【摘 要】
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红外高光谱大气探测仪具有光谱分辨率高、灵敏度高和光谱辐射定标精度高等特点,其显著优势在大气廓线反演、气候变化研究、数值天气预报同化以及大气痕量气体探测等方面得到广泛应用。以往的卫星红外高光谱资料均来自于极轨卫星,时间分辨率较低,中国最新一代静止气象卫星FY-4A在世界上首次搭载了红外高光谱大气探测仪（GIIRS）,实现了对大气高时间分辨率和高光谱分辨率的观测。分析卫星红外高光谱大气探测仪信号对不同
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红外高光谱大气探测仪具有光谱分辨率高、灵敏度高和光谱辐射定标精度高等特点,其显著优势在大气廓线反演、气候变化研究、数值天气预报同化以及大气痕量气体探测等方面得到广泛应用。以往的卫星红外高光谱资料均来自于极轨卫星,时间分辨率较低,中国最新一代静止气象卫星FY-4A在世界上首次搭载了红外高光谱大气探测仪（GIIRS）,实现了对大气高时间分辨率和高光谱分辨率的观测。分析卫星红外高光谱大气探测仪信号对不同大气参数的灵敏度和信噪比对于有效利用探测资料有着重要意义。灵敏度和信噪比是重要的遥感器辐射性能指标,本文将红外高光谱大气探测仪仪器灵敏度和信噪比概念拓展。定义了面向探测仪在轨应用时的探测仪仪器灵敏度、大气参数灵敏度和地表温度误差灵敏度,探测仪仪器信噪比、大气目标信噪比及大气探测综合信噪比等物理量,给出了相应的计算模型和相互关系,并将之应用于FY-4A GIIRS在轨探测灵敏度和信噪比评估,并分析物理原因。本研究的主要结论如下:（1）给出了探测仪仪器灵敏度不同表达方式的转换关系。根据红外大气辐射传输方程,定义了大气灵敏度和地表温度误差灵敏度,建立了相应的计算模型、以及大气单参数灵敏度和多参数综合灵敏度以及大气参数总灵敏度的相互关系。（2）将上述定义和计算模型应用于FY-4A卫星红外高光谱大气探测仪GIIRS探测灵敏度评估。结果表明:在FY-4A GIIRS探测光谱范围内,探测仪仪器灵敏度在0.03521K～0.5448K范围内变化;大气水汽和臭氧灵敏度总体在几K水平,其中,臭氧灵敏通道范围限于9.6μm等几个很窄的吸收带,而水汽具有很宽的敏感通道范围;CO2、N2O的灵敏度均在0.1K以下,CH4的灵敏度更低;大气温度具有很宽的敏感通道范围,其灵敏度总体水平高于水汽和臭氧;地表温度误差灵敏度随通道变化特征与大气温度相反,总体在零点几K水平;大气参数综合灵敏度是各参数灵敏度的综合体现,量值大小和随通道变化倾向于其中灵敏度值大的大气参数。（3）对各大气参数灵敏度和地表温度误差灵敏度评估结果进行了物理机制分析。分析表明:大气吸收气体灵敏度与其自身吸收的强弱呈正相关,与其它吸收气体吸收的强弱呈负相关;大气温度灵敏度与各吸收气体吸收的强弱呈正相关,地表温度误差灵敏度与各吸收气体吸收的强弱呈负相关;CO2、N2O和CH4灵敏度远低于其它大气参数,是由于大气中它们的含量都很稳定。（4）定义了在轨应用探测仪仪器信噪比、大气目标信噪比和大气探测综合信噪比,建立了各自的计算模型和相互关系。（5）将信噪比定义和计算模型应用于FY-4A GIIRS探测信噪比评估。结果表明:探测仪仪器信噪比在整个GIIRS通道范围内随波数的增加整体上呈减小趋势;在大气目标信噪比中,所选大气温度通道最多,探测通道选取的优先波段范围顺次是700～800cm-1、1650～1800 cm-1和2000～2200 cm-1波段,而水汽和臭氧由于大气目标信噪比整体不高,不适合单独作为探测参数,需要联合大气温度,共同作为探测目标参数,即可以将温度+水汽作为探测目标参数,或者将温度+水汽+臭氧分别作为探测目标参数。优势通道以1650～2000cm-1波段为最多,其次是700～800 cm-1和2000～2200 cm-1波段。从大气探测综合信噪比角度,由于探测仪仪器（噪声）灵敏度影响的叠加,使其在数值上小于大气目标信噪比,但两者的变化趋势基本趋于一致。而且在不同信噪比范围内所选通道的结论与大气目标信噪比相似。本文研究对于评估卫星红外高光谱大气探测仪在轨应用性能具有重要价值,可为红外高光谱大气探测仪应用通道优选提供支撑,对于其它类型大气探测仪在轨应用性能评估也有参考作用。
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