CrIS超光谱数据的臭氧廓线快速反演方法
【专利摘要】本发明公开了一种CrIS超光谱数据的臭氧廓线快速反演方法，该方法主要解决如何利用超光谱数据CrIS快速反演臭氧廓线，其包括以下步骤：利用卫星测量CrIS数据；通过CRTM辐射传输模型模拟辐射值；利用主成分分析法，对模拟辐射值协方差矩阵进行经验正交展开；利用最小二乘法，对廓线样本矩阵和模拟辐射值经验正交展开矩阵进行最佳拟合，计算回归系数；获取CrIS数据结合回归系数实现臭氧廓线的快速反演。本发明能够较为稳定且快速地利用CrIS超光谱数据进行臭氧廓线反演，为监测臭氧分布提供一种重要的技术手段，进而为更深层次的理解和量化空气质量及预测局地和区域尺度的空气质量提供必要的前提。
【专利说明】Cr IS超光谱数据的臭氧廓线快速反演方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种卫星遥感数据臭氧廓线快速反演的方法，尤其涉及一种基于特征向量统计回归的Cris超光谱数据的臭氧廓线快速反演方法，属于卫星遥感数据臭氧廓线反演领域【技术领域】。
【背景技术】
[0002]臭氧是地球大气中一种十分重要但又十分特殊的微量气体，在大气化学反应和气候变化中起着重要的作用，平均而言，约90%的臭氧分布于平流层，其余10%则主要分布于对流层。分布于平流层的臭氧对太阳短波紫外辐射有强烈的吸收作用，这是避免过多的紫外线对地球生物及环境损害的重要保障。而分布于对流层的少量臭氧能大量地吸收地球及低层大气热辐射，这是产生温室效应的因素之一。光化学和动力学过程会造成臭氧垂直分布的重要变化，对流层的臭氧时空分布变化很大，因此监测臭氧分布对于理解和量化空气质量以及预测局地和区域尺度的空气质量尤为重要。
[0003]目前的臭氧廓线反演技术主要有:
[0004]1、紫外差分吸收光谱(DOAS)算法:
[0005]卫星观测到的辐射值受到瑞利散射、米散射以及多种吸收气体的影响。在这些大气的消光作用中，分子瑞利散射和气溶胶米散射分别正比于波长的负四次方和波长的负一次方，是随波长缓慢变化的效应；而气体吸收则与波长密切相关，是随波长快速变化的效应。差分吸收光谱法就是根据大气消光效应随波长变化快慢的差异，通过低阶多项式拟合得到其中的慢变效应，然后从快变部分中提取目标气体沿吸收路径的总量信息。
[0006]2、红外最优估计法(OEM):
[0007]最优估计法是对大气辐射传输方程的一种迭代求解法，该方法在确定一个代价函数后，用先验条件把解约束在一定范围内，然后用牛顿迭代逐步逼近真解的最大似然估计。迭代公式如下:
【权利要求】
1.CrIS超光谱数据的臭氧廓线快速反演方法，其特征在于，该方法具体为: 1)利用对地观测卫星、国家极地轨道运行环境卫星系统以及其上搭载的交叉跟踪红外探测器来对地球大气进行CrIS数据测量； 2)利用CRTM辐射传输模型，输入廓线训练样本，模拟辐射值； 3)将训练样本的模拟辐射值，按照大气窗区亮温、扫描角以及土地类型进行分类； 4)利用主成分分析法，对模拟辐射值协方差矩阵进行经验正交展开，取模拟辐射值协方差矩阵的有限个主成分分量组成经验正交展开矩阵； 5)利用最小二乘法，对廓线样本矩阵和模拟辐射值经验正交展开矩阵进行最佳拟合，计算特征向量统计回归系数； 6)获取NCEP模式数据，提取土地分类，从CrIS数据中分别读取天顶角、辐射值，找到匹配的回归系数； 7)利用CrIS数据，结合已经计算好的回归系数反演得到最终的臭氧廓线。
2.如权利要求1所述的CrIS超光谱数据的臭氧廓线快速反演方法，其特征在于，所述步骤2)包括如下步骤: A)获取有代表性的臭氧廓线训练样本； B)对扫描角进行分类，从0-50。分为11类，利用CRTM快速透过率模型，模拟得到不同扫描角下的训练样本辐射值。
3.如权利要求1所述的CrIS超光谱数据的臭氧廓线快速反演方法，其特征在于，所述步骤3)具体为:将模拟得到的辐射值转化为亮温值，按照大气窗区波数gioiScnT1总共11个波段的亮温均值，并结合土地类型进行分类。
4.如权利要求1所述的CrIS超光谱数据的臭氧廓线快速反演方法，其特征在于，所述步骤4)包括如下步骤: A)计算分类后得到的模拟辐射值的协方差矩阵； B)利用主成分分析法，对模拟辐射值协方差矩阵进行经验正交展开，取模拟辐射值协方差矩阵的有限个主成分分量组成经验正交展开矩阵。
5.如权利要求1所述的CrIS超光谱数据的臭氧廓线快速反演方法，其特征在于，所述步骤I)中CrIS数据提供了 1305个光谱通道，覆盖了 9.14-15.38um的长波红外、.5.71-8.26um的中波红外和3.92-4.64um的短波红外，3个波段范围，其光谱分辨率分别为.0.625cm \ 1.25cm 1 和 2.5cm、
【文档编号】G01N21/3504GK103675792SQ201310656257
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】马鹏飞, 陈良富, 陶金花 申请人:中国科学院遥感与数字地球研究所