一種針對airs超光譜衛星數據的甲烷廓線正交反演方法
【專利摘要】本發明公開了一種針對AIRS超光譜衛星數據的甲烷廓線正交反演方法，具體為：利用AIRS超光譜衛星的二級標準產品獲得不同區域、不同季節條件下的大氣成分廓線數據；建立一組包含大量觀測結果的能代表不同區域、不同季節條件下的大氣成分廓線數據集；利用輻射傳輸方程對每一條廓線都模擬出目標通道上的大氣層頂出射輻射亮度值，并加上儀器的觀測噪聲以獲得模擬的衛星傳感器觀測輻射亮度值；根據模擬輻射亮度值對溫度以及大氣成分的敏感性分析選擇反演通道；對訓練樣本集進行經驗正交函數展開，計算經驗正交函數回歸系數；獲取AIRS超光譜衛星數據的晴空訂正輻亮度標準產品，利用求得的回歸系數進行反演。
【專利說明】一種針對AIRS超光譜衛星數據的甲烷廓線正交反演方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及衛星遙感領域大氣成分反演【技術領域】，涉及一種針對AIRS超光譜衛星數據甲烷廓線反演方法，尤其涉及一種基于經驗正交函數回歸方法的AIRS超光譜衛星數據甲烷廓線快速反演方法。
【背景技術】
[0002]甲烷是一種重要的溫室氣體，其單位質量的溫室效應要比CO2大20倍。到目前為止，溫室效應增強中甲烷所起的 作用約占20%，僅次于C02。人類排放的甲烷的輻射強迫是
0.48W/m2，大概是C02(1.66W/m2)的三分之一。甲烷在大氣對流層和平流程的化學過程中也起到了重要作用，例如甲烷與對流層中的OH自由基形成甲醛(CH2O), —氧化碳(CO)和臭氧(O 3),從而影響大氣的氧化能力和對流層的臭氧濃度。大氣中甲烷濃度自工業革命以來增加了 2.5倍，尤其是近年從永久凍土釋放的甲烷逐漸增多，國際上對大氣CH4含量的變化尤其關注，紛紛采用各種辦法測量CH4的含量變化。但是由于CH4的排放存在很大的時空差異，觀測又十分的有限，因此全球CH4排放的定量化依舊存在很大的不確定性。利用遙感監測大氣成分具有快速、經濟、可重復地獲取宏觀尺度上大氣痕量氣體信息優勢。
[0003]目前的甲烷廓線反演技術主要有經驗算法和物理反演算法兩大類。經驗算法多采用神經網絡算法進行反演，由于云對熱紅外出射輻射的影響非常復雜，因此神經網絡只能用于晴空條件下的反演。物理反演算法是在最優化估計的基礎上展開的，不直接比較計算輻射與觀測輻射之間的差別，而是在背景場和觀測場之間取得一種折衷，用先驗條件把解約束在一定范圍內，然后用牛頓迭代逐步逼近真解的最大似然估計。大氣反演問題最優估計方法的一般求解公式為:
[0004]X=Xa+ (KtSJ1K+ Y Sa-1) ^1KtS6-1 Δ Y,
[0005]式中，Xa為初始廓線，K為觀測輻亮度對大氣參數變化的一階導數，也就是雅各比矩陣(Jacobian)，Sa為初始廓線誤差的協方差矩陣，Se為觀測、模型誤差的協方差矩陣，Λ Y為觀測輻亮度與計算輻亮度的差值。在物理反演算法中，有兩個非常難處理的問題:首先，初始廓線Xa不能過度偏離真實情況，否則不能得到收斂的結果；其次先驗誤差協方差矩陣Sa需要在統計意義上最能代表待反演參數的真實狀態，否則難以約束最終的解在合理的范圍內。而且對于物理反演算法，每次迭代都需要對甲烷求解雅各比矩陣K，計算量非常大。
[0006]為了減少先驗誤差協方差矩陣Sa估算不準所引入的甲烷反演誤差，在最優化算法的基礎上發展了奇異值分解算法，將Y S^1項忽略，并且將KtSJ1K項進行奇異值分解SVD(Singular value decomposition),對于對角陣中小于一定閾值的特征值進行重新賦值，使得KtSJ1K的逆矩陣更加穩定。此算法雖然使得反演的結果最大限度地減少對于初始背景場和初始背景誤差的依賴，但是在AIRS對大氣甲烷變化不敏感的對流層底層和平流層以上進行了嚴格的約束，反演結果依賴于初始廓線。
【發明內容】
[0007]針對現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種可以穩定地、快速方便地針對AIRS超光譜衛星數據的甲烷廓線正交反演方法。
[0008]為實現上述目的，本發明一種針對AIRS超光譜衛星數據的甲烷廓線正交反演方法，具體為:
[0009]I)利用AIRS超光譜衛星的二級標準產品獲得不同區域、不同季節條件下的大氣成分廓線數據；
[0010]2)建立一組包含大量觀測結果的能代表不同區域、不同季節條件下的大氣成分廓線數據集；
[0011]3)利用輻射傳輸方程對每一條廓線都模擬出目標通道上的大氣層頂出射輻射亮度值，并加上儀器的觀測噪聲以獲得模擬的衛星傳感器觀測輻射亮度值；
[0012]4)根據模擬輻射亮度值對溫度以及大氣成分的敏感性分析選擇反演通道；
[0013]5)對訓練樣本集進行經驗正交函數展開，計算經驗正交函數回歸系數；
[0014]6)獲取AIRS超光譜衛星數據的晴空訂正輻亮度標準產品，利用求得的回歸系數進行反演。
[0015]進一步，所述步驟2)具體為:
[0016]A)收集一組代表不同區域、不同季節的大氣廓線，每一條大氣廓線均包含大氣狀態參量及地表狀態參量；每一條大氣廓線包含了大氣狀態參量以及地表狀態參量，例如大氣狀態參量:溫度、水汽含量、CO2, 03、CO、N2O, CH4廓線；，例如地表狀態參量:地表溫度、地表水汽含量、 地表壓強、地表海拔高度、地表比發射率；
[0017]B)所有的大氣成分廓線樣本都按照AIRS的標準垂直氣壓層處理為101層，并統一單位:
【權利要求】
1.一種針對AIRS超光譜衛星數據的甲烷廓線正交反演方法，其特征在于，該方法具體為: 1)利用AIRS超光譜衛星的二級標準產品獲得不同區域、不同季節條件下的大氣成分廓線數據； 2)建立一組包含大量觀測結果的能代表不同區域、不同季節條件下的大氣成分廓線數據集； 3)利用輻射傳輸方程對每一條廓線都模擬出目標通道上的大氣層頂出射輻射亮度值，并加上儀器的觀測噪聲以獲得模擬的衛星傳感器觀測輻射亮度值； 4)根據模擬輻射亮度值對溫度以及大氣成分的敏感性分析選擇反演通道； 5)對訓練樣本集進行經驗正交函數展開，計算經驗正交函數回歸系數； 6)獲取AIRS超光譜衛星數據的晴空訂正輻亮度標準產品，利用求得的回歸系數進行反演。
2.如權利要求1所述的針對AIRS超光譜衛星數據的甲烷廓線正交反演方法，其特征在于，所述步驟2)具體為: A)收集一組代表不同區域、不同季節的大氣廓線，每一條大氣廓線均包含大氣狀態參量及地表狀態參量；每一條大氣廓線包含了大氣狀態參量以及地表狀態參量，大氣狀態參量包括:溫度、水汽含量、CO2, O3> CO、N2O, CH4廓線；，地表狀態參量包括:地表溫度、地表水汽含量、地表壓強、地表海拔高度、地表比發射率； B)所有的大氣成分廓線樣本都按照AIRS的標準垂直氣壓層處理為101層，并統一單位:
3.如權利要求1所述的針對AIRS超光譜衛星數據的甲烷廓線正交反演方法，其特征在于，所述步驟3)具體為: C)利用RTT0V11.1計算所有通道上的大氣層頂出射輻射亮度值，記為Rtl ； D)對于每一個通道上的模擬出射輻射亮度值加上以儀器觀測噪聲為上限的隨機噪聲，作為模擬的衛星傳感器觀測輻射亮度值R。
4.如權利要求1所述的針對AIRS超光譜衛星數據的甲烷廓線正交反演方法，其特征在于，所述步驟4)具體為: E)對于大氣廓線數據集中的每一條廓線，將CH4濃度增加10%，重新利用RTT0V11.1計算所有通道上的大氣頂出射輻射亮度值，記為Rqi4,計算對應的大氣頂出射輻射亮度值差值的平均值
5.如權利要求1所述的針對AIRS超光譜衛星數據的甲烷廓線正交反演方法，其特征在于，所述步驟5)具體為: G)分別計算甲烷廓線樣本集和模擬出射輻射亮度的協方差矩陣， Ccov = AC(AC)Vn (2)， Rcov = AR(AR)Vn (3)， 其中C_[1X1]是一氧化碳廓線樣本集的協方差矩陣，Λ(:[1Χη]是廓線與廓線樣本集均值的偏差矩陣；類似地，Rcov[mXm]為模擬AIRS觀測輻亮度的協方差矩陣，AR[mXn]為模擬觀測輻射值與樣本集均值的偏差矩陣；上標T表示矩陣轉置； H)將Ccot和Rcot分別進行經驗正交化展開: Ccov= gamma Λ gammaτ (4)，
Rc0V = gamma r A r gamma rT (5)， 其中gamma [1X1]為廓線樣本集的經驗正交函數集，每個EOF按照其在總方差中占的比重按列來排列，值最大的排在最前，Λ是由協方差矩陣的特征值組成的I維對角矩陣；同樣，rr[mXm]為模擬觀測輻亮度樣本集的經驗正交函數集，為協方差矩陣的特征值組成的m維對角矩陣； I)對于大氣廓線樣本集和模擬出射輻射亮度，分別選擇前50和40個特征向量，進行經驗正交展開: AC = T1^50XA (6)， AR=rrl_40XB (7)； J)分別計算Λ C和Λ R的EOF得分A和B: A=T1^50tX AC (8)，
6.如權利要求1所述的針對AIRS超光譜衛星數據的甲烷廓線正交反演方法，其特征在于，所述步驟6)具體為: M)逐象元讀入AIRS晴空訂正輻亮度產品，讀取每個象元每個波段的質量標簽radiances_QC和福射亮度值radiances,然后進行晴空訂正質量判斷；根據步驟F)選出的通道，檢查每一個通道的晴空訂正質量；如果反演通道有一半以上的晴空訂正質量為差(radiances_QC=2),則不進行反演；如果進行反演，但是部分反演通道的晴空訂正質量為差，則將該通道晴空訂正輻亮度設為樣本均值f; N)逐象元讀入太陽天頂角和觀測天頂角，在步驟L)中找到對應的系數矩陣； O)逐象元利用步驟M)讀入的晴空訂正輻亮度和步驟N)讀入的系數矩陣，按照以下關系獲得對應的大氣成分垂直濃度廓線:
【文檔編號】G01S17/88GK103744069SQ201310752286
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】張瑩, 陳良富, 蘇林 申請人:中國科學院遙感與數字地球研究所