）[8]計(jì)算得到的CrIS紅外長(zhǎng)波溫度通道、紅外短波溫度通道、水汽通道和地表溫度通道的權(quán)重函數(shù)垂直分布。紅外長(zhǎng)波、中波及短波通道分別由藍(lán)、綠及紅色表示。圖6展示了這399個(gè)CrIS通道權(quán)重函數(shù)最大值高度分布。由圖5和圖6知，溫度通道分布在660～750cm－1和2200～2420cm－1光譜范圍內(nèi)。其中紅外長(zhǎng)波溫度通道（660～750cm－1）緊密排列在1000～10hPa左右的垂直范圍內(nèi)，可提供高垂直分辨率的大氣溫度垂直廓線。紅外短波溫度通道（2200～2420cm－1）的垂直分布與紅外長(zhǎng)波溫度通道類似，但在60～10hPa左右的垂直范圍內(nèi)排列更緊密，可提供更多的高空大氣溫度信息。臭氧通道分布在990～1070cm－1光譜范圍內(nèi)。臭氧的強(qiáng)振動(dòng)吸收帶位于1041.67cm－1附近，90%的臭氧集中在平流層10～50km，剩下的10%集中在地表附近③。水汽通道分布在780～1210cm－1和1310～1750cm－1光譜范圍內(nèi)。其中紅外長(zhǎng)波水汽通道（780～1210cm－1）可提供地表附近的水汽分布信息。紅外中波水汽通道（1310～1750cm－1）緊密排列在800～200hPa左右的垂直范圍內(nèi)，可提供高垂直分辨率的大氣水汽垂直廓線。地表溫度通道分布在770～1095cm－1和2460～2540cm－1光譜范圍內(nèi)。值得注意的是，紅外短波地表溫度通道（2460～2540cm－1）因?yàn)橛锌赡苁芊瓷涞奶?yáng)光污染影響，目前還沒有在美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)中得到使用[9]。

颶風(fēng)“桑迪”在2012年10月25日06時(shí)（世界時(shí)）左右登陸古巴④。圖7a展示了該時(shí)刻N(yùn)CEP再分析（FNL）資料提供的海平面氣壓和地表溫度；圖7b—7c展示了該時(shí)刻Suomi NPP降軌方向CrIS紅外長(zhǎng)波地表溫度通道79的觀測(cè)亮溫。由圖7a知，颶風(fēng)“桑迪”位于暖洋面上，其中心氣壓低于998hPa。與微波輻射相比，紅外輻射的波長(zhǎng)較短，在云中衰減更快。如果云的光學(xué)厚度較大，CrIS通道79觀測(cè)的輻射主要來(lái)自云頂，否則來(lái)自地表。由圖7b知，有云區(qū)域的亮溫可以低于195K，無(wú)云區(qū)域的亮溫可以高于295K。颶風(fēng)中心與周圍環(huán)境具有明顯的溫差，颶風(fēng)眼區(qū)的亮溫可以高于260K，而周圍環(huán)境的亮溫可以低于200K。這反映了颶風(fēng)中心為暖核，眼墻區(qū)及眼墻外有厚云的一個(gè)結(jié)構(gòu)。圖8a展示了CrIS 11個(gè)紅外長(zhǎng)波溫度通道的權(quán)重函數(shù)垂直分布；圖8b展示了同一時(shí)刻這11個(gè)通道通過颶風(fēng)中心、沿著軌道方向由南向北的觀測(cè)亮溫垂直結(jié)構(gòu)。由圖8b知，在同一高度上，颶風(fēng)中心溫度最高；在同一緯度上，颶風(fēng)中心在地表的溫度最高。在地表附近，颶風(fēng)中心與周圍環(huán)境的溫差可以高達(dá)60K。CrIS紅外長(zhǎng)波溫度通道很好地捕捉到了颶風(fēng)“桑迪”的水平和垂直結(jié)構(gòu)。

較早的高光譜紅外探測(cè)儀AIRS和IASI已經(jīng)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)同化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。McNally等[10]設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究AIRS晴空資料同化效果。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是在歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）四維變分系統(tǒng)里單獨(dú)同化AIRS、AMSU-A和HIRS晴空資料，發(fā)現(xiàn)AIRS晴空資料對(duì)模式預(yù)報(bào)場(chǎng)的改進(jìn)效果要好于光譜分辨率較低的AMSU-A和HIRS晴空資料；第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是在ECMWF業(yè)務(wù)同化系統(tǒng)里增加AIRS晴空資料，發(fā)現(xiàn)增加AIRS晴空資料對(duì)ECMWF業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)仍然有正效果。Guidard等[11]研究了IASI晴空和有云資料同化對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的影響，發(fā)現(xiàn)IASI晴空資料對(duì)模式預(yù)報(bào)場(chǎng)有明顯改進(jìn)，而IASI有云資料對(duì)模式預(yù)報(bào)場(chǎng)幾乎沒有改進(jìn)。這是因?yàn)镮ASI有云資料同化需要高精度的云參數(shù)，而目前還沒有一種有效的方法可以得到高精度的云參數(shù)。作為最新的高光譜探測(cè)儀，CrIS在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域的應(yīng)用還有待進(jìn)一步的研究。另一方面，三種高光譜紅外探測(cè)儀都已經(jīng)被應(yīng)用在氣象產(chǎn)品反演和氣候研究領(lǐng)域。AIRS與先進(jìn)微波探測(cè)儀（AMSU）在2002年組成AIRS/AMSU反演產(chǎn)品處理系統(tǒng)；IASI、AMSU與微波濕度探測(cè)儀（MHS）在2008年組成IASI/ AMSU/MHS微量氣體產(chǎn)品處理系統(tǒng)；CrIS與先進(jìn)技術(shù)微波探測(cè)儀（ATMS）在2013年組成CrIS/ATMS處理系統(tǒng)。Gambacorta等[12]用NOAA衛(wèi)星應(yīng)用和研究中心（STAR）業(yè)務(wù)高光譜反演算法比較了AIRS/AMSU、IASI/AMSU/MHS和CrIS/ATMS三種系統(tǒng)反演產(chǎn)品的精度。該研究指出CrIS/ATMS系統(tǒng)可以提供與另兩種系統(tǒng)反演產(chǎn)品精度接近的大氣溫度和水汽垂直廓線，但CrIS/ATMS系統(tǒng)提供的低對(duì)流層溫度廓線和中對(duì)流層水汽廓線與另兩種系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的反演產(chǎn)品有較大出入。此外，利用CrIS全光譜模式（全波段光譜分辨率為0.625cm－1）的CrIS/ATMS系統(tǒng)可以提供與另兩種系統(tǒng)反演產(chǎn)品精度接近的大氣CO垂直廓線。總體來(lái)講，CrIS/ATMS處理系統(tǒng)基本滿足了氣象產(chǎn)品反演和氣候研究的要求。只有對(duì)CrIS資料的偏差訂正、質(zhì)量控制、云檢測(cè)和反演算法等進(jìn)行一系列更深入細(xì)致的研究，才能在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣象產(chǎn)品反演和氣候研究領(lǐng)域充分發(fā)揮CrIS提供的高光譜紅外資料的作用。

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.01.004

2014年8月25日；

2014年11月10日

殷夢(mèng)濤（1991—），Email：my11g@my.fsu.edu

鄒曉蕾（1960—），Email：xzou@fsu.edu

資助信息：公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201406008）