[發明專利]一種溫壓廓線與切高聯合反演方法

有效

• 申請號: 201710712384.3
• 申請日: 2017-08-18
• 公開（公告）號: CN107505632B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 李小英;王雅鵬;王紅梅;朱松巖;苗晶
• 申請（專利權）人: 中國科學院遙感與數字地球研究所
• 主分類號: G01S19/14
• 分類號: G01S19/14;G01W1/00
• 代理公司: 北京億騰知識產權代理事務所(普通合伙) 11309
• 代理人: 陳霽

本發明涉及一種溫壓廓線與切高聯合反演方法，通過構建先驗廓線、先驗協方差矩陣、觀測協方差矩陣；將衛星觀測的地理與幾何信息輸入正向輻射傳輸模型SCIATRAN，得到模擬值和溫度的權重函數，結合所述模擬值、溫度的權重函數、先驗廓線、先驗方差矩陣和觀測協方差矩陣，基于最優估計算法得到溫度廓線；基于最優估計算法實現掩星傳感器的溫度廓線反演，并在反演迭代的過程中，使用流體靜力學平衡方程，實現壓強與切高的同步反演，通過迭代，最終得到溫度廓線、壓強廓線，校正后切高。

技術領域

本發明涉及掩星觀測技術領域，尤其涉及一種基于掩星傳感器的溫壓廓線與切高聯合反演方法。

背景技術

溫度和壓力廓線是進行痕量氣體反演所必備的大氣參數，溫壓參數精度直接影響其他大氣成分反演的精度。掩星觀測的有效垂直高度為10-100km，氣象資料無法提供足夠有效數據，因此大氣溫度和壓力廓線需要從探測儀的觀測數據中反演獲取。對紅外通道利用CO₂的吸收通道進行溫壓反演是常規的做法。

對于掩星觀測，傳感器的觀測指向信息對于反演來說是至關重要的，這關系到傳感器接受輻射的傳播路徑。觀測指向主要體現為觀測路徑的大氣切高，在高層中由于大氣相對稀薄，觀測路徑中由于氣體濃度差異導致的光線折射很弱，可以忽略不計，觀測切高可利用衛星觀測幾何以及日地相對位置信息計算得到。但對于低層大氣，觀測路徑上氣體濃度梯度變化明顯，光線折射對傳輸路徑影響明顯，切高不能利用觀測幾何信息簡單計算獲取，需要將切高作為一個未知數和待反演參數一起進行擬合獲取。

目前，國際上已有的紅外掩星傳感器ACE-FTS獲得溫壓廓線與切高廓線的方法是將下層(40Km以下)的切高作為一個擬合因子，對該區域的切高采用全局擬合的方法獲得，對上層(40km以上)，認為相鄰切高間的高度差是準確的，不作為擬合因子?；谌謹M合的方法獲得溫壓廓線與切高序列的方式誤差不可定量估計。現階段，基于最優的反演算法，具有誤差可定量估計，適用范圍廣的優勢，廣泛應用于紅外與太赫茲波段的臨邊探測器。但是最優估計算法在掩星傳感器的溫壓廓線與切高聯合反演中，還未使用。

發明內容

本發明的目的在于，解決現有技術中存在的上述不足之處。

為實現上述目的，本發明提供了一種溫壓廓線與切高聯合反演方法，該方法包括以下步驟：構建先驗廓線、先驗協方差矩陣、觀測協方差矩陣；將衛星觀測的地理與幾何信息輸入正向輻射傳輸模型SCIATRAN，得到模擬值和溫度的權重函數，結合模擬值、溫度的權重函數、先驗廓線、先驗方差矩陣和觀測協方差矩陣，基于最優估計算法得到第一溫度廓線；根據溫度廓線基于流體靜力學平衡方程計算壓強廓線；根據壓強廓線基于流體靜力學平衡方程計算切高；通過迭代計算，得到第二溫度廓線、壓強廓線，校正后切高。

優選地，最優化算法包括以下步驟：

將模擬值，溫度的權重函數，先驗廓線、先驗方差矩陣、觀測協方差矩

陣，代入以下公式：

其中，x_a代表先驗估計，代表先驗估計的協方差，K^T代表權重函數的轉置，S_y代表觀測誤差的協方差，y代表實測值，f代表正向模型函數，代表估計的大氣參數。

優選地，根據流體靜力學平衡方程計算壓強廓線的具體公式為

其中，z代表切高；P代表壓強；g代表重力加速度；M_r代表空氣相對分子質量，在80km以下時，可作為常數；R代表氣體常數；T代表溫度。

優選地，根據流體靜力學平衡方程計算切高的具體公式為