“衛星資料應用” 專題系列　極軌氣象衛星高光譜紅外探測儀簡介

殷夢濤　鄒曉蕾,（　佛羅里達州立大學地球海洋科學大氣科學系，美國；　南京信息工程大學資料同化研究與應用中心，南京 0044）

“衛星資料應用” 專題系列極軌氣象衛星高光譜紅外探測儀簡介

殷夢濤1鄒曉蕾1,2
（1佛羅里達州立大學地球海洋科學大氣科學系，美國；2南京信息工程大學資料同化研究與應用中心，南京 210044）

極軌（polar-orbiting）氣象衛星在離地球高度約800km的極地軌道上運行，每天可繞地球14圈，每繞地球一圈需100多分鐘。極軌衛星由南到北的地跡線與赤道的交點稱為降交點，由北到南的地跡線與赤道的交點稱為升交點。極軌衛星不同軌道的地跡線過赤道的經度由于地球自轉而不同，但它們經過赤道的地方時間是相同的。一顆極軌氣象衛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）衛星不同。靜止衛星觀測雖然在時間上是連續的，但觀測的空間范圍和光譜范圍有限[1]。極軌氣象衛星資料在數值天氣預報、氣候研究及氣象產品反演等領域都有重要應用價值。

搭載有紅外探測儀的極軌氣象衛星軌道分晨昏軌道、上午軌道及下午軌道三種。晨昏軌道和上午軌道指衛星的降交點時間分別在06:00和10:00左右，下午軌道指衛星的升交點時間在13:00左右①。美國自1978年起發射了美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）系列極軌環境衛星（POES）。其中NOAA-13在預定下午軌道上運行失敗，NOAA-6/8/10/12/15為晨昏軌道衛星，NOAA-17為上午軌道衛星，其余的NOAA系列極軌環境衛星包括NOAA-18/19和Suomi NPP為下午軌道衛星。歐洲氣象衛星中心（EUMETSAT）自2006年起已發射的兩顆極軌氣象業務衛星MetOp-A/B為上午軌道衛星。中國自2008年開始發射風云第3代系列極軌氣象衛星 （FY-3），至今已發射了兩顆試驗氣象衛星FY-3A/B和一顆業務氣象衛星FY-3C。其中FY-3A/C為上午軌道衛星，分別于2008年5月和2013年9月發射。FY-3B為下午軌道衛星，于2010年11月發射。中國計劃在2018年發射本國第一顆晨昏軌道衛星FY-3E，以實現全天候、全球范圍的極軌氣象衛星觀測。表1列出了目前在軌運行的極軌氣象衛星的名稱、發射時間、紅外探測儀、狀態及所屬機構。

第一代高分辨率紅外探測儀（HIRS）搭載在1975年發射的Nimbous-6衛星上。當時的HIRS只有16個紅外通道和1個可見光通道，之后搭載在NOAA-6～19衛星上的第二、三和四代HIRS （HIRS/2/3/4）有19個紅外通道和1個可見光通道。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個紅外通道，這些通道的中心波數分別為801.92、1029.87、1364.26和 2500.00cm－1。

表1　目前在軌運行的極軌氣象衛星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星上的紅外探測儀是新式的高光譜紅外探測儀。 至今已提供和正在提供全球觀測資料的高光譜紅外探測儀包括搭載在美國國家航空航天管理局（NASA）Aqua衛星上的大氣紅外探測儀（AIRS）、搭載在MetOp-A/B衛星上的紅外大氣探測干涉儀（IASI）以及搭載在Suomi NPP衛星上的跨軌掃描紅外探測儀（CrIS）。顯然，三種不同高光譜紅外探測儀AIRS、IASI和CrIS比高分辨率紅外探測儀（HIRS系列）的光譜分辨率高得多。AIRS在650～2700cm－1范圍內有2378個通道，IASI在600～2800cm－1范圍內有8461個通道。CrIS在650～2550cm－1范圍內有1305個通道，分長波、中波及短波三個波段，這三個波段的觀測范圍分別為650～1095cm－1、1210～1750cm－1及2155～2550cm－1②。而HIRS/2/3/4在650～2700cm－1范圍內只有19個通道。這三種高光譜紅外探測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（ν）的增加而增加，與恒定的光譜分辨系數（R）成反比[2]，即：

式中，R=1200。IASI在全波段范圍內具有恒定的光譜分辨率0.25cm－1。CrIS在長波、中波及短波三個波段內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在全波段范圍內的光譜分辨率為0.625cm－1[3]。Strow等[4]發現由于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，無法在衛星升空后用IASI短波資料對CrIS短波波段進行絕對頻率訂正。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，實現CrIS短波波段的絕對頻率訂正[5]。

下面以最新高光譜紅外探測儀CrIS為例，進一步討論高光譜紅外探測儀的其他主要特點。CrIS是跨軌掃描儀器，它在單條掃描線上的能視場（Field of Regard，FOR）數為30，每個能視場又由9個瞬時視場（Field of View，FOV）組成。當衛星Suomi NPP自南向北沿軌運行時，高光譜紅外探測儀CrIS自西向東跨軌觀測30個能視場。CrIS資料的水平分辨率主要由波束寬度決定，也與掃描角及衛星高度有關。CrIS的波束寬度為0.963°，對應星下點資料的瞬時視場直徑為14km。圖1展示了赤道附近一條CrIS掃描線上瞬時視場和能視場大小分布。圖中瞬時視場和能視場的軌跡是根據CrIS瞬時視場中心的經緯度、儀器波束寬度及Suomi NPP衛星天頂角、方位角、高度計算得到的。計算細節見附錄。由圖1知，瞬時視場和能視場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處最大，隨掃描角增大而減小。當掃描角較大時，CrIS能視場在跨軌方向有重疊。圖2放大展示了一條CrIS掃描線上能視場1、15、30內9個瞬時視場的分布。選擇的單條CrIS掃描線與圖1一樣。每個能視場內，瞬時視場5被稱為中心瞬時視場（Center FOV），瞬時視場1、3、7、9被稱為對角瞬時視場（Corner FOV），瞬時視場2、4、6、8被稱為鄰邊瞬時視場（Side FOV）[3]。對于單條掃描線來說，對角瞬時視場和鄰邊瞬時視場的位置繞著中心瞬時視場自西向東逆時針旋轉。由圖2可見，同一能視場內的9個瞬時視場之間無重疊。

圖3展示了CrIS 9個瞬時視場的跨軌直徑和沿軌直徑隨能視場的變化。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個瞬時視場跨軌視場直徑比沿軌視場直徑增大得更明顯。在星下點處，跨軌視場直徑比沿軌視場直徑稍小，這是因為瞬時視場在沿軌方向經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，導致極軌衛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的瞬時視場面積比在低緯時大。在最大掃描角處，9個瞬時視場的最小跨軌直徑約為39km，而9個瞬時視場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個瞬時視場，HIRS/2/3/4在每條掃描線上有56個瞬時視場。AIRS在每條掃描線上有90個瞬時視場。值得注意的是，每代HIRS的星下點水平分辨率都不相同。第一、二代高分辨率紅外探測儀HIRS和HIRS/2的星下點水平分辨率分別為25和17.7km。第三代高分辨率紅外探測儀HIRS/3在可見光和短波紅外通道的星下點水平分辨率均為20.3km, 但在長波紅外通道的星下點水平分辨率略有不同，為18.9km。第四代高分辨率紅外探測儀HIRS/4的星下點水平分辨率為10km，比前三代HIRS儀器的星下點水平分辨率差不多高一倍。AIRS的星下點水平分辨率為13.5km。圖4a—4c比較了HIRS/3長波紅外通道、AIRS及CrIS在星下點附近的瞬時視場大小分布。由圖可知，在掃描角相同的條件下，HIRS/3紅外長波通道的瞬時視場最大，AIRS的瞬時視場最小，CrIS的瞬時視場大小居中。HIRS/3紅外長波通道、AIRS和CrIS的瞬時視場大小差異主要是由這三種儀器的波束寬度差異造成的，與衛星高度差異也有關。HIRS/3紅外長波通道、AIRS和CrIS的波束寬度分別為1.3、1.1和0.963°。搭載AIRS的Aqua衛星高度僅為705km，搭載CrIS的Suomi NPP衛星高度為834km。雖然AIRS的波束寬度大于CrIS的波束寬度，但由于Aqua衛星高度低于Suomi NPP衛星高度，AIRS的瞬時視場比CrIS的瞬時視場小。在星下點附近，三種儀器在跨軌和沿軌方向均無視場重疊，HIRS/3長波紅外通道的瞬時視場在跨軌和沿軌方向均有較大間隙，AIRS的瞬時視場只在沿軌方向有較小間隙，CrIS的瞬時視場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，CrIS觀測到的輻射是一段時間里，由波束寬度決定的錐形體積內，由權重函數決定的一定高度范圍里的大氣紅外輻射總量。CrIS觀測單個能視場內9個瞬時視場的時間為0.2s[3]。CrIS提供了655～2550cm－1范圍內1305個通道的亮溫資料，但過多的通道導致部分通道觀測的紅外輻射會來自相同高度范圍。因此，CrIS全通道輻射資料里包含了很多重復信息。在數值天氣預報中，為了減少計算量和不同通道之間的相關，滿足業務資料同化和反演的需求，有必要對CrIS的1305個通道進行篩選。CrIS的通道篩選有兩個大原則。一個是優先選擇只對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冗長的信息；另一個是優先選擇垂直分辨率更高的通道，這樣可以提高反演產品的垂直分辨率[6]。CrIS的垂直分辨率由各通道的權重函數決定。某通道的權重函數垂直分布越窄，則該通道的垂直分辨率越高。權重函數最大值所在高度的大氣對該通道觀測的輻射量值貢獻最大[7]。不同通道的權重函數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。此外，CrIS的通道篩選也要考慮所選通道的垂直觀測范圍。Gambacorta等[6]根據以上原則從CrIS 1305個通道中選出了399個通道，用于數值天氣預報的同化系統中。這些通道包括24個地表溫度通道、87個大氣溫度通道、62個水汽通道、53個O3通道、27個CO通道、54個CH4通道、52個CO2通道、24個N2O通道、28個HNO3通道和24個SO2通道。圖5a—5d分別展示了美國標準大氣條件下利用通用輻射傳輸模式（CRTM）[8]計算得到的CrIS紅外長波溫度通道、紅外短波溫度通道、水汽通道和地表溫度通道的權重函數垂直分布。紅外長波、中波及短波通道分別由藍、綠及紅色表示。圖6展示了這399個CrIS通道權重函數最大值高度分布。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。其中紅外長波溫度通道（660～750cm－1）緊密排列在1000～10hPa左右的垂直范圍內，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波溫度通道類似，但在60～10hPa左右的垂直范圍內排列更緊密，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。臭氧的強振動吸收帶位于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。其中紅外長波水汽通道（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，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。值得注意的是，紅外短波地表溫度通道（2460～2540cm－1）因為有可能受反射的太陽光污染影響，目前還沒有在美國國家環境預報中心（NCEP）數值天氣預報系統中得到使用[9]。

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

較早的高光譜紅外探測儀AIRS和IASI已經在數值天氣預報同化系統中得到廣泛應用。McNally等[10]設計了兩個實驗來研究AIRS晴空資料同化效果。第一個實驗是在歐洲中尺度天氣預報中心（ECMWF）四維變分系統里單獨同化AIRS、AMSU-A和HIRS晴空資料，發現AIRS晴空資料對模式預報場的改進效果要好于光譜分辨率較低的AMSU-A和HIRS晴空資料；第二個實驗是在ECMWF業務同化系統里增加AIRS晴空資料，發現增加AIRS晴空資料對ECMWF業務預報仍然有正效果。Guidard等[11]研究了IASI晴空和有云資料同化對數值天氣預報的影響，發現IASI晴空資料對模式預報場有明顯改進，而IASI有云資料對模式預報場幾乎沒有改進。這是因為IASI有云資料同化需要高精度的云參數，而目前還沒有一種有效的方法可以得到高精度的云參數。作為最新的高光譜探測儀，CrIS在數值天氣預報領域的應用還有待進一步的研究。另一方面，三種高光譜紅外探測儀都已經被應用在氣象產品反演和氣候研究領域。AIRS與先進微波探測儀（AMSU）在2002年組成AIRS/AMSU反演產品處理系統；IASI、AMSU與微波濕度探測儀（MHS）在2008年組成IASI/ AMSU/MHS微量氣體產品處理系統；CrIS與先進技術微波探測儀（ATMS）在2013年組成CrIS/ATMS處理系統。Gambacorta等[12]用NOAA衛星應用和研究中心（STAR）業務高光譜反演算法比較了AIRS/AMSU、IASI/AMSU/MHS和CrIS/ATMS三種系統反演產品的精度。該研究指出CrIS/ATMS系統可以提供與另兩種系統反演產品精度接近的大氣溫度和水汽垂直廓線，但CrIS/ATMS系統提供的低對流層溫度廓線和中對流層水汽廓線與另兩種系統對應的反演產品有較大出入。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系統可以提供與另兩種系統反演產品精度接近的大氣CO垂直廓線。總體來講，CrIS/ATMS處理系統基本滿足了氣象產品反演和氣候研究的要求。只有對CrIS資料的偏差訂正、質量控制、云檢測和反演算法等進行一系列更深入細致的研究，才能在數值天氣預報、氣象產品反演和氣候研究領域充分發揮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

殷夢濤（1991—），Email：my11g@my.fsu.edu

鄒曉蕾（1960—），Email：xzou@fsu.edu

資助信息：公益性行業（氣象）科研專項（GYHY201406008）