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全球三维风场对于气候变化、极端天气灾害、数值天气预报、大气动力学等方面具有广泛应用价值和重大研究意义,针对大气各层风场的探测手段在不断加强和完善。大气层中对流层大气运动频繁,且密切影响人类生活,对流层风场是改进天气预报方面未能满足要求的观测要素之一,另外,对流层风场数据的准确性也是决定其能否进入数值天气预报同化模式的重要基础。当前对流层风场的主要探测手段有星载测风激光雷达单脉冲测量纬向风和气象卫星成像仪大气运动矢量反演,虽然基于以上方法获取的风场信息在区域和全球尺度上改善了数值天气预报精度,但受到矢量高度模糊分配问题影响,风场的垂直分辨率仍存在较大误差,风场高度分配问题是风场信息的主要误差来源。自红外高光谱垂直探测大气参数的概念提出,以及星载红外高光谱探测仪上天以来,利用红外高光谱仪器高精度垂直探测能力反演风场的方法逐渐成为新型风场探测手段的研究方向。本文基于我国极轨气象卫星FY3D红外高光谱探测仪载荷HIRAS辐射光谱数据,开展了对流层风场测量方法研究。针对HIRAS红外高光谱数据分别进行了辐射精度一致性评估实验,晴空大气温度、湿度廓线反演实验,水汽通道数据风场测量实验。本论文的主要研究成果如下:(1)针对HIRAS辐射光谱研究数据辐射精度一致性,采用星下点交叉方法匹配国际高精度同类仪器辐射光谱样本,包括欧洲气象业务卫星Met Op-A/B星红外大气探测干涉仪IASI和美国气象卫星Suomi NPP星跨轨红外探测仪CrIS。严格筛选经过时间、空间、观测几何匹配和满足观测目标均匀性的交叉比对样本,开发的交叉比对算法应用于业务处理。(2)针对HIRAS与同类仪器交叉比对的辐射光谱样本比较了亮温均值偏差和亮温偏差标准差,分析了偏差与观测目标的温度依赖关系,监测了偏差变化趋势。HIRAS-IASI比对样本分布于低温目标环境的极地地区,长波红外、中波红外辐射光谱一致性良好,多数通道亮温均值偏差小于0.5K,没有明显的温度依赖关系,偏差标准差小于2K。短波红外多数通道均值偏差小于1.5K,HIRAS光谱亮温整体低于IASI光谱亮温,出现较明显的温度依赖关系,当目标温度升高时,偏差标准差降低。HIRAS仪器在轨测试初期与IASI和CrIS的亮温偏差监测(2018年4月)以及HIRAS-IASI长期偏差监测(2018年4月-12月)表明偏差变化整体稳定,在低温环境下,短波通道偏差变化稍大。(3)针对HIRAS红外高光谱数据反演晴空大气温度、湿度廓线,构建一维变分反演系统,通过信息量迭代法和权重函数覆盖法选择反演通道,比较了通道数目对反演偏差的影响,进行了光谱样本的晴空像元筛选和资料质量控制,严格匹配了预报场和再分析场资料数据,计算了反演结果与真值的均方根误差、均值绝对偏差和均值偏差,分析反演结果的精度。温度廓线反演高度为1000h Pa-10h Pa,与真值比较的均方根误差为0.5K-3.5K,反演精度整体优于预报值;湿度廓线反演高度为1000h Pa-200h Pa,低层反演精度整体优于20%,高层精度整体优于预报数据,出现较大偏差位置分析原因为受到初始猜值误差影响。(4)针对HIRAS红外高光谱数据测量对流层三维风场,开发了跨平台晴空大气对流层三维风场测量算法,采用交叉匹配方法获取重访数据,根据光谱通道权重函数覆盖法分配风场高度,使用稠密光流法进行风矢量追踪,结合再分析资料定量化计算了风速均方根误差、风速均值绝对偏差和风向均值绝对偏差,比较了风场测量精度。通过FY3D/HIRAS和Suomi NPP/CrIS跨平台匹配数据进行了算法可行性实验,通过FY3D/HIRAS和NOAA-20/CrIS跨平台匹配数据在改进算法的基础上进行了风场测量实验。风场精度定量化比较结果为,风速范围的变化趋势与再分析资料表现一致,风速范围随高度降低而减小;风速均值绝对偏差多数小于3m/s,最大不超过4m/s;风速均方根误差多数小于3.5m/s,最大不超过4.5m/s;风向均值绝对偏差多数小于30°,最大不超过40°。(5)针对跨平台红外高光谱测风结果,分析了风场信息的主要误差来源包括:因不同卫星平台红外高光谱仪器参数设计不同而引入的观测误差,以及因投影过程导致空间分辨率变化而引入的定位误差。提出同平台测风体系参数论证方案,理论计算了对卫星数量、重访时间和全球覆盖观测的设计要求,分析了红外高光谱测风仪器的空间分辨率、时间分辨率与风速精度分辨率的数学关系,设计了仪器小型一体化概况结构和关键参数预期要求。