1 巢湖学院电子工程学院， 安徽 合肥238000
2 安徽省气象台，安徽 合肥230031
风场对于天气形势的演变和预报至关重要。基于风云四号A星干涉式大气垂直探测仪（GIIRS）中波通道资料和ERA5风场资料，采用LightGBM进行大气三维风场反演研究。首先，构建模型特征变量。GIIRS通道最优选择采用二步特征选择法：（1）建立GIIRS通道黑名单；（2）采用置换特征重要性（Permutation Feature Importance，PFI）方法选择特征变量，在形成通道最优子集的基础上，构建含有时空信息的特征变量。其次，构建基于LightGBM的三维风场反演方法。最后，基于台风“利奇马”期间的GIIRS加密资料开展了LightGBM超参数优化和相关反演试验。结果表明，相对于ERA5风场资料，测试集中风场U和V分量的均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）分别小于1 m/s和15 m/s。本文中的二步特征选择法能够实现GIIRS通道的动态最优选择。
大气风场反演 特征选择 台风“利奇马” FY-4A/GIIRS FY-4A/GIIRS atmospheric wind field retrieval feature selection LightGBM LightGBM Typhoon “Lekima”
1 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044
3 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室/ 国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心），北京 100081
4 许健民气象卫星创新中心，北京 100081
5 中国科学院空间利用技术与工程中心，北京 100094
各种天气现象的变化都伴随着云的运动，气象卫星获取的连续卫星云图含大量的时空序列信息，即连续卫星云图具有显著的时序特征，可作为云图预测的基本信息。云图预测本质上是一种处理云图时空序列特性的视频预测问题，为了准确预测云的位置变化，针对云的不稳定、非线性运动特性，基于CrevNet视频预测模型提出SmartCrevNet云图预测算法。在该算法中设计了一种时空注意力门控循环预测单元（STA-GRU），同时在CrevNet原有的双向自编码模块中引入轻量型注意力模块（SGE），可在不增加计算量的情况下增强云图语义信息，提高特征提取能力。将该算法分别在公共数据集MovingMNIST数据集及FY-4A卫星云图数据集上进行实验，结果表明，在FY-4A卫星云图数据集和MovingMNIST数据集上，SmartCrevNet的均方误差（MSE）分别比CrevNet降低了7.3%和6.1%，结构相似性（SSIM）分别提升了7.9%和1.2%，预测效果优于CrevNet和传统的视频预测算法。
遥感 云图预测 FY-4A卫星 门控循环单元 轻量型注意力模块 激光与光电子学进展
2023, 60(24): 2401001
1 南京信息工程大学自动化学院，江苏 南京 210044
2 无锡学院物联网工程学院，江苏 无锡 214105
针对风云四号卫星图像近红外和短波红外波段空间分辨率远低于相应的可见光波段的问题，提出一种基于匹配提取和跨尺度特征融合网络的超分辨率方法，以高分辨率波段图像作为参考图像，辅助重建低分辨率的可见光与近红外波段。首先，使用匹配提取模块，利用高分辨率图像与低分辨率图像间的相似性，将高分辨率图像的细小纹理信息融合到低分辨率图像中。然后，使用跨尺度特征融合方法将仍存在亮度、颜色、结构等差异的参考图像特征图和低分辨率特征图融合。最后，结合空间-光谱总变异损失和L1损失保证重建结果的空间和光谱可信度。实验结果表明，所提方法在空间和光谱可信度方面取得了良好的结果。与Bicubic、RDN、RCAN、EDSR、Dsen2等方法相比，该方法取得了最优的质量评价指标，能有效提高风云四号卫星影像的空间分辨率。
图像处理 风云四号 超分辨率 特征匹配提取 跨尺度特征融合 激光与光电子学进展
2023, 60(14): 1410013
1 上海市生态气象和卫星遥感中心，上海 200030
2 国家卫星气象中心 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室 许健民气象卫星创新中心，北京 100081
我国风云四号A星（FY-4A）携带高光谱红外干涉式大气探测仪（Geostationary Interferometric Infrared Sounder，GIIRS）首次实现了地球静止轨道红外高光谱探测，可连续获得大气温湿度廓线信息。基于常规无线电探空资料，从产品的探测能力和精度方面对2020年FY-4A/GIIRS大气温度廓线产品开展质量评估，为产品应用和算法研究提供参考。结果表明：FY-4A/GIIRS反演大气温度廓线探测能力在高度层次和月份统计上受云活跃度影响较大；晴空条件下大气整层均方根误差约为2 K，700~1 000 hPa的大气低层较大，约2.5 K，偏差整层以负值为主；月尺度质量评估可见夏秋两季明显优于冬春季，有利于灾害性天气多发季节的监测；有云条件下单个像元的温度廓线误差显著增大，采用多像元Cressman客观分析可有效提高产品可用性；低海拔地区温度廓线产品质量整体优于高海拔地区，可极大地弥补我国东部、南部地区以及广阔的洋面上的探空资料的不足。
高光谱 质量评估 温度廓线 FY-4A/GIIRS 无线电探空 hyperspectral quality evaluation temperature profile FY-4A/GIIRS radiosonde
1 国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410000
2 中国气象局国家卫星气象中心，北京 100081
云底高度是地气系统辐射收支以及飞行安全的重要影响因素。介绍了利用FY-4A卫星的数据产品反演云底高度的方法，设计了两种云底高度反演方案：第一种方案先将云划分为卷云（Ci）、高层云（As）、高积云（Ac）、层云/层积云（St/Sc）、积云（Cu）、雨层云（Ns）、深对流云（Dc）和多层云（Multi）等8种云类型，再分别采用独立的集成学习模型反演这8类云的云底高度；第二种方案不区分云的类型，采用统一的集成学习模型反演云底高度。将CloudSat探测的云底高度作为参考值，以129515个样本对两种方案进行评估，结果表明方案一的反演模型效果更好，均方根误差（RMSE）为1304.7 m，平均绝对误差（MAE）为898.4 m，相关系数（R）为0.9214。
大气光学 云底高度反演 FY-4A 云顶高度 云光学厚度 云粒子有效半径 集成学习
1 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
多通道扫描成像辐射计（Advanced Geostationary Radiation Imager，AGRI）是风云四号A星的主要有效载荷之一。为了满足AGRI长波红外遥感数据高精度定量化应用的要求，构建了扫描镜热辐射随机械转角变化的函数模型，提出了一种可用于星上黑体和地球场景观测遥感数据的校正算法。基于FY-4A星AGRI的在轨数据，分析了模型参数对扫描镜温度的依赖性，研究评估了校正算法对长波红外定标精度的改善效果。在扫描镜温度场平稳时间段内，扫描镜热辐射校正后，B11（8.0~9.0 μm）、B12（10.3~11.3 μm）、B13（11.5~12.5 μm）波段的定标偏差分别可以得到-2.81 K~+1.06 K、-0.60 K~+0.19 K、-0.68 K~+0.24 K的显著改善。与IASI交叉定标检验结果表明，改善后的在轨定标亮度温度偏差优于0.5 K@290 K。
1 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
基于黑体的在轨辐射定标是多通道扫描成像辐射计(AGRI)红外通道采用的辐射定标方案之一,AGRI某些长波红外通道的图像经过黑体定标后仍残留部分条带噪声,这将影响图像质量。分析了AGRI基于星上黑体的辐射定标模型,提出了通道内像元间光谱响应非均匀性的概念;对像元间光谱响应非均匀性与条带噪声的关系进行了仿真分析;基于分析结果,提出了一种利用均匀场景进行相对辐射定标的方法,并使用AGRI的成像数据,验证了该方法对抑制由像元间光谱响应非均匀性导致的条带噪声的有效性。
成像系统 黑体定标 光谱响应非均匀性 条带噪声 相对辐射定标 风云四号 光学学报
2022, 42(12): 1211001
1 南京信息工程大学大气物理学院, 江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学精细化区域地球模拟和信息中心, 江苏 南京 210044
3 中国气象局人工影响天气中心, 北京 100081
4 国家卫星气象中心, 北京 100081
为了定量评估对数正态谱分布假设对水云光学厚度(COT)与有效粒子半径(Re)反演的影响,利用欧洲中期数值天气预报中心建立的RTTOV(Radiative Transfer for TIROS Operational Vertical Sounder)模式,对比模拟了基于对数正态谱和修正Gamma谱两种云滴谱分布下FY-4A/AGRI(Advanced Geosynchronous Radiation Imager)的第2、5通道液态水云的反射率,分析了这两个谱分布假设条件下水云反射率随COT以及Re的变化特征。在此基础上,建立了两种谱分布条件下的COT和Re查算表,并基于2020年夏季的一个初生对流云个例,定量分析了云滴谱分布类型对云参数反演结果的影响。结果表明,在第2通道,两个云滴谱类型假设下计算的反射率仅有0.1%~2%的差异,但在第5通道,采用修正Gamma云滴谱计算的反射率比采用对数正态云滴谱计算的反射率低10%~20%。反演结果表明,采用对数正态云滴谱反演的有效粒子半径Re比采用修正Gamma云滴谱反演的Re整体偏大,前者反演的Re集中在15~35 μm,而后者反演的Re集中在10~30 μm。采用两种云滴谱反演的COT的空间一致性良好,相差-2%~5%。
遥感 云滴谱 RTTOV FY-4A 云光学厚度 有效粒子半径
1 上海大学 通信与信息工程学院，上海 200444
2 中原工学院 理学院，河南 郑州 450007
3 上海市气象局，上海 200030
红外高光谱大气垂直探测仪数据的垂直空间特性由探测仪光谱性能指标间接决定，并与所关注的大气参数及其变化有并。本文在剔除大气参数探测信噪比过低的无效通道的基础上，针对 FY-4A卫星红外高光谱大气垂直探测仪GIIRS数据对水汽和臭氧变化响应的峰值高度、高度分辨率、垂直不对称性及垂直覆盖范围进行了评估，并与大气温度探测的垂直空间特性评估结果进行对比分析。结果表明： 1）和大气温度一样，FY-4A GIIRS 对大气水汽具有垂直分布探测能力，水汽探测垂直覆盖12 km以下对流层（探测峰值高度在11 km以下），而大气温度探测覆盖整个对流层和平流层中下层； 2）FY-4A GIIRS 对臭氧具有10～21km高度范围臭氧总量探测能力，探测峰值高度集中在16.4 km附近。本研究有助于从探测垂直空间特性角度把握FY-4A GIIRS 红外高光谱数据应用能力。
垂直空间特性 红外高光谱 FY-4A GIIRS 水汽 臭氧 vertical space characteristics infrared hyper-spectral FY-4A GIIRS water vapor ozone
1 中国科学院上海技术物理研究所红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
2 国家卫星气象中心，北京 100081
3 中国科学院大学，北京 100049
云污染容易造成星基红外高光谱观测精度下降，导致大量观测信息损失。针对有云情况下的干涉式大气垂直探测仪（FY-4A/GIIRS）的观测数据，提出一种云上温度廓线反演方法。利用辐射传输模型分别开展晴空和有云情况下的观测亮温模拟实验，统计分析不同通道的模拟亮温变化特征，根据云顶气压确定通道优选方案，通过神经网络算法实现云上的温度廓线反演，温度廓线反演的精度评估采用ERA5再分析数据作为参照标准。实验结果表明均方根误差（RMSE）整体优于1.5 K，反演的温度廓线具有较高的精度，有效地提高了FY-4A/GIIRS在云污染情况下的观测资料使用率。
大气光学 风云四号气象卫星 干涉式大气垂直探测仪 云污染 温度廓线 大气遥感 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1701002
