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空间研究进展62（2018）245-264

用早期测深仪评估再分析质量Nimbus-4 IRIS（1970）和Nimbus-6 HIRS（1975）

Paul Polia，Pascal Brunelb

^{法国气象局，海洋气象中心，海军水文和海洋服务现场（SHOM），13 rue du Chatellier，}

29200法国布雷斯特

^{b Meteo-France，洛林大道空间气象中心，邮政信箱50747,22307 Lannion Cedex，France}

2018年1月31日收到;收到修订后的表格2018年4月17日; 2018年4月18日接受2018年4月28日在线提供

摘要

本文重新审视了早期发声者Nimbus-4 IRIS（1970）和Nimbus-6 HIRS（1975）在NASA GES DISC恢复老化磁带后收集的数据。建议采用新的质量控制措施，根据仪器健康状况数据记录和其他数据检查，筛选出错误或可疑的任务数据。推导出辐射传输系数，用于快速计算晴空辐射传输模拟。来自ERA-40和ERA-20C再分析的大气分布图用于输入。使用最接近的时间估计，将这些时空完整的数据集内插到每个探测位置。针对当前高光谱探测器的现代云检测方法应用于IRIS，并产生符合当前云气候学知识的云覆盖图。对于清晰的场景，IRIS观测和ERA-20C模拟之间的亮度温差的标准偏差对于15 pm CO2带的低峰值温度通道约为1K，对于ERA-40的模拟低于1K。 IRIS和HIRS仪器数据记录被投射在一个共同的子空间中，以减轻不同视场分辨率和光谱分辨率的问题。代理云检测方案在两个数据记录中以相同方式筛选出云。考虑到两个任务共同的8月份，对观察偏离的详细分析表明，ERA-40遭受了虚假的攻击半球升温，可能是由于20世纪70年代观测输入的变化引起的，包括ERA-40辐射同化偏差校正中的已知误差。通过考虑气候模型整合证实了这一结果，表明有可能利用早期的测深仪数据记录从重新分析中获得详细的洞察力，例如尝试在重新分析中单独确定随机和系统误差，即使在很少其他独立观察时也是如此。数据可用。

copy;2018 COSPAR。由Elsevier Ltd.出版。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.Org/licenses/by/4.0/）。

关键词：卫星数据救援;大气的声音;气候再分析;云检测;红外辐射传输

1. 介绍

在1957年发射第一颗人造卫星六十年后，本文重新审视了收集大气遥感声音的第一批记录的两个任务。两者均由美国国家航空公司发起

*通讯作者。

电子邮件地址：paul.poli@shom.fr(P.Poli），pascal.brunel @ meto.fr（P。Brunel）。

和太空管理局（NASA），这两个任务是Nimbus-4卫星上的红外干涉仪光谱仪（IRIS）（Hanel等，1970a）和Nimbus-6卫星上的高分辨率红外探测仪（HIRS）（Smith等） al。，1975）。它们分别是前所未有的最高分辨率红外干涉仪（运行时间长达10个月），也是第一款用于温度和湿度的多光谱红外测深仪，具有跨轨道扫描和覆盖多个区域红外光谱。

https://doi.org/10.1016/j.asr.2018.04.022 0273-1177 /copy;2018 COSPAR。由Elsevier Ltd.出版

这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。

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P. Poli，P。Brunei / Advances in Space Research 62（2018）245-264

IRIS仪器是其他旨在进行太阳系探测的仪器的前身。进一步的IRIS仪器飞越Mariner 9（Hanel等，1973），以及Voyager-1和Voyager-2（Hanel等，1980），两艘飞船继续离开太阳系（Jokipii，2008） ）。 IRIS和HIRS仪器也被证明是旨在观测地球大气层的任务的先驱。实际上，几年前，在第一次IRIS和HIRS之前，（1968）的突破性工作提出了一种精确的数学方法来反演辐射传输方程以发出地球大气层。该应用程序在20世纪60年代后期引起了人们的兴趣，1970年，空间研究委员会（COSPAR）第13次全体会议已经召开了专题讨论会（例如，Hays等，1971; Conrath等，1971） ）。在完成这两项任务之后，基于相同的原则（例如，Edwards等，2006），更多的任务得以实现，提供改进的探测能力，包括增强的扫描模式（覆盖更宽的扫描），更高的水平和光谱分辨率，改进的校准，提高了探测器的精度（降低了仪器噪音或更高的精度）。这些追随者通常保留了初始测量概念，并且今天人们对探测原理有了更好的理解。

通过更准确和更精确的数据以及更好的特征化仪器，通过诸如TIROS操作垂直探测器（RTTOV;）的辐射传输等模型来模拟这些开发，从而实现了这些发展。这种增强的理解为数据处理和利用的新技术开辟了道路，例如辐射数据同化（例如，Andersson等，1994）。在这些与红外探测相关的进步中，尤其是用于检测可能支配红外信号的云的改进技术（例如，等人，2004）。好奇心建议尝试将这些新方法用于初始任务，并评估是否可以使用当前先进方法从旧数据中获得新的洞察力，这在早期任务时是不可用的。

然而，这个看似简单的概念并不简单，因为现在有一个卫星数据质量的更多文档，包括仪器发射前和发射后校准;一个也得到许多其他辅助数据集的辅助，这些辅助数据集可以帮助表征给定的大气场景或背景（表面状态），从而更好地通知先验卫星数据质量控制。此外，气氛可能会以一种可能无法完全理解的微妙方式发生变化。例如，红外探测中存在表面发射率，气溶胶和甲烷的依赖性（例如，Prabhakara等，1974），但我们对这些变量的过去知识太过不足以使用除了近平稳性以外的任何其他因素。或全球趋势。这种模糊的过去以及任务专家的退休，部分解释了为什么历史卫星数据集逐渐受到越来越少的关注

数据集已经出现，提供了相同场景的更多（具有多个并置仪器）视图，减少了误差（提高了精度，校准，分辨率）。

然而，在过去的十年中，人们试图准确地再现上个世纪的天气和气候变化（例如）。重新分析将观测结果与大气模拟的最新进展相结合（例如，Dee等，2014）。它们代表了重新考虑这些早期数据记录的机会和推动力：一个机会，因为它们提供辅助数据以更好地理解当时收集的卫星数据，并且推动它们的利用最终有助于改进或更好地确定再分析记录的资格。此外，在再分析背景之外，这些古老的数据还可以帮助解决气候变化监测问题（例如），因为它们提供了四十多年前收集的高分辨率信息。还提高了人们的认识，即这些过去的任务，需要时通过卫星数据救援获取，提供有意义的信息，以促进我们的理解（Poli等，2017）。本文试图回答以下两个问题：可以获得关于早期任务IRIS和HIRS数据的新见解，以及通过与这些早期测深仪的数据进行比较，可以了解重新分析的质量。

该论文的大纲如下。第2节介绍了研究中使用的数据，章节介绍了方法，第4节介绍了与IRIS的比较结果，章节讨论了通过比较重新分析与IRIS和HIRS仪器数据记录在共同子空间中获得的结果。第一节给出了未来工作的结论和观点。

2.数据

1. Nimbus-4 IRIS

本研究中考虑的两个卫星任务如表1所示.Nimbus-4卫星最初在发射前命名为Nimbus-D;它后来被指定为COSPAR指定1970-025A。它携带IRIS仪器，该仪器使用由此提出的测量概念和之后建立的傅里叶变换光谱（例如），例如镜面位移和光谱分辨率（例如，1958）之间的关系设计。迈克尔逊干涉仪傅里叶变换光谱仪在20世纪60年代首次在气球传播的吊船上飞行（例如）。 1966年，一个气球携带了第一版IRIS仪器（IRIS-A; Bartman，1967），后来演变并被带到太空。由德州仪器公司在达拉斯（德克萨斯州，美国）建造的，在Nimbus-3上飞行的IRIS-B飞行模型（Hanel等，1970b）覆盖了400-2000 cm-1（波长为5-25 pm）的光谱范围。标称光谱分辨率为5 cm-1变迹（2.5 cm-1无凹陷）。然而，

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表格1

在本研究中考虑的早期卫星探测器任务的特征。

仅在运行3个月后仪器就失效了。在Nimbus-4卫星上飞行的IRIS-D模型覆盖了类似的光谱范围（波数400-1600 cm-1，或波长6.25-25 qm），但具有更高的标称光谱分辨率（2.8 cm-1切趾或1.4 cm-1）未经处理的，对应于862个通道），更高的水平分辨率（约94公里而不是145公里），提高了辐射测量精度，并增强了对外部振动的免疫力（Hanel等，1970a，1970b）。 IRIS仪器没有交叉扫描，但只有最低点。

本研究中使用的Nimbus-4 IRIS数据可从NASA戈达德地球科学数据和信息服务中心（GES DISC）免费获得。表2显示了1970年4月至1971年1月期间每月收集的光谱数量.a显示了该任务在其持续时间内所实现的空间覆盖范围。南大西洋异常周围可见一些空隙;今天的卫星带有改进的辐射屏蔽，可以防止电磁辐射。当卫星上的并行数据采集可能受到限制时，澳大利亚费尔班克斯，阿拉斯加和Orroral之上的大数据缺口可能与向这些地面站的相应轨道数据传输成比例。由于卫星轨道倾斜和没有跨轨道扫描，IRIS覆盖的区域在两个半球中延伸到大约80°的纬度。

在计划IRIS时，目标不包括为业务数值天气预报提供常规观测。数据量太大，太详细，更适合研究和气象研究，以更好地了解大气辐射和光谱细节，而不是应用

表2

从NASA GES DISC获取的数据记录中的Nimbus-4 IRIS光谱数（或每个IRIS通道的测量数）。