“卫星资料应用” 专题系列 极轨气象卫星高光谱红外探测仪简介

殷梦涛　邹晓蕾,（　佛罗里达州立大学地球海洋科学大气科学系，美国；　南京信息工程大学资料同化研究与应用中心，南京 0044）

“卫星资料应用” 专题系列极轨气象卫星高光谱红外探测仪简介

殷梦涛1邹晓蕾1,2
（1佛罗里达州立大学地球海洋科学大气科学系，美国；2南京信息工程大学资料同化研究与应用中心，南京 210044）

极轨（polar-orbiting）气象卫星在离地球高度约800km的极地轨道上运行，每天可绕地球14圈，每绕地球一圈需100多分钟。极轨卫星由南到北的地迹线与赤道的交点称为降交点，由北到南的地迹线与赤道的交点称为升交点。极轨卫星不同轨道的地迹线过赤道的经度由于地球自转而不同，但它们经过赤道的地方时间是相同的。一颗极轨气象卫星每天可覆盖全球两次，提供多光谱范围的微波、红外、可见光等全球资料。这与静止（geostationary）卫星不同。静止卫星观测虽然在时间上是连续的，但观测的空间范围和光谱范围有限[1]。极轨气象卫星资料在数值天气预报、气候研究及气象产品反演等领域都有重要应用价值。

搭载有红外探测仪的极轨气象卫星轨道分晨昏轨道、上午轨道及下午轨道三种。晨昏轨道和上午轨道指卫星的降交点时间分别在06:00和10:00左右，下午轨道指卫星的升交点时间在13:00左右①。美国自1978年起发射了美国国家海洋和大气管理局（NOAA）系列极轨环境卫星（POES）。其中NOAA-13在预定下午轨道上运行失败，NOAA-6/8/10/12/15为晨昏轨道卫星，NOAA-17为上午轨道卫星，其余的NOAA系列极轨环境卫星包括NOAA-18/19和Suomi NPP为下午轨道卫星。欧洲气象卫星中心（EUMETSAT）自2006年起已发射的两颗极轨气象业务卫星MetOp-A/B为上午轨道卫星。中国自2008年开始发射风云第3代系列极轨气象卫星 （FY-3），至今已发射了两颗试验气象卫星FY-3A/B和一颗业务气象卫星FY-3C。其中FY-3A/C为上午轨道卫星，分别于2008年5月和2013年9月发射。FY-3B为下午轨道卫星，于2010年11月发射。中国计划在2018年发射本国第一颗晨昏轨道卫星FY-3E，以实现全天候、全球范围的极轨气象卫星观测。表1列出了目前在轨运行的极轨气象卫星的名称、发射时间、红外探测仪、状态及所属机构。

第一代高分辨率红外探测仪（HIRS）搭载在1975年发射的Nimbous-6卫星上。当时的HIRS只有16个红外通道和1个可见光通道，之后搭载在NOAA-6～19卫星上的第二、三和四代HIRS （HIRS/2/3/4）有19个红外通道和1个可见光通道。表2列出了第一代HIRS与HIRS/2/3/4的通道中心波数及波段宽度。与第一代HIRS相比，HIRS/2/3/4没有1219.51cm－1附近的通道，但新增了4个红外通道，这些通道的中心波数分别为801.92、1029.87、1364.26和 2500.00cm－1。

表1　目前在轨运行的极轨气象卫星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的通道中心波数及波段宽度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年起搭载在极轨气象卫星上的红外探测仪是新式的高光谱红外探测仪。 至今已提供和正在提供全球观测资料的高光谱红外探测仪包括搭载在美国国家航空航天管理局（NASA）Aqua卫星上的大气红外探测仪（AIRS）、搭载在MetOp-A/B卫星上的红外大气探测干涉仪（IASI）以及搭载在Suomi NPP卫星上的跨轨扫描红外探测仪（CrIS）。显然，三种不同高光谱红外探测仪AIRS、IASI和CrIS比高分辨率红外探测仪（HIRS系列）的光谱分辨率高得多。AIRS在650～2700cm－1范围内有2378个通道，IASI在600～2800cm－1范围内有8461个通道。CrIS在650～2550cm－1范围内有1305个通道，分长波、中波及短波三个波段，这三个波段的观测范围分别为650～1095cm－1、1210～1750cm－1及2155～2550cm－1②。而HIRS/2/3/4在650～2700cm－1范围内只有19个通道。这三种高光谱红外探测仪具有不同的光谱分辨率。AIRS的光谱分辨率（Δν）随着通道中心波数（ν）的增加而增加，与恒定的光谱分辨系数（R）成反比[2]，即：

式中，R=1200。IASI在全波段范围内具有恒定的光谱分辨率0.25cm－1。CrIS在长波、中波及短波三个波段内分别具有恒定的光谱分辨率0.625、1.25及2.5cm－1②。利用全波段分辨率模式，CrIS在全波段范围内的光谱分辨率为0.625cm－1[3]。Strow等[4]发现由于CrIS短波波段的光谱分辨率比IASI短波波段的光谱分辨率低得多，无法在卫星升空后用IASI短波资料对CrIS短波波段进行绝对频率订正。在全波段分辨率模式下，CrIS可以提供高光谱分辨率的短波资料，实现CrIS短波波段的绝对频率订正[5]。

下面以最新高光谱红外探测仪CrIS为例，进一步讨论高光谱红外探测仪的其他主要特点。CrIS是跨轨扫描仪器，它在单条扫描线上的能视场（Field of Regard，FOR）数为30，每个能视场又由9个瞬时视场（Field of View，FOV）组成。当卫星Suomi NPP自南向北沿轨运行时，高光谱红外探测仪CrIS自西向东跨轨观测30个能视场。CrIS资料的水平分辨率主要由波束宽度决定，也与扫描角及卫星高度有关。CrIS的波束宽度为0.963°，对应星下点资料的瞬时视场直径为14km。图1展示了赤道附近一条CrIS扫描线上瞬时视场和能视场大小分布。图中瞬时视场和能视场的轨迹是根据CrIS瞬时视场中心的经纬度、仪器波束宽度及Suomi NPP卫星天顶角、方位角、高度计算得到的。计算细节见附录。由图1知，瞬时视场和能视场面积随扫描角增大而增大，即跨轨扫描仪器CrIS资料的水平分辨率在星下点处最大，随扫描角增大而减小。当扫描角较大时，CrIS能视场在跨轨方向有重叠。图2放大展示了一条CrIS扫描线上能视场1、15、30内9个瞬时视场的分布。选择的单条CrIS扫描线与图1一样。每个能视场内，瞬时视场5被称为中心瞬时视场（Center FOV），瞬时视场1、3、7、9被称为对角瞬时视场（Corner FOV），瞬时视场2、4、6、8被称为邻边瞬时视场（Side FOV）[3]。对于单条扫描线来说，对角瞬时视场和邻边瞬时视场的位置绕着中心瞬时视场自西向东逆时针旋转。由图2可见，同一能视场内的9个瞬时视场之间无重叠。

图3展示了CrIS 9个瞬时视场的跨轨直径和沿轨直径随能视场的变化。选择的单条CrIS扫描线与图1一样。值得注意的是，随着扫描角增大，9个瞬时视场跨轨视场直径比沿轨视场直径增大得更明显。在星下点处，跨轨视场直径比沿轨视场直径稍小，这是因为瞬时视场在沿轨方向经历了更大的纬向扭曲。这里，纬向扭曲指地球半径从赤道（6378.1km）到极地（6356.8km）逐渐减小，导致极轨卫星离地球表面的距离随纬度增加而增加，因而同一仪器在高纬观测的瞬时视场面积比在低纬时大。在最大扫描角处，9个瞬时视场的最小跨轨直径约为39km，而9个瞬时视场的最大沿轨直径约为25km。

与CrIS类似，HIRS和AIRS都是跨轨扫描仪器。第一代HIRS在每条扫描线上有42个瞬时视场，HIRS/2/3/4在每条扫描线上有56个瞬时视场。AIRS在每条扫描线上有90个瞬时视场。值得注意的是，每代HIRS的星下点水平分辨率都不相同。第一、二代高分辨率红外探测仪HIRS和HIRS/2的星下点水平分辨率分别为25和17.7km。第三代高分辨率红外探测仪HIRS/3在可见光和短波红外通道的星下点水平分辨率均为20.3km, 但在长波红外通道的星下点水平分辨率略有不同，为18.9km。第四代高分辨率红外探测仪HIRS/4的星下点水平分辨率为10km，比前三代HIRS仪器的星下点水平分辨率差不多高一倍。AIRS的星下点水平分辨率为13.5km。图4a—4c比较了HIRS/3长波红外通道、AIRS及CrIS在星下点附近的瞬时视场大小分布。由图可知，在扫描角相同的条件下，HIRS/3红外长波通道的瞬时视场最大，AIRS的瞬时视场最小，CrIS的瞬时视场大小居中。HIRS/3红外长波通道、AIRS和CrIS的瞬时视场大小差异主要是由这三种仪器的波束宽度差异造成的，与卫星高度差异也有关。HIRS/3红外长波通道、AIRS和CrIS的波束宽度分别为1.3、1.1和0.963°。搭载AIRS的Aqua卫星高度仅为705km，搭载CrIS的Suomi NPP卫星高度为834km。虽然AIRS的波束宽度大于CrIS的波束宽度，但由于Aqua卫星高度低于Suomi NPP卫星高度，AIRS的瞬时视场比CrIS的瞬时视场小。在星下点附近，三种仪器在跨轨和沿轨方向均无视场重叠，HIRS/3长波红外通道的瞬时视场在跨轨和沿轨方向均有较大间隙，AIRS的瞬时视场只在沿轨方向有较小间隙，CrIS的瞬时视场在跨轨和沿轨方向的间隙都较小。

在晴空条件下，忽略散射项，CrIS观测到的辐射是一段时间里，由波束宽度决定的锥形体积内，由权重函数决定的一定高度范围里的大气红外辐射总量。CrIS观测单个能视场内9个瞬时视场的时间为0.2s[3]。CrIS提供了655～2550cm－1范围内1305个通道的亮温资料，但过多的通道导致部分通道观测的红外辐射会来自相同高度范围。因此，CrIS全通道辐射资料里包含了很多重复信息。在数值天气预报中，为了减少计算量和不同通道之间的相关，满足业务资料同化和反演的需求，有必要对CrIS的1305个通道进行筛选。CrIS的通道筛选有两个大原则。一个是优先选择只对特定大气物理量敏感的通道，这样可以有效避免不同通道包含重复冗长的信息；另一个是优先选择垂直分辨率更高的通道，这样可以提高反演产品的垂直分辨率[6]。CrIS的垂直分辨率由各通道的权重函数决定。某通道的权重函数垂直分布越窄，则该通道的垂直分辨率越高。权重函数最大值所在高度的大气对该通道观测的辐射量值贡献最大[7]。不同通道的权重函数最大值分布在不同高度，这是反演大气物理量垂直廓线的基础。此外，CrIS的通道筛选也要考虑所选通道的垂直观测范围。Gambacorta等[6]根据以上原则从CrIS 1305个通道中选出了399个通道，用于数值天气预报的同化系统中。这些通道包括24个地表温度通道、87个大气温度通道、62个水汽通道、53个O3通道、27个CO通道、54个CH4通道、52个CO2通道、24个N2O通道、28个HNO3通道和24个SO2通道。图5a—5d分别展示了美国标准大气条件下利用通用辐射传输模式（CRTM）[8]计算得到的CrIS红外长波温度通道、红外短波温度通道、水汽通道和地表温度通道的权重函数垂直分布。红外长波、中波及短波通道分别由蓝、绿及红色表示。图6展示了这399个CrIS通道权重函数最大值高度分布。由图5和图6知，温度通道分布在660～750cm－1和2200～2420cm－1光谱范围内。其中红外长波温度通道（660～750cm－1）紧密排列在1000～10hPa左右的垂直范围内，可提供高垂直分辨率的大气温度垂直廓线。红外短波温度通道（2200～2420cm－1）的垂直分布与红外长波温度通道类似，但在60～10hPa左右的垂直范围内排列更紧密，可提供更多的高空大气温度信息。臭氧通道分布在990～1070cm－1光谱范围内。臭氧的强振动吸收带位于1041.67cm－1附近，90%的臭氧集中在平流层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光谱范围内。其中红外长波水汽通道（780～1210cm－1）可提供地表附近的水汽分布信息。红外中波水汽通道（1310～1750cm－1）紧密排列在800～200hPa左右的垂直范围内，可提供高垂直分辨率的大气水汽垂直廓线。地表温度通道分布在770～1095cm－1和2460～2540cm－1光谱范围内。值得注意的是，红外短波地表温度通道（2460～2540cm－1）因为有可能受反射的太阳光污染影响，目前还没有在美国国家环境预报中心（NCEP）数值天气预报系统中得到使用[9]。

飓风“桑迪”在2012年10月25日06时（世界时）左右登陆古巴④。图7a展示了该时刻NCEP再分析（FNL）资料提供的海平面气压和地表温度；图7b—7c展示了该时刻Suomi NPP降轨方向CrIS红外长波地表温度通道79的观测亮温。由图7a知，飓风“桑迪”位于暖洋面上，其中心气压低于998hPa。与微波辐射相比，红外辐射的波长较短，在云中衰减更快。如果云的光学厚度较大，CrIS通道79观测的辐射主要来自云顶，否则来自地表。由图7b知，有云区域的亮温可以低于195K，无云区域的亮温可以高于295K。飓风中心与周围环境具有明显的温差，飓风眼区的亮温可以高于260K，而周围环境的亮温可以低于200K。这反映了飓风中心为暖核，眼墙区及眼墙外有厚云的一个结构。图8a展示了CrIS 11个红外长波温度通道的权重函数垂直分布；图8b展示了同一时刻这11个通道通过飓风中心、沿着轨道方向由南向北的观测亮温垂直结构。由图8b知，在同一高度上，飓风中心温度最高；在同一纬度上，飓风中心在地表的温度最高。在地表附近，飓风中心与周围环境的温差可以高达60K。CrIS红外长波温度通道很好地捕捉到了飓风“桑迪”的水平和垂直结构。

较早的高光谱红外探测仪AIRS和IASI已经在数值天气预报同化系统中得到广泛应用。McNally等[10]设计了两个实验来研究AIRS晴空资料同化效果。第一个实验是在欧洲中尺度天气预报中心（ECMWF）四维变分系统里单独同化AIRS、AMSU-A和HIRS晴空资料，发现AIRS晴空资料对模式预报场的改进效果要好于光谱分辨率较低的AMSU-A和HIRS晴空资料；第二个实验是在ECMWF业务同化系统里增加AIRS晴空资料，发现增加AIRS晴空资料对ECMWF业务预报仍然有正效果。Guidard等[11]研究了IASI晴空和有云资料同化对数值天气预报的影响，发现IASI晴空资料对模式预报场有明显改进，而IASI有云资料对模式预报场几乎没有改进。这是因为IASI有云资料同化需要高精度的云参数，而目前还没有一种有效的方法可以得到高精度的云参数。作为最新的高光谱探测仪，CrIS在数值天气预报领域的应用还有待进一步的研究。另一方面，三种高光谱红外探测仪都已经被应用在气象产品反演和气候研究领域。AIRS与先进微波探测仪（AMSU）在2002年组成AIRS/AMSU反演产品处理系统；IASI、AMSU与微波湿度探测仪（MHS）在2008年组成IASI/ AMSU/MHS微量气体产品处理系统；CrIS与先进技术微波探测仪（ATMS）在2013年组成CrIS/ATMS处理系统。Gambacorta等[12]用NOAA卫星应用和研究中心（STAR）业务高光谱反演算法比较了AIRS/AMSU、IASI/AMSU/MHS和CrIS/ATMS三种系统反演产品的精度。该研究指出CrIS/ATMS系统可以提供与另两种系统反演产品精度接近的大气温度和水汽垂直廓线，但CrIS/ATMS系统提供的低对流层温度廓线和中对流层水汽廓线与另两种系统对应的反演产品有较大出入。此外，利用CrIS全光谱模式（全波段光谱分辨率为0.625cm－1）的CrIS/ATMS系统可以提供与另两种系统反演产品精度接近的大气CO垂直廓线。总体来讲，CrIS/ATMS处理系统基本满足了气象产品反演和气候研究的要求。只有对CrIS资料的偏差订正、质量控制、云检测和反演算法等进行一系列更深入细致的研究，才能在数值天气预报、气象产品反演和气候研究领域充分发挥CrIS提供的高光谱红外资料的作用。

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.01.004

2014年8月25日；

2014年11月10日

殷梦涛（1991—），Email：my11g@my.fsu.edu

邹晓蕾（1960—），Email：xzou@fsu.edu

资助信息：公益性行业（气象）科研专项（GYHY201406008）