利用红外高光谱数据反演大气参数廓线的方法和应用研究

论文摘要

大气温度、湿度是气象预报的主要参数,利用大气红外高光谱数据反演获得的大气温湿度等参数信息,对光学工程中定量评估大气传输和提高天气预测能力有重要的意义。对流层是地球大气最稠密的一部分,基本上所有的天气现象都发生在对流层内。机载红外光谱资料为对流层和低平流层的气象观测提供了独特的平台。本文主要围绕搭载在ER-2飞机上的高光谱分辨率红外干涉仪（HIS）观测的高分辨率大气光谱数据,开展了以下几个方面的研究工作:1.通过比较模拟计算和实测的高光谱观测数据,研究了三种辐射传输模式的计算精度。对比利用LBLRTM、MODTRAN、CART三种辐射传输模型,模拟计算地基AERI、机载HIS、星载AIRS三种仪器的大气红外辐射观测值,结果表明对于超高分辨率红外探测仪器AERI和HIS,LBLRTM模拟光谱的能力明显优于MODTRAN、CART,对于中高分辨率红外探测仪器AIRS,LBLRTM、MODTRAN、CART的模拟精度相当;并进行了有云情况下云红外辐射特性的模拟计算。2.分别使用有限差分法和解析法计算机载平台温度、水汽雅克比。基于LBLRTM辐射传输模型,利用有限差分法和解析方法分别计算机载平台HIS仪器的温湿度的雅克比,结果表明解析方法可以较好地计算雅克比,同时可以节约大量时间,在反演过程中具有实际的用途。3.分析了HIS观测系统的光谱通道敏感性以及所包含的有效信息量。基于信息熵的理论,利用贝叶斯估计法,对HIS观测系统所包含的温度、水汽的信息容量和自由度进行了计算,其中,温度、水汽的信息容量分别为49.5bits、25.2bits;所包含的自由度分别为10.5、5.6;基于有效密度法获取了HIS反演温湿廓线的垂直分辨率,其中温度的平均垂直分辨率为2.2km、水汽的垂直分辨率为2km。对HIS光谱进行敏感性分析,并按照获得的温度和七种主要大气吸收分子的敏感波段范围,对HIS可探测最小精度进行了分析,温度的精度为0.42K,水汽精度为7.9%。4.利用信息熵——分布迭代法对HIS反演温度廓线的通道进行选择。使用信息容量为品质参数,选择温度廓线的反演通道,并分析了通道个数对反演结果的影响,在利用模拟HIS光谱反演温度廓线时,当采用45个通道时,可以足够精确地反演大气的温度廓线,再增加反演中通道个数,不但会增加运算量,还会导致反演精度的降低,在利用实测HIS光谱反演温度廓线时,使用90个通道时,获得的温度廓线精度最高。I5.反演得到了飞机飞行路径上的海表温度,水汽含量和温度廓线。利用最小二乘法从机载HIS数据中反演得到地表温度和水汽柱浓度。利用最优估算法和Tikhonov正则化方法分别反演了飞机飞行路径上Barrow站点和Sheba站点的大气温度廓线。在可以获得较为准确的背景廓线和背景误差协方差时,最优估算法获得的结果最接近大气真实状态,如果观测地区背景信息较少,可以使用L曲线方法来权衡观测值和先验信息对反演结果的影响,使反演结果更多的来自观测值的影响,也可以获得较为理想的反演廓线。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 红外探测仪器的发展
•     1.2.2 高光谱遥感大气参数研究发展
•   1.3 本论文的主要内容
• 第2章 红外遥感基本原理
•   2.1 大气成分和分子吸收
•     2.1.1 大气成分及分布
•     2.1.2 大气分子吸收
•     2.1.3 大气红外吸收带
•   2.2 辐射传输基本原理
•     2.2.1 大气辐射收支概略图
•     2.2.2 辐射传输方程的一般形式
•     2.2.3 晴空大气红外辐射传输及其线性化计算
•     2.2.4 有云时大气红外辐射传输
•     2.2.5 红外遥感原理及可遥感物理量
•   2.3 反演方法
•     2.3.1 统计方法
•     2.3.2 神经网络方法
•     2.3.3 物理方法
• 第3章 高分辨率大气辐射传输正演计算研究
•   3.1 辐射传输模型
•     3.1.1 LBLRTM
•     3.1.2 MODTRAN
•     3.1.3 CART
•   3.2 大气吸收谱线参数HITRAN
•   3.3 模拟不同条件下的大气背景辐射
•     3.3.1 地基AERI观测的大气下行辐射
•     3.3.2 机载HIS观测的大气上行辐射
•     3.3.3 星载AIRS观测的大气上行辐射
•     3.3.4 小结
•   3.4 验证LBLRTM雅克比计算精度
•     3.4.1 方法介绍
•     3.4.2 雅克比计算结果与分析
•   3.5 云红外辐射特性的模拟计算
•     3.5.1 无云背景辐射
•     3.5.2 有云背景辐射
•   3.6 小结
• 第4章 信息量分析和通道选择
•   4.1 通道敏感性分析
•   4.2 信息量分析
•     4.2.1 大气红外光谱探测精度的理论基础
•     4.2.2 最小可探测精度
•     4.2.3 信息量和垂直分辨率
•   4.3 通道选择
•     4.3.1 通道选择理论
•     4.3.2 方法实现
•     4.3.3 结果分析
•   4.4 小结
• 第5章 基于HIS资料反演晴空下大气参数
•   5.1 仪器简介
•   5.2 海表温度反演
•     5.2.1 数据预处理
•     5.2.2 反演结果
•   5.3 温度廓线反演
•     5.3.1 EOF分解
•     5.3.2 反演原理
•     5.3.3 反演结果
•     5.3.4 通道个数对反演影响
•   5.4 水汽总量反演
•     5.4.1 基本原理
•     5.4.2 反演结果
•   5.5 小结
• 第6章 总结和展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴欣

导师: 魏合理

关键词: 红外超光谱,机载,信息量,反演,温湿度廓线,通道选择

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 气象学,化学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O657.33;P412

总页数: 122

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