利用临边遥感数据反演大气臭氧剖面的层析成像方法

摘要

本发明涉及一种利用临边遥感数据反演大气臭氧剖面的层析成像方法。利用临边遥感数据反演大气臭氧剖面的层析成像方法是通过分别计算视线向量与大气网格径向垂直分界和大气层水平分界交点，合并两种类型交点再计算相邻交点距离得到截距；将层析成像方法应用到联系体发射率与辐射亮度方程上，并选用乘迭代重建技术，得到了体发射率的反演迭代模型，对体发射率进行解算；最后利用奇氧族光化学模型将体发射率与臭氧数密度联系起来，选择牛顿迭代法实现臭氧剖面的反演。

主权项

1.一种利用临边遥感数据反演大气臭氧剖面的层析成像方法，其特征在于，包括如下顺序和步骤：a、临边遥感轨道数据的读取与预处理：先读取卫星轨道辐射亮度数据、卫星地理坐标及观测时间，并读取辐射亮度对应观测视线的切点的地理坐标、切高、太阳天顶角、相对方位角数据；b、根据读取的卫星地理坐标和观测视线切点的地理坐标，计算卫星和切点的地心三维直角坐标及轨道面内的升交点地理坐标；c、依据卫星升交点地理坐标确定反演大气剖面沿轨道方向角度边界，由切点升交点地理坐标确定反演大气高度范围；d、然后由卫星和切点的轨道面升交点坐标系的地理坐标计算卫星和每个切点的直角坐标；e、大气气辉体发射率反演：首先根据反演大气范围内的卫星和切点升交点直角坐标计算切点到卫星的视线向量，然后计算视线向量与反演范围内大气网格截距：——视线与大气网格截距计算先根据反演大气范围内的卫星和切点升交点直角坐标计算切点到卫星的视线单位向量P_asc，利用下式计算视线与大气壳体层交点至卫星的距离，式中：S_asc为地球至卫星的向量，R_sat为卫星距地心距离，r为视线切点与地心距离，其中，最大的r为大气网格顶层距地心高度，最小的r由下式确定，视线与径向角度分界交点至卫星距离，由下式计算，式中：S_x和S_z分别是S_asc在升交点坐标系X轴和Z轴上的投影，P_x和P_z分别是P_asc在升交点坐标系X和Z轴上的投影，γ_asc是从升交点起始的大气网格角度分界角度，其计算范围由视线与顶层大气网格两交点确定；将每条视线的两种类型交点距离合并按从小到大的顺序排序，相邻两距离作差，即为视线与大气网格截距；由下式计算视线通过网格索引， 式中：AngleNumer是角度索引，从X轴开始起算，逆时针方向增加；ShellNumber是大气层索引，从最低反演大气层起算；floor是取整函数，DeltaAngle和DeltaShell分别是角度和大气层分辨率，ShellMin为最低反演大气层高；f、由氧红外波段大气临边观测辐射亮度实质是体发射率沿视线积分原理出发，建立层析成像反演模型，选择乘代数重建方法进行解算；其中包括初值估算，和迭代计算两个步骤：——大气体发射率初估视线通过网格的截距和相应的索引，分别得到视线通过网格的索引和通过每个网格的视线索引，由下式计算权重因子，由下式计算中间量O’，O′_ij＝O_i·β_ij式中：O_i是视线i观测的辐射亮度，则体发射率的初值由下式计算，其中L_ij是第i条视线与第j个大气网格相交的截距——迭代反演体发射率计算第n-1次模拟的辐射亮度，利用以下迭代计算方程计算体发射率，式中：和分别是第j个大气网格经过第n次和n-1次迭代计算后的体发射率，O_i和分别视线i观测辐射亮度和第n-1次模拟的辐射亮度，β_ij为权重因子，迭代次数达到30时，设置为达到收敛条件，停止迭代；g、大气臭氧剖面反演：首先由比尔定律，用初始大气数据库计算大气网格在不同太阳天顶角下的太阳辐射，由此计算奇氧族光化学反应的光解反应系数；——计算光解系数 按反演的数据的几何条件，用下式计算高度z₀对波数为v的太阳辐射的光学厚度，式中：s为太阳辐射路径，n_i(s)为路径s处的吸收气体i的数密度，σ_i(s，v)为路径s处吸收气体i对波数v的辐射的吸收截面；用下式计算不同高度不同太阳天顶角下的太阳辐射，F(z₀，v)＝F_∞(v)exp[-τ(z₀，v)]式中：F_∞(v)为波数为v的大气顶太阳辐射，τ(z₀，v)为在高度z₀波数为v的光学厚度，由下式计算波段区间v1至v2的光解系数由JPL库资料得到自发辐射系数A和碰撞湮灭系数k，——臭氧剖面反演按下式体发射率正向模拟模型，对不同高度臭氧进行扰动进行模拟，Y＝F(X，A)按下式计算计算雅可比矩阵，式中x和Δx分别为臭氧数密度和臭氧数密度扰动量，f_n(x_k)和f_n(x_k-Δx)分别为k高度臭氧数密度扰动前后模拟的体发射率，利用下述迭代格式计算臭氧数密度，x⁽ⁿ⁺¹⁾＝x⁽ⁿ⁾-[F′(x⁽ⁿ⁾)]^-1(F(x⁽ⁿ⁾)-y)式中：x⁽ⁿ⁺¹⁾和x⁽ⁿ⁾分别是迭代n+1次和n次后的臭氧数密度，F(x⁽ⁿ⁾)是用迭代n次后的臭氧廓线模拟的体发射率，F′(x⁽ⁿ⁾)是利用迭代n次的臭氧廓线扰动计算的雅可比矩阵，y是步骤f中反演的体发射率；h、由奇氧族光化学反应出发，建立气辉体发射率连续方程；其中，J，g，k和A分别为光解离系数、光激发系数、碰撞湮灭系数和自发辐射系数；[O(¹D)]是O(¹D)原子的数密度，[O₂(b¹∑)]是分子O₂(b¹∑)的数密度，[O₂(a¹Δ)]是分子O₂(a¹Δ)的数密度，Q为与奇氧族成分碰撞的大气中性分子(N₂，O₂和CO₂等)，[Q]为Q的数密度，数密度单位均为molecule/cm³；i、结合光解反应系数、碰撞湮灭和自发系数，输入初始大气廓线，对气辉体发射率进行模拟；j、基于层析成像反演的二维体发射率剖面，利用牛顿迭代法进行臭氧二维剖面的反演；k、用迭代计算后的臭氧再进行模拟，然后利用公式x⁽ⁿ⁺¹⁾＝x⁽ⁿ⁾-[F′(x⁽ⁿ⁾)]^-1(F(x⁽ⁿ⁾)-y)再迭代计算臭氧廓线，重复模拟和迭代计算，直到连续两次计算的臭氧廓线偏差在1％以内。