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(kāi)始業(yè)務(wù)大氣預(yù)報(bào)提供全球衛(wèi)星探測(cè)溫濕度廓線資料。十年后，世界氣象組織(WorldMeteorologicalOrganization,WMO)對(duì)衛(wèi)星資料在大氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估，于1987年發(fā)表的評(píng)估報(bào)告中指出，大氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的進(jìn)一步提高，全球溫濕度探測(cè)精度必須達(dá)到氣球探空的精度,也就是1km氣層厚度的溫度探測(cè)精度達(dá)到均方根誤差小于1K(即1K/1km)，對(duì)流層濕度探測(cè)精度達(dá)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(cè)作為補(bǔ)充。而目前業(yè)務(wù)衛(wèi)星探測(cè)的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(cè)熱紅外發(fā)射輻射反演大氣溫度廓線(King,1956)。kaplan通過(guò)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(lái)自不同的氣層，因而利用一組位于不同波段上的探測(cè)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(cè)大氣溫度廓線的研究計(jì)劃Wark,1961)。從1970年代開(kāi)始，國(guó)外開(kāi)展了大量的溫濕度廓線反演算法研究工作°Smith(1991)對(duì)國(guó)外衛(wèi)星反演大氣溫濕度廓線

3、的發(fā)展歷史進(jìn)行了全面詳細(xì)的總結(jié)。我國(guó)在參考國(guó)外研究成果的鑒礎(chǔ)上,利用國(guó)外的衛(wèi)星觀測(cè)資料開(kāi)展了大量的富有創(chuàng)新意義的研究工作，并從算法上實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(cè)的理論，此后許多科學(xué)家開(kāi)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(cè)方程的非適定性質(zhì)，提出了一個(gè)有偏估計(jì)調(diào)整算法，并在此基礎(chǔ)上建立了一個(gè)改進(jìn)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(bào)高時(shí)空分辨率的要求，使衛(wèi)星資料相對(duì)于探空資料的重要性大大提高oAumann等利用AIRS的高光譜分辨率探測(cè)特性，構(gòu)造出更為陡峭的權(quán)重函數(shù)，得到更加精細(xì)的高階大氣垂直結(jié)構(gòu)，改善了大氣參數(shù)的

4、反演精度及其垂直分辨率。二傳感器介紹AQUA衛(wèi)星介紹及AIRS儀器簡(jiǎn)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(gè)成員。已經(jīng)進(jìn)入軌道的還有IASI(2006年10月20日,Meteop-A衛(wèi)星平臺(tái))。其它的都還在計(jì)劃之中。以下僅對(duì)AIRS本身的一些技術(shù)參數(shù)作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，其中包括和它一起協(xié)同工作的兩個(gè)微波儀器AMSU和HSB。AQUA衛(wèi)星是組成NASA地球觀測(cè)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(yùn)行在太陽(yáng)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(cè)。AQUA衛(wèi)星上的AIRS儀器組:AIRS(Atm

5、osphericinfraredSounder)是NASA第一個(gè)紅外高光譜分辨率儀器AMSU一A(AdvaneedMicrowaveSoundingUnit)和NOAA系列上相同的15通道微波探測(cè)儀，它的一個(gè)視場(chǎng)內(nèi)包含3x3個(gè)AIRS視場(chǎng)。AIRS儀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1.1°“(T3.5kmdia)IFOV(星下點(diǎn)瞬時(shí)視場(chǎng))光譜覆蓋特性：3.74|!一4.61|im(2674一2170cm-1)6.20|im一8.22|im(1613一1217cm-1)8.80|im一15.4|im(1136一

6、649cm-1)噪聲(NEDT):0.14Kat4.2|im0.20Kfrom3.7to13.6|im0.35Kfrom3.6to15.4|im功率/重量：256W/56kg設(shè)計(jì)壽命：5年光譜范圍覆蓋了重要的4.2ym及15ym的CO2溫度探測(cè)帶,6.3ym水汽吸收帶，9.6ym臭氧吸收帶，同時(shí)還包括CH4,N2O,CO和SO2的吸收譜線。AIRs的不同通道分別對(duì)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(gè)通道能提供從地面到40km高度的大氣信息，輻射測(cè)量絕對(duì)精度優(yōu)于0.2K。由于AIRS具有高測(cè)量精度和高光譜分辨率的特點(diǎn)，所以被用來(lái)探測(cè)精細(xì)的大氣溫度、濕度廓線、臭氧

7、總含量等oAIRS是一個(gè)掃描探測(cè)器，掃描寬度約1650km，星下點(diǎn)分辨率約為13.5km，垂直分辨率為1km，每6分鐘的觀測(cè)資料構(gòu)成一個(gè)granule，每個(gè)景(granule)有135條掃描線組成，每條掃描線有90個(gè)觀測(cè)視場(chǎng)，每天240個(gè)granule覆蓋全球觀測(cè)兩次。為發(fā)展大氣探測(cè)獲取大氣溫濕廓線的研究，自20世紀(jì)60年代開(kāi)始，美國(guó)先后研發(fā)了VTPR、HIRS和VISSR等不同類型的濾光片式大氣探測(cè)儀器,為了徹底改進(jìn)儀器技術(shù)制式，高光譜大氣探測(cè)器成為研發(fā)重點(diǎn)，如光柵式紅外大氣探測(cè)器AIRS、干涉式紅外大氣探測(cè)器CRIS和歐洲的IASI等。傳感器波譜范IN分辨率/fenAVHRR/3先進(jìn)的甚高

8、分辨率掃描輻射計(jì)3型6Q58-1251.1NOAAHRS/3髙分辨率紅外探測(cè)器3型203761495MmQ6917.4AMSUA先進(jìn)的微波探測(cè)器A型155089GHz45AMSUB先進(jìn)的微波探測(cè)器B型589-183GHz15158個(gè)SIR1924.64.r(mCrIS橫跨赤道掃描紅外探測(cè)器432個(gè)M(R5.71&26Mm1&5(溫度),15(濕度)711個(gè)L(R9.141538MmNPOESSATTVfS先進(jìn)技術(shù)微波探測(cè)器2223.83GHzGP9DSGPS掩星探測(cè)器垂直分辨率E/F層100km以內(nèi)10km其它20kmCMIS圓錐掃描微波成像探測(cè)器776190GHz1550lJ

9、.M傳感器迪逍炸波譜范國(guó)分辦率伽1FY-3IRASMWTS紅外分光計(jì)微波溫度輻射計(jì)26斗Q6915.5Am5057GHz1750-75H(RS/4高分辨率紅外探測(cè)器4型20376-1495Cl，"m17.4METOPAMSU-A先進(jìn)的微波探測(cè)器A型155O89GHz45MHS微波濕度探測(cè)器58919Q3GHz僅探測(cè)濕度螂線GRAS經(jīng)球沖航H星泵統(tǒng)接收機(jī)僅探測(cè)溫度卿線DMSPS3VI/TS94/T2微波溫度探測(cè)器微波水汽探測(cè)器755060GHz91.5183GHz全天候溫溫度酬線ARS大氣紅外探測(cè)器2378Q41.7卩m3.4-15.4Mm紅外13.5.可見(jiàn)光和近紅外13EOS-EQU

10、AAMSI先進(jìn)的微波探測(cè)儀器組155O89GHz45MSB微波濕度探測(cè)枚5150-183MHz僅探測(cè)濕度螂線MODIS中分辨率成像光譜儀36414PmQ2S0.501EOSTerraMODIS中分辨率成像光譜儀36414PmQ2S0.501(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(jìn)展，這里分別介紹目前具有代表性的ATVOS、MODIS和AIRS以及MWHS這4個(gè)主要衛(wèi)星傳感器及其相應(yīng)的溫濕廓線反演方法。利用ATVOS資料反演大氣溫濕廓線改進(jìn)的泰羅斯垂直探測(cè)器，簡(jiǎn)稱ATOVS(AdvaneedTIROSVVerticalSounder)。ATOVS(NOAA-1

11、5,16,17,18系列)為改進(jìn)的TOVS型，是用于提供溫度和濕度廓線的詳盡描述所需資料的探測(cè)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，而且還可獲取云天條件下的大氣溫度和濕度廓線。ATOVS主要由3個(gè)不同的探測(cè)器組成：(1)HIRS/3。有20個(gè)通道(在3.7614.95|im和0.69|im附近)與HIRS/2具有相似通道光譜特性的基本改進(jìn)形式，對(duì)于溫度通道僅有2條校準(zhǔn)掃描線。(2) AMSU-A。有15個(gè)通道(在23、30、50和90GHZ附近啲全功率微波探測(cè)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-B。有5個(gè)通道(在90、150和19

12、0GHZ附近)的全功率微波探測(cè)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(jìn)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(yàn)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(guò)率與權(quán)重函數(shù)的有關(guān)計(jì)算及其特性在5毫米氧氣吸收譜線兩側(cè)進(jìn)行多頻觀測(cè)，每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的權(quán)重函數(shù)都有一個(gè)極大值，通過(guò)對(duì)不同頻率的諧振峰值高度上的大氣溫度，得到大氣溫度分

13、布廓線。1. 透過(guò)率的有關(guān)計(jì)算及其特性無(wú)線電波輻射在大氣中從r，傳輸?shù)絩，透過(guò)率為r(兒r)=exp-Jke(r)dr(1)通常等式右側(cè)稱為大氣透過(guò)率。透過(guò)率函數(shù)的分布是由體積吸收系數(shù)唯一決定的。00.940.950.960.970.980.99tnansmi&siuity25201510圖3透過(guò)率7隨高度的變化曲線，Oxygenr=£!SSSS5±SSS：j±：±：±pts：t!宮垂討決曉翌翌頂誤瘵芋竺理!蘭醫(yī)程豈芋：I：-；：I：j.：-；.：l：.r.r.VR.V.T.V.rV.w.T|.rr.I.4.r.K.EEEEESEEEE

14、EE王三三三？三*,>GMBBaabbilx1020304D5060708090100FrequencyfGHz圖2氧氣和水汽造成的無(wú)線電波衰減理論上權(quán)重函數(shù)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(duì)大氣溫度廓線變化的依賴性很小，求解T(z)時(shí)，是可以認(rèn)為大氣的透過(guò)率和權(quán)重函數(shù)與T(z)無(wú)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：1.圖像耦合法ICI根據(jù)大氣輻射傳輸方程，衛(wèi)星觀

15、測(cè)的輻射亮度溫度(E)在無(wú)散射或局地平衡情況下，表示為E=es°譏區(qū)0)。B(TS)+JPs>0B(Tn)Or(p0)/S(hp)d(hp)J+(l-es)°r(Pstp)aJPs>0B(Tp)(&(皿p)/3(hp)d(hp)式中為表面比輻射率；E為大氣總透過(guò)率;必為表面氣壓；b(tsm示地表溫度為人時(shí)的普朗克函數(shù)；B(Tnm示氣圧為R溫度為T(mén).時(shí)的普朗克函數(shù)；ar(p)/S(lnp)為輻射傳輸?shù)臋?quán)重函數(shù)。該方法采用的是快速透過(guò)率模式RTTOVV(RapidTrabsmittaneeTOVS)。質(zhì)量檢驗(yàn)后的分析場(chǎng)經(jīng)對(duì)數(shù)內(nèi)插法和經(jīng)驗(yàn)外推模式插值到RTTO

16、V輻射模式的40個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層(0.1hPa1000hPa)上，并利用上述模式進(jìn)行輻射傳輸計(jì)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(duì)上述估價(jià)函數(shù)作最小化處理，即對(duì)方程作擾動(dòng)處理，使得衛(wèi)星觀測(cè)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。2. 統(tǒng)計(jì)回歸反演算法統(tǒng)計(jì)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(cè)的輻射和反演的大氣廓線之間事先建立統(tǒng)計(jì)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(gè)層向上輻射的總和，可離散化為NR(y)=SbyP1(p.j)Iw(yPPi)式中,Bvj,T(pi)是溫

17、度為T(mén)的第i氣壓層大氣普朗克發(fā)射輻射;pi為第i氣壓層的大氣壓;w(vj,pi)=s(vj,pi)t(vj,0pi),是權(quán)重函數(shù)疋(vj,pi)是第i氣壓層發(fā)射介質(zhì)的光譜發(fā)射率；T(vj,0pi)是第i氣壓層以上大氣的光譜透過(guò)率。利用M個(gè)輻射觀察來(lái)測(cè)定N層的大氣溫度和濕度是要解決的問(wèn)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(gè)輻射并不相對(duì)獨(dú)立，使方程組沒(méi)有唯一的解；而且較小的觀測(cè)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(jì)回歸反演算法就是對(duì)上式進(jìn)行線性化處理后，利用大量的大氣探測(cè)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(jì)算誤差最小。統(tǒng)計(jì)回歸反

18、演算法的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算速度快，計(jì)算穩(wěn)定性強(qiáng)，算法簡(jiǎn)單，但它不能說(shuō)明輻射傳輸方程中的物理概念。3. 物理反演算法物理反演算法是基于小擾動(dòng)理論，通過(guò)最小化由式(5)定義的代價(jià)函數(shù)來(lái)判斷MODIS通道測(cè)值對(duì)初始猜測(cè)場(chǎng)的擬合程度，即Y(X)=IIYn-Y(X)ll2+yllX綣II2(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(jì)回歸而來(lái)的初估值；Ym為在反演過(guò)程中觀測(cè)到的MODIS亮度溫度的矢量;Y(X)為從大氣狀態(tài)X計(jì)算而得到的MODIS亮度溫度矢量;丫是通過(guò)差異原理決定的調(diào)整參數(shù)。這種方案在MODIS通道測(cè)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(jì)算能很好適合MODI

19、S通道測(cè)值，非線性迭代中將給MODIS測(cè)值設(shè)定較小的權(quán)重，結(jié)果只是對(duì)初估值進(jìn)行一小的訂正。如果初估值與MODIS通道測(cè)值不相符合，那么非線性迭代中將給MODIS測(cè)值設(shè)定較大的權(quán)重。因此，為了獲得同所有MODIS觀測(cè)亮溫的最佳匹配，需要同時(shí)對(duì)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(diǎn)，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(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)帶的C02吸收通道的觀測(cè)。在4.3ym和15ymC02吸收譜段、6.7ymH20吸收譜段，由吸收譜帶中心到翼區(qū)設(shè)置了若干探測(cè)

20、通道，不同通道探測(cè)的能量分別來(lái)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(cè)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(cè)值Ni(i=1,2,n)的情況下解出各個(gè)大氣層發(fā)射的Planek輻射值B(v,p),由B(v,p)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(jìn)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(guó)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(jìn)步，但是離國(guó)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(kāi)展工作。利用AIRS紅外超光

21、譜資料反演大氣廓線的步驟是:m1來(lái)iiehaiw£外招*權(quán)僭紐石浦七宅麻緇菊裡屈利用AIRS紅外超光譜資料反演大氣廓線：第一步AIRS象元的云檢測(cè)，即從MODIS云產(chǎn)品中提取高水平分辨率得出云檢測(cè)信息之后，與AIRS的象元進(jìn)行空間匹配，從而確定AIRS的象元云檢測(cè)信息；云檢測(cè)由于云量、云高及云特性的變化強(qiáng)烈影響著行星反照率梯度和地表能量交換，進(jìn)一步影響區(qū)域、全球天氣和氣候，云檢測(cè)是用衛(wèi)星資料研究云對(duì)天氣和氣候系統(tǒng)作用至關(guān)重要的一步。云檢測(cè)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(cè)大氣參數(shù)精度很高，能辨別出每條CO2吸收線，能探測(cè)從地面到40km高度的

22、大氣溫度和水汽廓線，因而改進(jìn)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(méi)有一個(gè)很好的AIRS云檢測(cè)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(xì)的結(jié)構(gòu)，尤其MODIS有可見(jiàn)光及近紅外通道，云檢測(cè)能力超過(guò)AIRS，特別是在白天。研究綜合使用AIRS高光譜探測(cè)和時(shí)間、空間匹配的MODIS高空間分辨率云參數(shù)信息來(lái)反演高精度、高分辨率的大氣參數(shù)。研究中AIRS云檢測(cè)由落在每個(gè)AIRS視場(chǎng)中的精確空間匹配的MODIS1km云檢測(cè)產(chǎn)品客觀確定，由于空間匹配的MODIS1km的云檢測(cè)產(chǎn)品不僅能告訴我們一個(gè)AIRS瞬時(shí)視場(chǎng)是否含有云，而且還能

23、確定一個(gè)AIRS瞬時(shí)視場(chǎng)是否晴空無(wú)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(jì)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(jì)法反演得到背景廓線、牛頓非線性物理迭代等步驟。AIRS像元的云檢測(cè)，即從MODIS云產(chǎn)品中提取高水平分辨率得出云檢測(cè)信息之后，與AIRS的像元進(jìn)行空間匹配，從而確定AIRS的像元云檢測(cè)信息；綜合利用特征向量統(tǒng)計(jì)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(jì)法反演得到背景廓線、牛頓非線性物理迭代等步

24、驟。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可實(shí)現(xiàn)輸入空間到輸出空間的非線性映射，相比于統(tǒng)計(jì)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(wú)需做關(guān)于數(shù)據(jù)分布的任何假定，具有較好的容錯(cuò)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和用實(shí)際的觀測(cè)資料做實(shí)驗(yàn)時(shí)，其精度并沒(méi)有明顯改進(jìn)，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(guó)內(nèi)基于AIRS資料反演大氣溫度、濕度垂直廓線大多采用的是特征向量統(tǒng)計(jì)反演法，該方法本質(zhì)是一種基于最小二乘法的統(tǒng)計(jì)回歸算法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可實(shí)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(jì)一物理算法。模擬分析研究表明,

25、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(jì)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(diǎn)數(shù)分別為30、63和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(shí)樣本庫(kù)按窗區(qū)亮度溫度和掃描角分類，訓(xùn)練出適合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)。306310運(yùn)用實(shí)況AIRS觀測(cè)資料進(jìn)行大氣溫度廓線反演實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明兩種算法在計(jì)算時(shí)間效率和反演精度上相當(dāng)。特征向量統(tǒng)計(jì)反演法目前發(fā)展已經(jīng)比較成熟，針對(duì)紅外高光譜觀測(cè)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

26、量統(tǒng)計(jì)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(jì)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(wèn)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(jìn)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(wú)線電探空資料，而反演測(cè)試針對(duì)的是中國(guó)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(qiáng)的相關(guān)性。NASA產(chǎn)品算法NASA試驗(yàn)產(chǎn)品反演算法是AIRS/AMSU核心算法,米用全新的反演技術(shù)，充分考慮各通道噪聲的來(lái)源以及晴空輻射訂正的誤差,得到的大氣反演參數(shù)對(duì)于初估場(chǎng)依賴性很弱。NASA產(chǎn)品反演算法通過(guò)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)法（EOF）獲取大氣溫度、濕度的初估場(chǎng)，并利用AMSU微波資料，

27、得到大氣溫度廓線，用于晴空輻射訂正。在假定相鄰視場(chǎng)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示為RiCLRI+耳1（RIKk-Fl）+%（比i一吒仆+婦k）+%（吒i一比2）式中，k為云層數(shù)目;ni,nk是k個(gè)獨(dú)立于通道的未知常數(shù)，總共需要k+i個(gè)觀測(cè)值求解上述k個(gè)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(guò)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(lái)做星載紅

28、外高光譜資料反演有云時(shí)大氣溫濕廓線的訓(xùn)練樣本，剩余200條則作為驗(yàn)證反演算法的獨(dú)立樣本。對(duì)1800條大氣廓線利用紅外輻射傳輸模式模擬有云時(shí)的衛(wèi)星紅外觀測(cè)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），云頂高度分別在200hPa、300hPa、500hPa、700hPa和850hPa時(shí)進(jìn)行模擬，這樣組合共有1800*26個(gè)模擬單層云輻射樣本。假設(shè)AIRS有云影響的像元觀測(cè)的輻射值為Rv（波數(shù)v的函數(shù)），有效云量為N£c,v（由云的比輻射率8C,與云量乘積得到）則對(duì)一個(gè)部分云覆蓋的像元而言,向上的輻射可以寫(xiě)成晴空和云輻射項(xiàng)的線性組合。下標(biāo)c表

29、示云，Rclr、Rcld分別代表像元內(nèi)的晴空、蔽光云輻射值。對(duì)于較為稠密的蔽光云，在紅外波段可認(rèn)為是黑體，此時(shí)衛(wèi)星接收到的輻射來(lái)自云頂和云上大氣，完全被云頂高度在pc蔽光云（£c,v=1）覆蓋像元的輻射值為其中：B是普朗克輻射值，TC和T0表示從云頂pc到大氣頂?shù)南蛏贤高^(guò)率和大氣頂處的透過(guò)率（T0=0）。模擬時(shí)采用的是SARTA（Stand-AloneRadiativeTransferAlgorithm）前向模式，這是一個(gè)用于計(jì)算AIRS輻射傳輸值的快速正演模式。特征向量統(tǒng)計(jì)反演法如果每個(gè)通道的衛(wèi)星觀測(cè)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

30、性函數(shù)。寫(xiě)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(jué)包含L層（101層）的大氣溫度、L層的大氣水汽混合比（實(shí)際應(yīng)用時(shí)取水汽混合比的對(duì)數(shù)），Y則包含n個(gè)（使用的AIRS通道數(shù)）衛(wèi)星觀測(cè)輻射值或亮度溫度，O是儀器的噪音及其它誤差源。我們的目的是要對(duì)方程（3）求反解，求解X，實(shí)際應(yīng)用中，常用樣本輻射值的偏差陣Y來(lái)統(tǒng)計(jì)回歸系數(shù)。(4)(5)1C=""NSl“-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)：心=必，=心材二(8)(10)其中：n是通道的個(gè)數(shù),NS是訓(xùn)練

31、樣本數(shù)，下標(biāo)tr代表訓(xùn)練資料。反演時(shí)（對(duì)獨(dú)立樣本或?qū)崟r(shí)資料）下標(biāo)obs表示觀測(cè)或模擬的輻射值。經(jīng)反復(fù)模擬試驗(yàn)，取ne=300，對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)值取前300個(gè)特征向量，試驗(yàn)表明選取前300個(gè)特征向量進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交分解可提供足夠的光譜信息，用特征向量統(tǒng)計(jì)法不僅可以減小回歸計(jì)算的維數(shù)，還可以減小觀測(cè)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(jì)算回歸系數(shù)時(shí)采用云頂高度分類，對(duì)不同云頂高度200hPa、300hPa、500hPa、700hPa、850hPa和晴空時(shí)分別計(jì)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(cè)器放置于地面來(lái)

32、獲得大氣數(shù)據(jù)。如：傅里葉變換紅外遙感光譜輻射計(jì)星載大氣遙感會(huì)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，而地基大氣遙感可以避免高空氣體物質(zhì)也會(huì)隨溫度，壓力不同輻射紅外光對(duì)探測(cè)器測(cè)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(cè)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(shí)間取樣頻率高和資料一致性好的優(yōu)點(diǎn)，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(huì)變得越來(lái)越低。而地基的遙感探測(cè)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(bǔ)天基儀器的缺陷。Smith于1970年提出可以利用地基遙

33、感探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，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，主要有利用觀測(cè)輻射和探空廓線歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)反演法和基于輻射傳輸過(guò)程的物理反演法。統(tǒng)計(jì)反演方法統(tǒng)計(jì)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(jì)關(guān)系。正是這個(gè)特點(diǎn)，使得統(tǒng)計(jì)算法相比于物理反演算法計(jì)算速度更快,無(wú)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(jì)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(jì)方法，即將輻射傳輸方程線性化，利用由溫濕廓線與對(duì)應(yīng)的輻射值組成的樣本在建立起的二者之間的最

34、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(shí)時(shí)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(kāi)發(fā)了IMAPP軟件包，目前該軟件包在天基遙感探測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用；在地基遙感探測(cè)中，AERI在日常運(yùn)行中使用的AERIprof軟件包也是利用該算法計(jì)算?！皠冄笫[”方法“剝洋蔥”算法利用模式計(jì)算的輻射值與觀測(cè)輻射的差值，根據(jù)物理迭代算法來(lái)調(diào)整初始廓線，使得模擬輻射與觀測(cè)輻射的差值逐漸減小，直至達(dá)到設(shè)定的閾值，此時(shí)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(jì)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(gè)循環(huán)迭代方案，利用第一