李琪 鄒曉蕾

摘要 利用紅外高光譜探測儀（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer，IASI）在二氧化碳吸收帶的長短波紅外通道對云反應(yīng)程度的不同來探測云。依據(jù)不同通道的權(quán)重函數(shù)峰值高度和云不敏感層高度將IASI長短波紅外通道進(jìn)行配對，成功配對的長短波紅外通道晴空亮溫之間建立線性回歸模型，即通過長波紅外通道亮溫可以線性回歸得到配對的短波通道亮溫，將短波通道的晴空回歸亮溫和觀測亮溫之差定義為云指數(shù)。權(quán)重函數(shù)峰值高度位于383 hPa的云指數(shù)空間分布和云成分為冰的空間分布較為一致，尤其在赤道和低緯度地區(qū)。權(quán)重函數(shù)峰值高度位于790 hPa的云指數(shù)空間分布和低云云頂氣壓也有較好的一致性。

關(guān)鍵詞 紅外高光譜探測儀;長短波紅外通道;權(quán)重函數(shù);云不敏感層;云指數(shù)

利用衛(wèi)星紅外探測儀來探測大氣不同垂直層內(nèi)的云具有一定難度，尤其對于和背景場差別較小的光學(xué)厚度比較薄的云而言。2002年5月4日美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）成功發(fā)射Aqua衛(wèi)星，其上搭載了全新第一代光柵式紅外高光譜探測儀AIRS（Atmospheric Infrared Sounder），共有2 378個(gè)通道（Aumann et al.，2003;Chahine et al.，2006）。第二代干涉式紅外高光譜探測儀IASI搭載于歐洲上午星MetOp A/B，分別于2006年10月19日和2012年12月17日發(fā)射，共有8 461個(gè)通道（Chen et al.，2013）。2011年10月28日，美國下午星Suomi-NPP衛(wèi)星成功發(fā)射，搭載了第三代紅外高光譜大氣探測儀CrIS（Cross-track Infrared Sounder），共有1 305個(gè)通道（Han et al.，2013）。2017年11月15日，我國FY-3D星發(fā)射成功，搭載了我國新一代紅外高光譜探測儀HIRAS（High spectral Infrared Atmospheric Sounder），其性能和CrIS相當(dāng)，光譜覆蓋范圍為3.92～15 μm，共1 343個(gè)探測通道（Menzel et al.，2018）。

隨著衛(wèi)星探測技術(shù)的快速發(fā)展和數(shù)據(jù)處理能力的不斷提高，國內(nèi)外相繼開展了大量的衛(wèi)星資料的同化試驗(yàn)研究。Collard and McNally （2009）研究表明在同化系統(tǒng)中額外加入IASI輻射資料，對預(yù)報(bào)質(zhì)量的提高有顯著的積極影響。Xu et al.，（2013） 表明同化IASI資料對太平洋和大西洋上的兩個(gè)臺風(fēng)個(gè)例的路徑、強(qiáng)度預(yù)報(bào)有持續(xù)的正效應(yīng)。張同等（2016）研究表明IASI資料同化對溫度、濕度等氣象要素的調(diào)整更明顯。余意等（2017）以三維變分同化系統(tǒng)（Weather Research Forecast-Data Assimilation，WRF-DA）為基礎(chǔ)構(gòu)建IASI同化試驗(yàn)平臺，試驗(yàn)結(jié)果表明有效的云檢測過程能提高IASI資料同化分析場的準(zhǔn)確性，同化IASI資料有利于改善臺風(fēng)預(yù)報(bào)技巧。李剛等（2016）建立了適用于業(yè)務(wù)的IASI資料偏差訂正方案。楊春等（2015）構(gòu)建了WRF-EnSRF衛(wèi)星資料同化系統(tǒng)并開展同化試驗(yàn)。劉健文等（2015）、張濤等（2019）研究均表明同化衛(wèi)星資料能有效改善臺風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)偏差。

在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中，衛(wèi)星紅外高光譜資料同化的一個(gè)重要前期步驟就是云檢測（Andersson et al.，1994）。Lin and Zou（2017）首次提出利用CrIS的長波紅外通道和短波紅外通道來探測云。其原理是基于長短波紅外通道對于云的發(fā)射散射強(qiáng)度的敏感度不同，將長短波通道進(jìn)行匹配和結(jié)合計(jì)算出一系列云指數(shù)ICES（Cloud Emission and Scattering Index，CESI），從而捕捉大氣不同垂直層內(nèi)的云特征。但是該算法只是一個(gè)初步的嘗試，僅使用了歐洲中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）83條能代表大氣平均變化狀態(tài)的廓線進(jìn)行回歸和計(jì)算。相比CrIS而言，IASI的光譜覆蓋范圍更廣，垂直方向分辨率更高。因此，本文針對IASI儀器，廓線選擇上考慮季節(jié)變化，使用春夏秋冬各一周晴空廓線進(jìn)行回歸和計(jì)算，且將匹配高度由原算法的150 hPa提高到50 hPa，得到更多的配對通道。

1 儀器參數(shù)和模式介紹

1.1 IASI儀器特征

搭載在MetOp A/B星上的IASI是一種基于邁克爾遜干涉儀且?guī)в谐上裣到y(tǒng)的傅里葉變換光譜儀，有極高的光譜分辨率。共有8 461個(gè)探測通道，光譜范圍為645～2 760 cm-1（3.62～15.5 μm），光譜分辨率為0.25 cm-1。其中長波紅外探測通道（Longwave infrared，LWIR）光譜范圍為8.26～15.5 μm，中波紅外探測通道（Midwave infrared，MWIR）光譜范圍為5.0～8.26 μm，短波紅外通道（Shortwave infrared，SWIR）光譜范圍為3.62～5.0 μm（張磊等，2008）。IASI光譜范圍涵蓋CO2，CH4，SO2，N2O以及H2O等多種常見和微量氣體，對大氣溫濕廓線和氣體探測能力強(qiáng)。

圖1展示了利用美國標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線和快速輻射傳輸模式（Community Radiative Transfer Model，CRTM）計(jì)算得到的8 461個(gè)通道的模擬亮溫，其中紅色點(diǎn)表示ECMWF通常用于數(shù)值預(yù)報(bào)的616個(gè)通道（Collard，2007;張建偉等，2011;Noh et al.，2017;），可以看到位于CO2吸收帶的短波紅外通道幾乎沒有被選擇，出于配對目的額外增加57個(gè)短波紅外通道（波長位于2 242.75～2 382.75 cm-1，間隔0.5 cm-1）用于后續(xù)長短波通道配對，這些通道用藍(lán)色點(diǎn)標(biāo)出。因此，本文用到的通道共有673個(gè)。