溫濕廓線的反演研究

1、溫濕廓線的反演研究一.發(fā)展歷史二十世紀(jì)七十年代末，NOAA極軌衛(wèi)星裝載的HIRS/MUS(HighResolutionInfrareSounder/MicrowaveSoundingUnit)儀器組開始業(yè)務(wù)大氣預(yù)報提供全球衛(wèi)星探測溫濕度廓線資料。十年后，世界氣象組織(WorldMeteorologicaIOrganization,WMO)對衛(wèi)星資料在大氣預(yù)報中的應(yīng)用價值進行了評估，于1987年發(fā)表的評估報告中指出，大氣預(yù)報準(zhǔn)確率的進一步提高，全球溫濕度探測精度必須達到氣球探空的精度，也就是1km氣層厚度的溫度探測精度達到均方根誤差小于1K卻1K/1km),對流層濕度探測精度達到90%。氣球探空

2、不是全球覆蓋的，在廣大的海洋、沙漠和極區(qū)，尤其是南半球缺少溫濕度廓線資料，需要衛(wèi)星探測作為補充。而目前業(yè)務(wù)衛(wèi)星探測的精度遠遠低于氣球探空的精度。前人的研究發(fā)展中，King最早提出利用衛(wèi)星觀測熱紅外發(fā)射輻射反演大氣溫度廓線(King,1956)。kaplan通過大氣發(fā)射的光譜分布，獲取溫度的垂直分布，發(fā)現(xiàn)不同光譜波段的輻射來自不同的氣層，因而利用一組位于不同波段上的探測通道就可以反演不同高度上的大氣溫度。Wark提出了利用衛(wèi)星探測大氣溫度廓線的研究計劃Wark,1961)0從1970年代開始，國外開展了大量的溫濕度廓線反演算法研究工作。Smith(1991)對國外衛(wèi)星反演大氣溫濕度廓線的發(fā)展歷史

3、進行了全面詳細的總結(jié)。我國在參考國外研究成果的鑒礎(chǔ)上，利用國外的衛(wèi)星觀測資料開展了大量的富有創(chuàng)新意義的研究工作，并從算法上實現(xiàn)了對大氣溫度、濕度和臭氧廓線的反演。曾慶存首先系統(tǒng)闡述了大氣紅外遙感探測的理論，此后許多科學(xué)家開始了大量研究。20世紀(jì)80年代，黎光清等根據(jù)大氣溫度遙測方程的非適定性質(zhì)，提出了一個有偏估計調(diào)整算法，并在此基礎(chǔ)上建立了一個改進的同步物理反演方法。20世紀(jì)90年代以后，數(shù)值天氣預(yù)報高時空分辨率的要求，使衛(wèi)星資料相對于探空資料的重要性大大提高。Aumann等利用AIRS的高光譜分辨率探測特性，構(gòu)造出更為陡峭的權(quán)重函數(shù)，得到更加精細的高階大氣垂直結(jié)構(gòu)，改善了大氣參數(shù)的反演精度及

4、其垂直分辨率。二.傳感器介紹AQUA衛(wèi)星介紹及AIRS儀器簡介AIRS是新一代星載高光譜分辨率大氣紅外遙感儀器家族中的第一個成員。已經(jīng)進入軌道的還有IASI(2006年10月20日，Meteop-A衛(wèi)星平臺)。其它的都還在計劃之中。以下僅對AIRS本身的一些技術(shù)參數(shù)作一個簡單的介紹，其中包括和它一起協(xié)同工作的兩個微波儀器AMSU和HSBAQUA衛(wèi)星是組成NASA地球觀測系統(tǒng)EOS的衛(wèi)星之一，于2002年5月4日在加州范仆堡空軍基地發(fā)射，運行在太陽同步軌道，衛(wèi)星高度705km。AIRS是裝載在AUQA上的眾多儀器之一主要用于大氣垂直探測。AQUA衛(wèi)星上的AIRS儀器組:AIRS(Atmosphe

5、ricinfraredSounder)：NASA第一個紅外高光譜分辨率儀器AMSU-A(AdvancedMicrowaveSoundingUnit)和NOAA系列上相同的15通道微波探測儀，它的一個視場內(nèi)包含3x3個AIRSB場。AIRS器的紅外特性光譜分辨率：(v/v=1200，通道寬度0.42.4，通道總數(shù)2378空間覆蓋特性：士49.5度1.1713.5kmdia)IFOV星下點瞬時視場)光譜覆蓋特性：3.74廠4.61pm(26742170cm-1)6.20以8.22pm(16131217cm-1)8.80以15.4小(1136649cm-1)噪聲(NEDT):0.14Kat4.2mm

6、0.20Kfrom3.7to13.6mm0.35Kfrom3.6to15.4mm功率/重量：256W/66kg設(shè)計壽命：5光譜范圍覆蓋了重要的4.2小及15小的CO2溫度探測帶,6.3仙冰汽吸收帶，9.6pm臭氧吸收帶，同時還包括CH4,N2O,CG口SO2的吸收譜線。AIRs的不同通道分別對大氣的不同高度敏感，每一通道權(quán)重函數(shù)在某一氣壓層上有極大值，2378個通道能提供從地面到40km高度的大氣信息，輻射測量絕對精度優(yōu)于0.2K。由于AIRSM有高測量精度和高光譜分辨率的特點，所以被用來探測精細的大氣溫度、濕度廓線、臭氧總含量等。AIRS1一個掃描探測器，掃描寬度約1650km,星下點分辨率

7、約為13.5km,垂直分辨率為1km,每6分鐘的觀測資料構(gòu)成一個granule,每個景(granule用135條掃描線組成，每條掃描線有90個觀測視場，每天240個granule覆蓋全球觀測兩次。為發(fā)展大氣探測獲取大氣溫濕廓線的研究，自20世紀(jì)60年代開始，美國先后研發(fā)了VTPRHIRSffiVISS將不同類型的濾光片式大氣探測儀器，為了徹底改進儀器技術(shù)制式，高光譜大氣探測器成為研發(fā)重點，如光柵式紅外大氣探測器AIRS干涉式紅外大氣探測器CRISffi歐洲的IASI等。丁尾ft器通道外渥訥范惘分曲阜AmAVI1RR/3先進的甚高分帶中B描驪射計3型6ft58-12.5Fm1.1NQAAHRS/

8、3高分鐳率盯外探洌器第203.76-1495rin(1的Ftn174AMSLJA先進的微波探惻器A型15翎TQGHz4SAMSU-B先進的盤流探洲器B型5183GHz1515注SIR192-464MmCriS橫跨布道掃描打外探測器4支個MH571-8,26fimI&Sljfl度)壯閹度J7”十LRft14.IS38MmNPOESSATMS先進技術(shù)做湛探利圖22218-1813GHzGPS掩星撩的雷垂克E/F層100knGPiiJSU內(nèi)L。kin其它20kmCMIS陽能掃描詵液醫(yī)像探隨器776190GHz15-50衛(wèi)星傳感等通道小波謂范國分辨率/kmIRAS紅外分光計26Q-15,5Vf

9、li17ri'-JMWTS施液濕度軻射計450-57GHz50TSHIRS74花分辨率紅外探泅潺4型20-3.7fte1495產(chǎn)mI削114METOPAMSU-A先進的黨被侏泅器A理1S50S9Oltz45MEIS微波濕度探泄器5的19(13GHz設(shè)煤制濕度廊理GRAS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系疏怪叱機僅探得溫度吃線SJM/T施波超阻探惻落75。2GHz激遁水汽探利器全大慎溫溫度廓踐sai/r-2S91.5N3GEIzi4-1.7紅部13.S,町見光大氣紅外探源器2撲14li4Fin和近紅外2SmsEQUAAMSU訛進的微波探刖儀器招1550-89GIU45USB激淡濕度株-明儀5I5D-1S3M

10、t!z發(fā)林沏濯度口堆Sdouis中分蝌率成像把講做364-14B皿a25.asoiEQSTrraMODR中分辨率成像把譜位丸4F14產(chǎn)inaasoi(1)傳感器特性及反演方法在以往的幾十年中，反演大氣溫濕廓線研究取得了很大進展，這里分別介紹目前具有代表性的ATVOSMODIS和AIRS以及MWHS這4個主要衛(wèi)星傳感器及其相應(yīng)的溫濕廓線反演方法。利用ATVOSS料反演大氣溫濕廓線改進的泰羅斯垂直探測器，簡稱ATOVS(AdvancedTIROSVVerticalSounder)0ATOVS(NOAA-15,16,17,1親歹1)為改進的TOVS1，是用于提供溫度和濕度廓線的詳盡描述所需資料的探測

11、系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以獲取晴空區(qū)和部分有云區(qū)的大氣溫度和濕度廓線，而且還可獲取云大條件下的大氣溫度和濕度廓線。ATOVSfc要由3個不同的探測器組成：(1)HIRS3o有20個通道(在3.7614.95以講口0.69小附近)與HIRS/2具有相似通道光譜特性的基本改進形式，對于溫度通道僅有2條校準(zhǔn)掃描線。(2)AMSU-A有15個通道(在23、30、50和90GHz附近)的全功率微波探測器，用于從地面到大約3hPa的溫度和濕度垂直廓線的反演。(3)AMSU-R有5個通道(在90、150和190GHz附近)的全功率微波探測器，用于從地面到大約3hPa的溫度和濕度垂直廓線的反演。利用一階變分原理從輻

12、射傳輸方程中得到了大氣溫度、水汽權(quán)重函數(shù)的解析形式，并改進了傳統(tǒng)使用的線性迭代方法利用牛頓非線性迭代方法求解大氣表層溫度、大氣溫度廓線及大氣水汽廓線，并根據(jù)大氣參量的自相關(guān)性，將大氣溫度廓線、大氣水汽廓線用經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF的線性組合表示，減少了要反演的參數(shù)，提高了反演穩(wěn)定性和迭代速度。(2)微波遙感大氣輻射傳輸方程中透過率與權(quán)重函數(shù)的有關(guān)計算及其特性在5毫米氧氣吸收譜線兩側(cè)進行多頻觀測，每一個頻率對應(yīng)的權(quán)重函數(shù)都有一個極大值，通過對不同頻率的諧振峰值高度上的大氣溫度，得到大氣溫度分布廓線1 .透過率的有關(guān)計算及其特性無線電波輻射在大氣中從r'傳輸?shù)絩,透過率為r(r»=e

13、xpl-jke(r)dr通常等式右側(cè)稱為大氣透過率。透過率函數(shù)的分布是由體積吸收系數(shù)唯一決定的。Q.就也的0蚪tramrrW&sl出y圖3透過率r隨高度的變化曲線1f用143J-r-a-aSa-9器罩YIMf聿尸E-rla-I-a-m-M-Rkes*B-rI鵬Elln一三脾:!«±=三二巴*:=二二二含一二睡=:下:-B:j皿怛三：':-:-:"器:-:一-1-ia.-一1一-Fn-"lliiaai;|*!rE-BrV4.一il-a-aMz13="I二B二黑三；-疔然個口:r!”爰那圖2領(lǐng)氣和水汽造成的無線電波苣減理論上權(quán)重函數(shù)

14、W(z)與大氣溫度有關(guān)，但其隨溫度的變化是很小的。每變化1度引起的核函數(shù)只有千分之幾的變化。因此他們的垂直分布對大氣溫度廓線變化的依賴性很小，求解T(z)時，是可以認為大氣的透過率和權(quán)重函數(shù)與T(z)無關(guān)。而且下行輻射亮溫的權(quán)重函數(shù)值是在一定高度范圍內(nèi)隨頻率的增加值逐漸減小，頻率越高天頂角越大衰減越快。高天頂角或高頻可以反映低空溫度層結(jié)，低天頂角或低頻可以獲得高空溫度層結(jié)。三.具體方法：2 .圖像耦合法ICI根據(jù)大氣輻射傳輸方程，衛(wèi)星觀測的輻射亮度溫度(E)在無散射或局地平衡情況下，表示為E=q3T(p,0>)+4rB(Tp)(次(p0)/3(Inp)d(Inp)一(1a寸p)nJPs.

15、oB(Tp)(dr(ps.p)/3(Inp)d(Inp)式中J為表面比輻射率；Q為大氣總透過率;A為表面氣壓；B(二)表示地表溫度為時的普朗克函數(shù)；表示氣壓為區(qū)溫度為I時的普朗克函數(shù)；次(p)/3(lnp)為輻射傳輸?shù)臋?quán)重函數(shù).該方法采用的是快速透過率模式RTTOVV(RapidTrabsmittanceTOVS質(zhì)量檢驗后的分析場經(jīng)對數(shù)內(nèi)插法和經(jīng)驗外推模式插值到RTTOV輻射模式的40個標(biāo)準(zhǔn)層(0.1hPA1000hPa)h,并利用上述模式進行輻射傳輸計算。一旦確定了反演所需的最佳初始廓線，就可以求解輻射傳輸方程。反演采用一維變分技術(shù)，對上述估價函數(shù)作最小化處理，即對方程作擾動處理，使得衛(wèi)星觀

16、測大氣廓線和最終的大氣廓線之間的差值趨于最小，以獲取最佳反演結(jié)果。3 .統(tǒng)計回歸反演算法統(tǒng)計回歸方法是一種反演大氣溫度、濕度廓線的快速有效方法，主要原理是在觀測的輻射和反演的大氣廓線之間事先建立統(tǒng)計學(xué)關(guān)系。在頻率v上，晴空條件下大氣頂部接收到的出射輻射是地表和大氣各個層向上輻射的總和，可離散化為NR（芍）=&B埼T（r）w（當(dāng)pt）式中，Bvj,T(pi)是溫度為T的第1氣壓層大氣普朗克發(fā)射輻射；p1為第i氣壓層的大氣壓；w(vj,pi)=e(vj,pi)p(vj,0pi)，是權(quán)重函數(shù),c(vj,pi)是第i氣壓層發(fā)射介質(zhì)的光譜發(fā)射率；r(vj,0pi)是第i氣壓層以上大氣的光譜透過率

17、。利用M個輻射觀察來測定N層的大氣溫度和濕度是要解決的問題。然而權(quán)重函數(shù)只能代表一層中輻射的平均情況，因此M個輻射并不相對獨立，使方程組沒有唯一的解；而且較小的觀測誤差能引起較大的溫度反演誤差，使解出現(xiàn)不穩(wěn)定。統(tǒng)計回歸反演算法就是對上式進行線性化處理后，利用大量的大氣探測數(shù)據(jù)和最小二乘算法，尋找最合適的算子矩陣A(A為權(quán)重函數(shù)矩陣的逆矩陣)，并使計算誤差最小。統(tǒng)計回歸反演算法的優(yōu)點在于計算速度快，計算穩(wěn)定性強，算法簡單，但它不能說明輻射傳輸方程中的物理概念。4 .物理反演算法物理反演算法是基于小擾動理論，通過最小化由式(5)定義的代價函數(shù)來判斷MODIS通道測值對初始猜測場的擬合程度，即Y(X

18、)=IIYn-Y(X)112+7IIX-XJI?(5)式中X為反演的大氣廓線；X0為大氣廓線的初始狀態(tài)或從統(tǒng)計回歸而來的初估值;Ym為在反演過程中觀測到的MODIS亮度溫度的矢量；Y(X)為從大氣狀態(tài)X計算而得到的MODIS亮度溫度矢量；T是通過差異原理決定的調(diào)整參數(shù)。這種方案在MODIS通道測值和初估值之間提供了一種平衡。假如一組初估廓線的輻射傳輸計算能很好適合MODIS通道測值，非線性迭代中將給MODIS測值設(shè)定較小的權(quán)重，結(jié)果只是對初估值進行一小的訂正。如果初估值與MODIS通道測值不相符合，那么非線性迭代中將給MODIS測值設(shè)定較大的權(quán)重。因此，為了獲得同所有MODIS觀測亮溫的最佳匹

19、配，需要同時對溫度和濕度廓線作出調(diào)整。MODIS具有高的空間分辨率和很好的信噪比，能在高分辨率和大范圍下找出大氣穩(wěn)定性特點，確定晴空輻射將更為精確，反演的精度和范圍較高。MODIS反演原理:MODIS反演大氣溫度廓線，主要利用的就是位于紅外振動-轉(zhuǎn)動帶的CO2吸收通道的觀測。在4.3pm和15仙mCO破收譜段、6.7叱mH2順收譜段，由吸收譜帶中心到翼區(qū)設(shè)置了若干探測通道，不同通道探測的能量分別來自于不同高度層大氣的熱發(fā)射。當(dāng)儀器的光譜通道給定后，觀測的輻射值將同大氣的某一特定高度密切相關(guān)。反演的任務(wù)就是在已知有限量波段的衛(wèi)星輻射率測值Ni(i=1,2,n)的情況下解出各個大氣層發(fā)射的Plan

20、ck輻射值B(丫刀),由：6(丫邛)就可獲得大氣溫度、濕度等垂直分布。利用衛(wèi)星資料反演溫濕廓線和云參量也取得了很大的進步，NASA利用MODIS反演大氣廓線，并已經(jīng)發(fā)布溫濕廓線業(yè)務(wù)產(chǎn)品。目前國內(nèi)主要在利用MODIS資料反演地表溫度和利用靜止氣象衛(wèi)星反演海溫已取得進步，但是離國外還有一定差距，尚未就利用MODIS輻射率資料反演大氣廓線大量開展工作。利用AIRS紅外超光譜資料反演大氣廓線的步驟是:國1尉印41*9密,外招*辿幡知行滯長與疏處濡田困利用AIRS紅外超光譜資料反演大氣廓線：第一步AIRS象元的云檢測，即從MODIS云產(chǎn)品中提取高水平分辨率得出云檢測信息之后，與AIRS的象元進行空間匹配

21、，從而確定AIRS的象元云檢測信息；云檢測由于云量、云高及云特性的變化強烈影響著行星反照率梯度和地表能量交換，進一步影響區(qū)域、全球天氣和氣候，云檢測是用衛(wèi)星資料研究云對天氣和氣候系統(tǒng)作用至關(guān)重要的一步。云檢測的效果如何，直接影響利用衛(wèi)星資料反演大氣參數(shù)的精度和誤差。AIRS高光譜觀測大氣參數(shù)精度很高，能辨別出每條CO2吸收線，能探測從地面到40km高度的大氣溫度和水汽廓線，因而改進了大氣廓線的垂直分辯能力，但AIRS空間分辨率低(13.5km),尚且目前沒有一個很好的AIRS云檢測算法。而MODIS多光譜并且高空間分辨率的特性能捕捉到地氣系統(tǒng)中普遍存在的云的精細的結(jié)構(gòu)，尤其MODIS有可見光及

22、近紅外通道，云檢測能力超過AIRS特別是在白天。研究綜合使用AIRS高光譜探測和時間、空間匹配的MODIS高空間分辨率云參數(shù)信息來反演高精度、高分辨率的大氣參數(shù)。研究中AIRS云檢測由落在每個AIRS視場中的精確空間匹配的MODIS1km云檢測產(chǎn)品客觀確定，由于空間匹配的MODIS1km的云檢測產(chǎn)品不僅能告訴我們一個AIRS瞬時視場是否含有云，而且還能確定一個AIRS瞬時視場是否晴空無云、部分或者全部被云覆蓋，從而為反演廓線的分辨率和準(zhǔn)確性提供了保障。第二步綜合利用特征向量統(tǒng)計法和牛頓非線性物理迭代法反演晴空象元的AIRS廓線，其中包括訓(xùn)練樣本的準(zhǔn)備、亮溫分類和掃描角分類、特征向量統(tǒng)計法反演得

23、到背景廓線、牛頓非線性物理迭代等步驟。AIRS像元的云檢測，即從MODIS云產(chǎn)品中提取高水平分辨率得出云檢測信息之后，與AIRS的像元進行空間匹配，從而確定AIRS的像元云檢測信息；綜合利用特征向量統(tǒng)計法和牛頓非線性物理迭代法反演晴空像元的AIRS廓線，其中包括訓(xùn)練樣本的準(zhǔn)備、亮溫分類和掃描角分類、特征向量統(tǒng)計法反演得到背景廓線、牛頓非線性物理迭代等步驟。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可實現(xiàn)輸入空間到輸出空間的非線性映射，相比于統(tǒng)計回歸算法更接近大氣溫度和濕度廓線反演的物理本質(zhì)。并且，該算法無需做關(guān)于數(shù)據(jù)分布的任何假定，具有較好的容錯性。但是，相比于特征向量法，該方法在獲取大氣初始廓線的精度方面

24、和用實際的觀測資料做實驗時，其精度并沒有明顯改進，因此限制了該方法在獲取大氣初始廓線領(lǐng)域的應(yīng)用。目前國巾內(nèi)基于AIR驅(qū)料反演大氣溫度、濕度垂直廓線大多采用的是特征向量統(tǒng)計反演法，該方法本質(zhì)是一種基于最小二乘法的統(tǒng)計回歸算法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可實現(xiàn)輸入空間到輸出空間的非線性映射，更接近大氣溫度、濕度反演的物理本質(zhì)，是一種統(tǒng)計一物理算法。模擬分析研究表明，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在所有高度層上的反演；精度都略優(yōu)于特征向量統(tǒng)計反演算法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定型為如圖2所示的樣式：輸入層、隱含層、輸出層節(jié)點數(shù)分別為30、63和群101,IW1,1為輸入層到中間層的權(quán)值，LW2,1為中間層到輸出層的權(quán)值,b1、b2分別

25、為兩層的偏置值。利用建立的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，訓(xùn)練時樣本庫按窗區(qū)亮度溫度和掃描角分類，訓(xùn)練出適5063101合11類。窗區(qū)亮度溫度和6類掃描角的66套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。運用實況AIRS觀測資料進行大氣溫度廓線反演實驗，結(jié)果表明兩種算法在計算時間效率和反演精度上相當(dāng)。特征向量統(tǒng)計反演法目前發(fā)展已經(jīng)比較成熟，針對紅外高光譜觀測值反演，初步嘗試人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法已獲得與特征向量統(tǒng)計反演法相當(dāng)?shù)臏囟壤€反演精度。鑒于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的統(tǒng)計物理本質(zhì)，誤差反向傳播BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以求解非線性問題，在優(yōu)化訓(xùn)練樣本和繼續(xù)調(diào)試網(wǎng)絡(luò)種類和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的基礎(chǔ)上，有望能進一步提高反演精度。目前訓(xùn)練樣本選取的是全球的大氣無線電探空資料，

26、而反演測試針對的是中國地區(qū)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法有效性與所用的訓(xùn)練樣本有很強的相關(guān)性。NASA產(chǎn)品算法NASA試驗產(chǎn)品反演算法是AIRS/AMSU核心算法，采用全新的反演技術(shù)，充分考慮各通道噪聲的來源以及晴空輻射訂正的誤差，得到的大氣反演參數(shù)對于初估場依賴性很弱。NASA產(chǎn)品反演算法通過經(jīng)驗正交函數(shù)法（EOF狀取大氣溫度、濕度的初估場，并利用AMSU微波資料得到大氣溫度廓線，用于晴空輻射訂正。在假定相鄰視場除了云量的不同，其它特性完全一致的情況下，通道的訂正晴空輻射率可以表小為Riclr=Ri+力（Ri-Rjk+i）+%（R-Kzi）+，（Rn-Rn）式中，k為云層數(shù)目；”1,“k是k個獨立于通道

27、的未知常數(shù)，總共需要k+i個觀測值求解上述k個常數(shù)和晴空輻射訂正值。利用新的晴空輻射訂正值檢查反演的收斂性，如果收斂，則迭代過程結(jié)束，依次反演出表面溫度、大氣溫度和濕度廓線。反演基本原理與參數(shù)敏感性分析威斯康星大學(xué)的全球大氣廓線訓(xùn)練樣本共有12000條廓線，從中按一定規(guī)律（每隔6條選取1條，以保證樣本的代表性）選取2000條，其中1800條用來做星載紅外高光譜資料反演有云時大氣溫濕廓線的訓(xùn)練樣本，剩余200條則作為驗證反演算法的獨立樣本。對1800條大氣廓線利用紅外輻射傳輸模式模擬有云時的衛(wèi)星紅外觀測值，分晴空、有效云量分別為0.2、0.4、0.6、0.8和1.0（有效云量為1.0即蔽光云）,

28、云頂高度分別在200hPa300hPa500hPa、700hPa和850hPa時進行模擬，這樣組合共有1800*26個模擬單層云輻射樣本。假設(shè)AIRSt云影響的像元觀測的輻射值為Rv（波數(shù)v的函數(shù)），有效云量為Nec,v（由云的比輻射率£c,vf云量乘積得到）則對一個部分云覆蓋的像元而言，向上的輻射可以寫成晴空和云輻射項的線性組合。Rv=（1-Nscv）RcKv+NscvRcid下標(biāo)c表示云，Rclr、Rcld分別代表像元內(nèi)的晴空、蔽光云輻射值。對于較為稠密的蔽光云，在紅外波段可認為是黑體，此時衛(wèi)星接收到的輻射來自云頂和云上大氣，完全被云頂高度在pc蔽光云（£c,v=1）覆

29、蓋像元的輻射值為Rdd'v=Br+力drC,VCtVIVV其中：B是普朗克輻射值，TC和P俁示從云頂PC到大氣頂?shù)南蛏贤高^率和大氣頂處的透過率（T0=0）。模擬時采用的是SARTA（Stand-AloneRadiativeTransferAlgorithm）前向模式，這是一個用于計算AIRS輻射傳輸值的快速正演模式。特征向量統(tǒng)計反演法如果每個通道的衛(wèi)星觀測輻射值或亮溫Y已知，那么Y可以看做是大氣溫度廓線、水汽混合比廓線、表面溫度等的非線性函數(shù)。寫成矩陣形式。Y=F（X）+a其中向量X是要反演的大氣參數(shù)，AIRS反演使用從1100hPa到0.005hPa101層的垂直氣壓網(wǎng)格，這樣X包含

30、L層（101層）的大氣溫度、L層的大氣水汽混合比（實際應(yīng)用時取水汽混合比的對數(shù)），丫則包含n個（使用的AIRS通道數(shù)）衛(wèi)星觀測輻射值或亮度溫度，是儀器的噪音及其它誤差源。我們的目的是要對方程（3）求反解，求解X,實際應(yīng)用中，常用樣本輻射值的偏差陣？丫來統(tǒng)計回歸系數(shù)。二工一工，(4)用主特征法，取矩陣C的前ne特征向量，得U（n,ne）,則回歸系數(shù)：此=人丫,，=/聞凡&,，其中：n是通道的個數(shù)，NS是訓(xùn)練樣本數(shù)，下標(biāo)tr代表訓(xùn)練資料。反演時(對獨立樣本或?qū)崟r資料)a=黑-匕，R岫=&辰u,X=Xr+AR,(10)下標(biāo)obs表示觀測或模擬的輻射值。經(jīng)反復(fù)模擬試驗，取ne=300,

31、對衛(wèi)星觀測值取前300個特征向量，試驗表明選取前300個特征向量進行經(jīng)驗正交分解可提供足夠的光譜信息，用特征向量統(tǒng)計法不僅可以減小回歸計算的維數(shù)，還可以減小觀測噪音的影響。由于云頂在不同高度，云頂溫度不同，云具有不同的相態(tài)、云中粒子大小、形狀等不同，因此在計算回歸系數(shù)時采用云頂高度分類，對不同云頂高度200hPa300hPa500hPa、700hPa850hPa和晴空時分別計算相應(yīng)的回歸系數(shù)。二.地基大氣遙感，大氣邊界層：地基大氣遙感，即紅外超光譜探測器放置于地面來獲得大氣數(shù)據(jù)。如：傅里葉變換紅外遙感光譜輻射計星載大氣遙感會在低空位置的精度由于云層，氣溶膠及其它地表氣體溫度的影響而降低，而地基

32、大氣遙感可以避免高空氣體物質(zhì)也會隨溫度，壓力不同輻射紅外光對探測器測量精度的影響，從而可以給出極好的行星邊界層數(shù)據(jù)，結(jié)合衛(wèi)星及地基光譜儀測量可以提供完整，準(zhǔn)確的氣候信息。雖然天基遙感具有空間覆蓋廣、水平分辨率高、時間取樣頻率高和資料一致性好的優(yōu)點，但是其在邊界層受地表的影響較大。隨著高度的降低，溫濕廓線的反演精度會變得越來越低。而地基的遙感探測儀器由于接受的是大氣的下行輻射，受地表的影響極小，因此可以很好地彌補天基儀器的缺陷。Smith于1970年提出可以利用地基遙感探測器進行探測，得到紅外輻射數(shù)據(jù)，以獲大氣的溫度信息。反演方法去噪后的地基紅外高光譜數(shù)據(jù)可以用于反演大氣邊界層的溫濕廓線。目前，

33、主要有利用觀測輻射和探空廓線歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計反演法和基于輻射傳輸過程的物理反演法。統(tǒng)計反演方法統(tǒng)計反演算法不考慮電磁波與大氣的相互作用，而是建立輻射值與大氣廓線之間的統(tǒng)計關(guān)系。正是這個特點，使得統(tǒng)計算法相比于物理反演算法計算速度更快，無論是在天基遙感還是在地基遙感中都得到了廣泛的應(yīng)用。目前，統(tǒng)計反演方法中主要有回歸算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法?；貧w算法回歸算法本質(zhì)上是基于最小二乘的統(tǒng)計方法，即將輻射傳輸方程線性化，利用由溫濕廓線與對應(yīng)的輻射值組成的樣本在建立起的二者之間的最小二乘關(guān)系中尋找出最優(yōu)的回歸系數(shù)，將樣本數(shù)據(jù)的偏差減至最??；然后利用實時獲取的下行輻射數(shù)據(jù)，根據(jù)回歸系數(shù)求出大氣的溫濕廓線。目前，該領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是特征向量法。威斯康辛大學(xué)利用該方法開發(fā)了IMAPP軟件包，目前該軟件包在天基遙感探測中得到了廣泛應(yīng)用；在地基遙感探測中，AERI在日常運行中使用的AERIpro鍬件包也是利用該算法計算。“剝洋蔥”方法“剝洋蔥”算法利用模式計算的輻射值與觀測輻射的差值，根據(jù)物理迭代算法來調(diào)整初始廓線，使得模擬輻射與觀測輻射的差值逐漸減小，直至達到設(shè)定的閾值，此時的迭代廓線即為最終的解。該方法共包含兩步：首先，根據(jù)歷史探空數(shù)據(jù)計算初始的溫度和濕度廓線；其次，根據(jù)輻射傳輸方程建立一個循環(huán)迭代方案，利用第一步的初始值求出