基于IASI双二氧化碳通道的一种不同高度云检测算法

李琪 邹晓蕾

摘要 利用红外高光谱探测仪（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer，IASI）在二氧化碳吸收帶的长短波红外通道对云反应程度的不同来探测云。依据不同通道的权重函数峰值高度和云不敏感层高度将IASI长短波红外通道进行配对，成功配对的长短波红外通道晴空亮温之间建立线性回归模型，即通过长波红外通道亮温可以线性回归得到配对的短波通道亮温，将短波通道的晴空回归亮温和观测亮温之差定义为云指数。权重函数峰值高度位于383 hPa的云指数空间分布和云成分为冰的空间分布较为一致，尤其在赤道和低纬度地区。权重函数峰值高度位于790 hPa的云指数空间分布和低云云顶气压也有较好的一致性。

关键词 红外高光谱探测仪;长短波红外通道;权重函数;云不敏感层;云指数

利用卫星红外探测仪来探测大气不同垂直层内的云具有一定难度，尤其对于和背景场差别较小的光学厚度比较薄的云而言。2002年5月4日美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）成功发射Aqua卫星，其上搭载了全新第一代光栅式红外高光谱探测仪AIRS（Atmospheric Infrared Sounder），共有2 378个通道（Aumann et al.，2003;Chahine et al.，2006）。第二代干涉式红外高光谱探测仪IASI搭载于欧洲上午星MetOp A/B，分别于2006年10月19日和2012年12月17日发射，共有8 461个通道（Chen et al.，2013）。2011年10月28日，美国下午星Suomi-NPP卫星成功发射，搭载了第三代红外高光谱大气探测仪CrIS（Cross-track Infrared Sounder），共有1 305个通道（Han et al.，2013）。2017年11月15日，我国FY-3D星发射成功，搭载了我国新一代红外高光谱探测仪HIRAS（High spectral Infrared Atmospheric Sounder），其性能和CrIS相当，光谱覆盖范围为3.92～15 μm，共1 343个探测通道（Menzel et al.，2018）。

随着卫星探测技术的快速发展和数据处理能力的不断提高，国内外相继开展了大量的卫星资料的同化试验研究。Collard and McNally （2009）研究表明在同化系统中额外加入IASI辐射资料，对预报质量的提高有显著的积极影响。Xu et al.，（2013） 表明同化IASI资料对太平洋和大西洋上的两个台风个例的路径、强度预报有持续的正效应。张同等（2016）研究表明IASI资料同化对温度、湿度等气象要素的调整更明显。余意等（2017）以三维变分同化系统（Weather Research Forecast-Data Assimilation，WRF-DA）为基础构建IASI同化试验平台，试验结果表明有效的云检测过程能提高IASI资料同化分析场的准确性，同化IASI资料有利于改善台风预报技巧。李刚等（2016）建立了适用于业务的IASI资料偏差订正方案。杨春等（2015）构建了WRF-EnSRF卫星资料同化系统并开展同化试验。刘健文等（2015）、张涛等（2019）研究均表明同化卫星资料能有效改善台风路径和强度预报偏差。

在数值天气预报中，卫星红外高光谱资料同化的一个重要前期步骤就是云检测（Andersson et al.，1994）。Lin and Zou（2017）首次提出利用CrIS的长波红外通道和短波红外通道来探测云。其原理是基于长短波红外通道对于云的发射散射强度的敏感度不同，将长短波通道进行匹配和结合计算出一系列云指数ICES（Cloud Emission and Scattering Index，CESI），从而捕捉大气不同垂直层内的云特征。但是该算法只是一个初步的尝试，仅使用了欧洲中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）83条能代表大气平均变化状态的廓线进行回归和计算。相比CrIS而言，IASI的光谱覆盖范围更广，垂直方向分辨率更高。因此，本文针对IASI仪器，廓线选择上考虑季节变化，使用春夏秋冬各一周晴空廓线进行回归和计算，且将匹配高度由原算法的150 hPa提高到50 hPa，得到更多的配对通道。

1 仪器参数和模式介绍

1.1 IASI仪器特征

搭载在MetOp A/B星上的IASI是一种基于迈克尔逊干涉仪且带有成像系统的傅里叶变换光谱仪，有极高的光谱分辨率。共有8 461个探测通道，光谱范围为645～2 760 cm-1（3.62～15.5 μm），光谱分辨率为0.25 cm-1。其中长波红外探测通道（Longwave infrared，LWIR）光谱范围为8.26～15.5 μm，中波红外探测通道（Midwave infrared，MWIR）光谱范围为5.0～8.26 μm，短波红外通道（Shortwave infrared，SWIR）光谱范围为3.62～5.0 μm（张磊等，2008）。IASI光谱范围涵盖CO2，CH4，SO2，N2O以及H2O等多种常见和微量气体，对大气温湿廓线和气体探测能力强。

图1展示了利用美国标准大气廓线和快速辐射传输模式（Community Radiative Transfer Model，CRTM）计算得到的8 461个通道的模拟亮温，其中红色点表示ECMWF通常用于数值预报的616个通道（Collard，2007;张建伟等，2011;Noh et al.，2017;），可以看到位于CO2吸收带的短波红外通道几乎没有被选择，出于配对目的额外增加57个短波红外通道（波长位于2 242.75～2 382.75 cm-1，间隔0.5 cm-1）用于后续长短波通道配对，这些通道用蓝色点标出。因此，本文用到的通道共有673个。