高光谱分辨率红外遥感大气温湿度廓线反演方法研究

【摘要】： 随着数值预报模式的快速发展和全球环境变化引起广泛的关注，卫星大气遥感面临更高的要求，现有的业务垂直探测系统已经不能够满足科学和社会生产应用的需要。目前的业务垂直探测仪器NOAA／HIRS3由于其权重函数较为平坦，接收到的辐射能量来自一个相当厚的气层，因而探测大气精细垂直结构变得几乎不可能。卫星反演的水平分辨率和时间分辨率是其它探测方法无法相比的，因此解决其低垂直分辨率的问题是目前大气垂直探测的当务之急。美国和欧洲气象卫星组织率先发展了红外高光谱探测仪器，我国的高光谱探测仪器也进入计划之中。相应地，高光谱资料的处理和反演方法研究也势在必行。在这样的背景下，本文开展了高光谱分辨率红外遥感大气温湿度廓线反演方法的研究工作，主要包括： (一)分析了目前在高光谱数据预处理中普遍使用的主成分分析方法，提出了独立分量分析处理方法，指出独立分量分析具有提取卫星资料中十分重要的高阶统计量和处理非高斯信号的能力，因而更适合高光谱分辨率遥感资料的处理。 (二)分析了目前常用的各种物理反演方法之间的联系和各自的优缺点，在现代最优化理论框架下统一了求解大气遥感反演问题的思路和方法，使求解大气遥感反演问题的研究工作立足于一个更坚实的的理论基础，具有更强的系统性。在此基础上提出了求解大气反演问题的Levernberg-Marquardt方法和信赖域方法，克服了当Hesse矩阵为奇异时无法求解的困难。 (三)提出了利用神经网络反演温度廓线的新的逐层反演的策略，该方法在很大程度上节约了神经网络训练时间并给出了比通常方法更好的反演结果。 (四)通过反演误差敏感性试验揭示了高光谱遥感大气温湿度廓线的一些特点，如反演误差与光谱覆盖范围有关，且不同的光谱波段对不同的大气层上的温、湿度反演误差有影响；在光谱覆盖整个红外谱段的条件下，当通道数量大于100时，反演误差对通道数量的增减不敏感，而当通道数量小于100时，增减通道数量时反演误差变化十分明显。本文还研究了微波、非卫星观测因子、青藏高原在反演中的作用，得到了一些有价值的试验结果。 (五)在给定空间垂直分辨率的条件下，研究了通道宽度和通道数量对反演精度的影响，从大气温、湿度廓线反演的角度提出了发展我国自己的高光谱红外大气探测仪器的性能参数的最低限度要求，指出发展具有发展具有100个左右的光谱通道，通道宽度为2～4个波数的干涉式红外大气探测仪器(比我国目前FY-3初期的滤光片式红外分光计的光谱波段宽度减小3～4倍)，可明显改善大气参数反演精度，同时也能够基本满足现阶段的使用要求。为发展具有我国自己特点的高光谱红外大气探测仪器提供了重要的科学依据。 (六)利用经过晴空订正的高光谱资料和温湿度反演场、AIRS业务反演温湿度产品、ATOVS业务反演温湿度场和ECMWF再分析场，计算了大气环境参数和各种不稳定度指数，比较了计算结果，指出了空间分辨率(垂直／水平)在天气监测中的重要作用；指出了卫星遥感中有云视场对天气监测的重要性。 (七)本工作为我国未来高光谱卫星数据产品开发提供了算法储备，具有实际的应用价值。

【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：P407.6