专利名称：大气臭氧柱总量探测方法
技术领域：
本发明涉及卫星探测领域，尤其涉及一种大气臭氧柱总量探测方法。
背景技术：
卫星探测器的定标是指确定卫星探测信号(模拟信号或数字信号)与物理量(例如温度、亮度等)之间的对应关系的过程。一般情况下，在卫星发射前对卫星探测器在实验室进行测试，确定用于将卫星探测信号转化成物理量的定标系数。遥感卫星探测器在轨道运行过程中，经常因卫星发射前实验室确定的定标系数不准确而导致被探测的物理量发生偏差。卫星运行过程中传感器的衰减也会导致被探测的物理量产生偏差。在轨定标系数订正是指对卫星在轨道运行过程中定标系数的订正。现有的在轨定标系数订正方法有三种 一是依赖卫星上定标设备的测量结果进行计算，二是通过地面同步观测配合卫星测量完成在轨定标系数的订正，三是通过不同卫星之间同步比对实现在轨定标系数的订正。一般情况下，通过上述三种方法可以追踪卫星在轨运行中性能的变化从而实现在轨定标系数的订正，但是，当卫星发射前在实验室定标过程中发生重大失误，或者卫星在运行过程中性能发生巨大改变时，利用上述方法进行在轨定标系数的订正会遇到困难。臭氧是对生态、气候和环境有重要影响的大气微量气体。1985年Farman等首次发现了南极臭氧洞，之后在中国的青藏高原以及世界上其他高原地区又相继发现了很多微型的臭氧洞。研究臭氧洞的成因和臭氧变化的机理需要高时空分辨率的臭氧监测资料。早在1拟4年，英国物理学家和气象学家G. M. Dobson就发明了利用直射太阳光测量大气臭氧含量的紫外光谱仪，即Dobosn仪器，目前国际上很多地基臭氧观测站仍采用Dobson仪器观测大气臭氧总量，臭氧总量的单位也以他的名字命名，即DobSon(简写为DU)单位。和地基臭氧观测仪器相比，卫星臭氧探测仪(即搭载在卫星上的紫外臭氧探测仪)在时空方面具有明显的优势，使卫星臭氧探测成为监测全球臭氧变化的重要手段。利用大气对太阳紫外线的后向散射反演大气臭氧总量是由Dave等人在20世纪60年代提出的，之后美国、 欧洲相继发射了十几个紫外臭氧探测仪，其中最早的是美国的TOMS系列仪器，分别搭载在美国的 NIMBUS-7 (1978-1993)和 Earth Probe (简称 EP, 1996-2004)、前苏联的 Meteor 3(1991-1994)卫星平台上。我国于2008年5月27日发射的“风云三号”极轨气象卫星也搭载了我国的第一台紫外臭氧总量探测仪(Total Ozone Unit，缩写为T0U)，该仪器与TOMS 仪器具有类似的工作原理。我国的星载紫外臭氧总量探测仪TOU的探测原理和定标方法与TOMS仪器是类似的，因此发射前的实验室定标以及发射后在轨定标方法与TOMS仪器也是相近的。就星载紫外臭氧总量探测仪而言，一般来说，卫星发射后，如果卫星状态没有大的变化，均采用发射前实验室测定的定标系数进行卫星探测信号到物理量的转换，当卫星状态发生变化时，会利用卫星上定标设备的观测值对卫星的性能或定标系数随时间的变化进行重新计算，或者也会采用一些替代方法例如不同卫星之间辐射量进行比较，从而进行相互定标。通过卫星之间相互比对从而实现定标只能在卫星同步观测同一区域进行，即进行同步测量时才能发生作用，并且两个卫星观测点的几何参数要完全一致才能够互相比对。 一般来说，采用星下点比对才能实现，即两颗卫星星下点同时观测同一地面目标。这种定标方法在NOAA卫星搭载的SBUV/2仪器的定标中获得了成功，被称为SNO(Simultaneous Nadir Overpass)方法。但是，当卫星发射前实验室定标发生重大错误，或者卫星进入轨道后探测器发生重大改变时如何对定标系数进行校正，这种方法并没有得到验证，该方法是直接比较两个卫星的探测量，因此最大的局限性就是两个卫星对同一地区的观测必须完全同步才能进行。这也是其他类型的卫星探测器常用的交叉定标技术。我国风云三号卫星首次搭载的紫外臭氧总量探测仪与2008年5月发射升空，在分析数据时发现，反演的大气臭氧总量与国外同类卫星反演的结果以及地面观测结果相比有非常大的偏差，相对偏差甚至大于50%以上，这与仪器的设计指标(相对偏差为10% )有很大的差距。我们首先利用星上设备进行了分析，发现星上的定标设备即太阳辐照度观测结果也同样与正常的结果偏差很大，因此无法使用星上的定标设备进行误差订正。利用普遍采用的不同卫星之间交叉比对，发现由于条件的苛刻，即要求两个卫星观测必须完全同步的情况下才能实现，因此可以利用的比对样本数目不够，一般只能在高纬度地区找到少量满足要求的样本，但由于高纬度地区因太阳天顶角较大，大气散射的太阳紫外辐射比较弱，无法分析在整个动态范围内我国卫星观测结果与国外卫星观测结果之间存在的统计规律。初步的结论是，风云三号卫星紫外臭氧总量探测仪的实验室定标系数发生了重大失误， 而星上定标设备也失败了，无法通过常规的方法解决定标系数的订正问题。如果无法解决， 意味着卫星发射彻底失败。因此，必须找到仪器误差产生的原因，在此基础上找到订正方法。由上可见，如何在星载紫外臭氧探测仪发射前实验室定标发生重大失误，或者卫星在运行过程中性能发生巨大改变导致星上定标设备失败的情况下，比较准确地测定紫外臭氧总量，是臭氧监测领域一个亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大气臭氧柱总量探测方法，能够在星载紫外臭氧探测仪发射前实验室定标发生重大失误，或者卫星在运行过程中性能发生巨大改变导致星上定标设备失败的情况下，比较准确地测定紫外臭氧总量，是臭氧监测领域一个亟待解决的重要问题。为解决上述技术问题，本发明提出了一种大气臭氧柱总量探测方法，包括获取星载紫外臭氧总量探测仪的辐亮度探测数据；根据臭氧总量基准数据和辐射传输方程，逐级确定各个通道的在轨定标系数；从所述辐亮度探测数据中提取臭氧光谱信息，根据所述在轨定标系数对所述臭氧光谱信息进行反演，得到大气臭氧柱总量。进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述根据臭氧总量基准数据和辐射传输方程，逐级确定各个波段通道的在轨定标系数包括根据长波通道星下点在晴空海洋的辐亮度探测数据和辐射传输方程，确定长波通道能量低端星下点方向的在轨定标系数，所述长波通道的中心波长为360nm，宽度为Inm ；根据所述长波通道除星下点外的各个扫描方向在晴空海洋的辐亮度探测数据和辐射传输方程，确定所述长波通道除星下点外的各个扫描方向的能量低端的在轨定标系数；根据长波通道各个扫描方向的能量低端的在轨定标系数和辐射传输方程，确定第一短波通道各个扫描方向能量低端的在轨定标系数，所述第一短波通道的中心波长为 322nm,宽度为 Inm ；根据所述长波通道能量低端的在轨定标系数和第一短波通道能量低端各个扫描方向的在轨定标系数、臭氧总量基准数据和辐射传输方程，确定第二短波通道各个扫描方向能量低端的在轨定标系数，所述第二短波通道的中心波长为312nm，宽度为Inm ；根据所述长波通道能量低端、第一短波通道能量低端以及第二短波通道整个动态范围各个扫描方向的在轨定标系数、臭氧总量基准数据和辐射传输方程，确定长波通道能量高端，第一短波通道能量高端以及其他通道各个扫描方向的在轨定标系数。进一步地，上述方法还可具有以下特点，根据长波通道星下点在晴空海洋的辐亮度探测数据和辐射传输方程，确定长波通道能量低端星下点方向的在轨定标系数包括利用辐射传输方程计算星下点晴空海洋的紫外后向散射辐亮度I。。m。ted，获取星载紫外臭氧总量探测仪星下点在晴空海洋的紫外后向散射辐亮度的探测
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对所述第二短波通道能量低端的辐亮度计算数据和第二短波通道能量低端的辐亮度探测数据用第一拟合公式进行拟合，获得所述第二短波通道能量低端各个扫描方向的在轨定标系数；将所述第二短波通道能量低端各个扫描方向的在轨定标系数外推到所述第二短波通道的整个动态范围，获得所述第二短波通道各个扫描方向的整个动态范围内的在轨定标系数。进一步地，上述方法还可具有以下特点，根据所述长波通道能量低端、第一短波通道能量低端以及第二短波通道整个动态范围各个扫描方向的在轨定标系数、臭氧总量基准数据和辐射传输方程，确定长波通道能量高端，第一短波通道能量高端以及其他通道各个扫描方向的在轨定标系数根据所述长波通道能量低端和第一短波通道能量低端以及第二短波通道整个动态范围各个扫描方向的在轨定标系数，计算第二下垫面反射率；根据所述第二下垫面反射率、臭氧总量基准数据，利用辐射传输方程，确定长波通道能量高端，第一短波通道能量高端以及除第二短波通道以外的其他通道的辐亮度计算数据；对所述长波通道能量高端、第一短波通道能量高端以及其他通道辐亮度计算数据和辐亮度探测数据用第二拟合公式进行拟合，确定长波通道能量高端、第一短波通道能量高端以及除第二短波通道以外的其他通道各个扫描方向的在轨定标系数。本发明利用其他卫星(定标效果较好的卫星)观测的臭氧总量数据，结合辐射传输方程，逐级对各个通道进行定标系数校正，解决了传统的交叉定标方法的局限，能够在星载紫外臭氧探测仪发射前实验室定标发生重大失误，或者卫星在运行过程中性能发生巨大改变导致星上定标设备失败的情况下，比较准确地测定紫外臭氧总量。
具体实施例方式以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。本发明的大气臭氧柱总量探测方法包括如下步骤步骤a，获取星载紫外臭氧总量探测仪的辐亮度探测数据；星载紫外臭氧总量探测仪的辐亮度探测数据可以从卫星探测信号中获得。步骤b，根据臭氧总量基准数据和辐射传输方程，逐级确定各个波段通道的在轨定标系数；这里，臭氧总量基准数据可以是实验室定标准确的其他卫星的臭氧总量探测数据，也可以是地面观测得到的臭氧总量探测数据。步骤c，从步骤a获取的辐亮度探测数据中提取臭氧光谱信息，根据步骤b确定的在轨定标系数对臭氧光谱信息进行反演，得到大气中臭氧柱总量，简称臭氧总量。反演方法是本领域人员的公知常识，此处不再详述。下面通过实施例，说明本发明的臭氧总量的测定方法中步骤b的实现过程。
根据辐亮度基准数据和辐射传输方程，逐级确定各个波段通道的在轨定标系数具体可以通过如下步骤实现步骤一，根据长波通道(中心波长为360nm，宽度为Inm)星下点在晴空海洋的辐亮度探测数据和辐射传输方程，确定长波通道能量低端的在轨定标系数，也即利用长波通道星下点在晴空海洋测量的结果，对长波通道动态范围的能量低端进行订正；将卫星的观测几何参数作为输入，利用辐射传输方程计算长波通道的辐亮度(称为辐亮度计算数据)，再与星载紫外臭氧总量探测仪的辐亮度探测数据进行对比，即可确定长波通道能量低端的在轨定标系数(也可以称为辐射值订正系数)。其中，卫星的观测几何参数可以是卫星天顶角、卫星方位角、太阳天顶角、太阳方位角、经纬度等。步骤一可以通过以下具体的子步骤实现步骤11，利用辐射传输方程计算星下点晴空海洋的紫外后向散射辐亮度I。。m。ted ；星下点是指卫星与地心的连线与地面交叉处对应的观测点。以我国风云三号卫星搭载的紫外臭氧总量探测仪TOU为例，太阳紫外线中的一部分辐射(波长区间为 300nm-360nm)在大气的传输过程中经大气中臭氧分子的吸收、氧气和氮气的散射以及地球表面的反射后到达卫星高度，这部分紫外辐射也叫紫外后向散射，紫外臭氧总量探测仪TOU 接收了紫外后向散射后，计算被臭氧吸收的紫外辐射所占的比例，从而可以获得大气中臭氧总含量。紫外臭氧总量探测仪TOU并不是连续测量300nm-360nm内全部的紫外后向散射， 而是不连续地测量6个波长位置上宽度很窄的紫外波段内的紫外后向散射，这6个波段的宽度大约为Inm(纳米)左右，也可以称这6个波段为6个通道。由于太阳辐射的强度不一样，每个波段内太阳紫外辐射在大气中传播后在到卫星仪器高度上，其能量的分布也发生了变化，因此每个通道测量的紫外后向散射能量都具有不同的动态范围，一般来说波长越长，该通道的能量范围越大，将某一通道能量较低的部分称为能量低端，其余部分称为能量高端。对于紫外臭氧总量探测仪T0U，能量低端对应的模拟信号电压值范围大致为0 2V。 由于长波通道臭氧吸收可以忽略，海洋对于紫外通道的反射率很低，在5%左右，因此可以首先确定长波通道能量低端的在轨定标系数。卫星接收到的信号一般用计数值DC表示，如果实验室定标准确，可以通过实验室定标系数将计数值转化成物理量即辐亮度I，辐亮度I与DC通过实验室定标系数建立如公式(1)的线性关系I = aXDC+b公式(1)公式(1)中，a、b为实验室定标系数。紫外臭氧总量探测仪TOU在发射后，利用实验室定标系数得到的辐亮度进行臭氧总量的反演(即从卫星测量的辐亮度中提取臭氧光谱信息，从而计算出大气臭氧总量)，发现与其他卫星以及地面观测得到的大气臭氧总量几乎完全不一致，因此得到结论，紫外臭氧总量探测仪TOU发射前实验室定标系数存在问题，需要重新进行在轨定标。紫外臭氧总量探测仪TOU在中心波长为360nm的通道6观测的紫外后向散射是不受大气中臭氧的影响的，当卫星在晴空海洋上进行观测时，卫星实际观测到的紫外后向散射I可以利用辐射传输方程计算。辐射传输方程如公式( 所示Ι(λ，θ，θ 0, Ω , P0, R) = Ι3(λ，θ，θ0, φ, Ω，Ρ0)+Ι3(λ，θ，θ 0，φ，Ω，Ρ0，R)
公式⑵
公式O)中，各参数的含义如下I ( λ，θ，θ 0, Ω , P0, R)表示卫星观测到的后向散射辐亮度；Ι3(λ , θ，θ 0, Φ , Ω , P0)表示卫星观测到的后向散射辐亮度中来自大气的贡献；Ι3(λ , θ，θ0, Φ, Ω, P0, R)表示卫星观测到的后向散射辐亮度中来自地面的贡献；λ表示波长，θ表示卫星天顶角，θ ^表示太阳天顶角，Φ表示相对方位角，Ω表示臭氧总量，P0表示表面气压，R表示表面等效反射率。表面反射贡献项可以表述公式(3)Is(W0M^R) = 么)公式⑶Τ(λ，θ，θ 0, Ω , P0) = Id(X，θ，θ0，Ω，Ρ0) ·(λ，θ，Ω , P0)公式(4)公式(3)和公式中，Sb表示大气球反射率，Id表示到达Ptl处的直射漫射辐射的和，f表示表面方向(即卫星观测方向)反射比。来自大气的辐射贡献可表述为公式(5)
权利要求
1.一种大气臭氧柱总量探测方法，其特征在于，包括 获取星载紫外臭氧总量探测仪的辐亮度探测数据；根据臭氧总量基准数据和辐射传输方程，逐级确定各个通道的在轨定标系数； 从所述辐亮度探测数据中提取臭氧光谱信息，根据所述在轨定标系数对所述臭氧光谱信息进行反演，得到大气臭氧柱总量。
2.根据权利要求1所述的大气臭氧柱总量探测方法，其特征在于，所述根据臭氧总量基准数据和辐射传输方程，逐级确定各个波段通道的在轨定标系数包括根据长波通道星下点在晴空海洋的辐亮度探测数据和辐射传输方程，确定长波通道能量低端星下点方向的在轨定标系数，所述长波通道的中心波长为360nm，宽度为1 nm ；根据所述长波通道除星下点外的各个扫描方向在晴空海洋的辐亮度探测数据和辐射传输方程，确定所述长波通道除星下点外的各个扫描方向的能量低端的在轨定标系数；根据长波通道各个扫描方向的能量低端的在轨定标系数和辐射传输方程，确定第一短波通道各个扫描方向能量低端的在轨定标系数，所述第一短波通道的中心波长为322nm，宽度为1 nm ；根据所述长波通道能量低端的在轨定标系数和第一短波通道能量低端各个扫描方向的在轨定标系数、臭氧总量基准数据和辐射传输方程，确定第二短波通道各个扫描方向能量低端的在轨定标系数，所述第二短波通道的中心波长为312nm，宽度为1 nm ；根据所述长波通道能量低端、第一短波通道能量低端以及第二短波通道整个动态范围各个扫描方向的在轨定标系数、臭氧总量基准数据和辐射传输方程，确定长波通道能量高端，第一短波通道能量高端以及其他通道各个扫描方向的在轨定标系数。
3.根据权利要求2所述的大气臭氧柱总量探测方法，其特征在于，根据长波通道星下点在晴空海洋的辐亮度探测数据和辐射传输方程，确定长波通道能量低端星下点方向的在轨定标系数包括利用辐射传输方程计算星下点晴空海洋的紫外后向散射辐亮度I。。m。ted ；获取星载紫外臭氧总量探测仪星下点在晴空海洋的紫外后向散射辐亮度的探测数据Imeasured 根据I。。m。ted和I_sured，通过第一拟合公式确定拟合系数Ctl和C1,所述第一拟合公式如下
4.根据权利要求2所述的大气臭氧柱总量探测方法，其特征在于，根据长波通道各个扫描方向的能量低端的在轨定标系数和辐射传输方程，确定第一短波通道各个扫描方向能量低端的在轨定标系数包括根据长波通道各个扫描方向的能量低端的在轨定标系数，计算各个像元对应的第一下垫面反射率；根据所述第一下垫面反射率和辐射传输方程得到所述第一短波通道的辐亮度计算数据；对所述第一短波通道的辐亮度计算数据和所述第一短波通道的辐亮度探测数据用第二拟合公式进行拟合，所述获得第一短波通道能量低端各个扫描方向的在轨定标系数，其中，第二拟合公式如下
5.根据权利要求2所述的大气臭氧柱总量探测方法，其特征在于，根据所述长波通道能量低端的在轨定标系数和第一短波通道能量低端各个扫描方向的在轨定标系数、臭氧总量基准数据和辐射传输方程，确定第二短波通道各个扫描方向能量低端的在轨定标系数包括根据所述长波通道能量低端和第一短波通道能量低端各个扫描方向的在轨定标系数、 臭氧总量基准数据，用辐射传输方程计算得到第二短波通道能量低端的辐亮度计算数据；对所述第二短波通道能量低端的辐亮度计算数据和第二短波通道能量低端的辐亮度探测数据用第一拟合公式进行拟合，获得所述第二短波通道能量低端各个扫描方向的在轨定标系数；将所述第二短波通道能量低端各个扫描方向的在轨定标系数外推到所述第二短波通道的整个动态范围，获得所述第二短波通道各个扫描方向的整个动态范围内的在轨定标系数。
6.根据权利要求2所述的大气臭氧柱总量探测方法，其特征在于，根据所述长波通道能量低端、第一短波通道能量低端以及第二短波通道整个动态范围各个扫描方向的在轨定标系数、臭氧总量基准数据和辐射传输方程，确定长波通道能量高端，第一短波通道能量高端以及其他通道各个扫描方向的在轨定标系数根据所述长波通道能量低端和第一短波通道能量低端以及第二短波通道整个动态范围各个扫描方向的在轨定标系数，计算第二下垫面反射率；根据所述第二下垫面反射率、臭氧总量基准数据，利用辐射传输方程，确定长波通道能量高端，第一短波通道能量高端以及除第二短波通道以外的其他通道的辐亮度计算数据；对所述长波通道能量高端、第一短波通道能量高端以及其他通道辐亮度计算数据和辐亮度探测数据用第二拟合公式进行拟合，确定长波通道能量高端、第一短波通道能量高端以及除第二短波通道以外的其他通道各个扫描方向的在轨定标系数。
全文摘要
本发明涉及一种大气臭氧柱总量探测方法,包括:获取星载紫外臭氧总量探测仪的辐亮度探测数据；根据臭氧总量基准数据和辐射传输方程，逐级确定各个通道的在轨定标系数;从所述辐亮度探测数据中提取臭氧光谱信息，根据所述在轨定标系数对所述臭氧光谱信息进行反演,得到大气臭氧柱总量。本发明利用定标效果较好的卫星观测的臭氧总量数据，结合辐射传输方程，逐级对各个通道进行定标系数校正，解决了传统的交叉定标方法的局限，能够在星载紫外臭氧探测仪发射前实验室定标发生重大失误，或者卫星在运行过程中性能发生巨大改变导致星上定标设备失败的情况下，比较准确地测定紫外臭氧总量。
文档编号G01S7/497GK102519879SQ20111040035
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月5日 优先权日2011年12月5日
发明者王维和 申请人:国家卫星气象中心