CN101936881A - 利用临边遥感数据反演大气臭氧剖面的层析成像方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

利用临边遥感数据反演大气臭氧剖面的层析成像方法

技术领域：

本发明涉及一种大气化学遥感，尤其是利用氧红外波段大气临边遥感数据通过层析成像反演方法与奇氧族光化学模型结合，反演大气臭氧二维剖面的层析成像方法。

背景技术：

臭氧是大气中最重要的温室气体之一。主要分布在大气平流层内的臭氧是地球生命免遭紫外线伤害的“保护伞”；但是，人类生活的对流层中过高的臭氧含量是有害的甚至有毒的大气污染，能够损害人的眼、肺等，以及影响农作物的产量。

1929年英国人Dobson开始观测研究大气臭氧，特别是自1979年卫星上的TOMS(Total Ozone Mapping Spectrometer)和SBUV(Solar BackscatteredUltraviolet)观测大气臭氧，发现了南极臭氧洞以后，大气臭氧的观测研究进入了空前的快速发展轨道。近年来，研究发现北极大气臭氧在衰减，中国青藏高原的大气臭氧含量也在减少。在新一代对地观测系统中，美国宇航局发射的Terra-Aqua卫星中都搭载了的大气化学探测的遥感器，随后于2004年7月15日又专门发射了大气化学卫星Aura。同时，在欧空局2002年发射的最大的环境卫星Envisat中也搭载了多颗大气化学成分探测的遥感器。当然，所有这些大气化学成分探测中，仍然以大气臭氧等温室气体探测为主。相对传统地面和航空观测技术，卫星遥感大气臭氧能够提供一个全球三维动态的大气臭氧剖面和总量测量。

卫星遥感大气化学成分，从卫星观测几何特征上，主要有天底、掩星和临边三种观测方式，分别利用大气的反射、透射、后向散射，以及大气的热辐射来反演大气的化学成分。不同的观测几何特征，决定了卫星遥感大气臭氧的覆盖范围和大气化学成分数据的水平和垂直分辨率。天底观测能够确保卫星的全球观测范围，但只是提供平流层臭氧总量信息和有限垂直分辨率的臭氧剖面，如比较早的TOMS和GOME(Global Ozone Monitoring Experiment)等仪器。掩星观测类似临边观测，充分利用垂直网格内丰富的光谱信息和相对高的探测深度，能够提供大气成分的剖面信息，但其观测范围只限制在50-80纬度范围内，而且还取决于季节的影响，如SAGEIII、POAM、GOMOS等仪器。相对而言，临边观测只记录大气散射的太阳辐射，能够提供一个更好的地面覆盖和更高垂直分辨率的大气剖面测量，因此，自2001年以来的多颗大气探测遥感卫星都采用了这种观测技术，如Odin卫星上Combined Optical Spectrograph and Infrared Imager System(OSIRIS)，Envisat卫星上的Scanning Imaging Absorption SpectroMeter forAtmospheric CHartographY(SCIAMACHY)，Hitchhiker Junior上的the ShuttleOzone Limb Sounding Experiment(SOLSE)，Aura卫星上的High ResolutionDynamics Limb Sounder(HIRDLS)和Microwave Limb Sounder(MLS)。因此，论文将以卫星遥感大气Limb散射反演臭氧剖面为例，研究层析成像技术在臭氧剖面反演中的应用。

针对不同的卫星观测结果，近年来开发了许多不同算法来反演大气臭氧剖面。OSIRIS臭氧剖面反演采用了与SOLSE反演一样的技术，基于正规化的Limb辐射剖面，综合利用辐射传输模型(LIMBTRAN)和最优化估计(OE)方法；SCIAMACHY臭氧剖面利用辐射传输模型(SCIARAYS)和臭氧在可见光波长范围内的Chappuis波段进行反演的；GOME臭氧剖面反演算法也是基于辐射传输模型模拟的辐射和GOME测量的辐射差的最小化方法。这些反演大气臭氧剖面的物理算法都是利用了一些已知的大气臭氧剖面测量数据作为先验知识或者它们的正规化、最优化方法来反演的，同时假设大气化学成分具有均匀的水平结构。尽管这些方法都得到了相对较高的剖面反演精度，即具有较高的垂直分辨率，但是大气臭氧的水平结构信息反演却无能为力，即其水平分辨率却非常低。且基于地基、火箭和卫星平台，利用臭氧对紫外辐射在Hartley波段的吸收特性反演臭氧浓度的应用已有很多。这些直接的观测能得到40-75km高度间的精确的臭氧数据，但通常由于吸收不足反演高度仅限于75km以下。现有的反演方法只能得到臭氧总量信息或垂直分辨率很低的廓线。

发明内容：

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供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。

要解决的技术问题是：要解决视线与大气网格截距的计算问题；要解决如何由红外辐射原理将气辉体发射率与辐射亮度联系起来组成正向模拟方程，并选择数值算法来对大型稀疏超正定方程进行解算，从而反演大气体发射率；要解决如何由大气网格体发射率计算相应的臭氧数密度，从而实现臭氧剖面的反演。

所采用的技术方案是：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。

利用临边遥感数据反演大气臭氧层剖面的层析成像方法，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、高度、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剖面沿轨道方向大气角度边界，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；

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；

$V_j^{\left(n\right)}=V_j^{(n-1)}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left(\frac{O_i}{O_{\mathrm{iest}}^{(n-1)}}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}\right)$

$V_j^{\left(1\right)}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left(\frac{O_i}{{\mathrm{\Σ}}_j{L}_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}\right)$

${\mathrm{\Σ}}_j{L}_{\mathrm{ij}}{V}_j^{(n-1)}=O_{\mathrm{iest}}^{(n-1)}$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}=\frac{L_{\mathrm{ij}}}{{\mathrm{\Σ}}_i{L}_{\mathrm{ij}}}$

其中，

和

分别为第j个大气网格中体发射率初值和经过第n次迭代后的反演值，O_i是第i条视线辐射亮度，O^(n-1) _iest是第i条视线模拟估计辐射亮度，L_ij是第i条视线通过第j个大气网格截距，。β_ij称为权因子。

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；

h、由奇氧族光化学反应出发，建立气辉体发射率连续方程；

$\left[O\left(D_1\right)\right]=\frac{J_H\left[O_3\right]+(J_{\mathrm{SRC}}+J_{\mathrm{Ly}-\mathrm{\α}})\left[O_2\right]}{A_D+k_D\left[Q_D\right]}$

$\left[O_2\left(b^1\mathrm{\Σ}\right)\right]=\frac{g_{\mathrm{\Σ}}\left[O_2\right]+\mathrm{\φ}{k}_{D,O_2}\left[O\left(D_1\right)\right]\left[O_2\right]}{A_{\mathrm{\Σ}}+k_{\mathrm{\Σ}}\left[Q_{\mathrm{\Σ}}\right]}$

$\left[O_2\left(a^1\mathrm{\Δ}\right)\right]=\frac{J_H\left[O_3\right]+g_{\mathrm{\Δ}}\left[O_2\right]+k_{\mathrm{\Σ}}\left[Q_{\mathrm{\Σ}}\right]\left[O_2\left(b^1\mathrm{\Σ}\right)\right]}{A_{\mathrm{\Δ}}+k_{\mathrm{\Δ}}\left[Q_{\mathrm{\Δ}}\right]}$

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。

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，选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，然后利用上面的迭代计算式再迭代计算臭氧廓线。

有益效果：本发明提供了一套利用临边氧红外辐射亮度数据反演二维臭氧剖面的层析成像的方法流程，与现有的总量反演和一维廓线反演相比，在提高大气臭氧剖面垂直分辨率的前提下，同时得到大气臭氧的水平结构信息，提供水平和垂直两个维度高分辨率剖面；通常利用可见光临边散射数据只能反演平流层以下的臭氧，而利用气辉红外辐射数据可以将臭氧反演高度提高至中间层。可应用于利用临边遥感数据进行大气化学成分的探测，为大气环境的监测奠定基础。

附图说明：

附图1为利用临边遥感数据反演大气臭氧剖面的层析成像方法的卫星临边扫描大气示意图；

附图2为利用临边遥感数据反演大气臭氧剖面的层析成像方法的层析成像反演体发射率流程图；

附图3为利用临边遥感数据反演大气臭氧剖面的层析成像方法的牛顿迭代反演臭氧流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和实例做进一步的详细说明：

利用临边遥感数据反演大气臭氧剖面的层析成像方法，是利用层析成像技术从临边红外遥感数据反演大气体发射率，然后结合光化学模型实大气体发射率模拟，再利用牛顿迭代方法反演大气臭氧剖面。

步骤1：临边遥感轨道数据的读取与预处理

a)读取卫星轨道数据

读取卫星轨道辐射亮度数据、卫星地理坐标其及观测时间，并读取辐射亮度对应观测视线的切点的地理坐标、高度、角度数据。

b)计算卫星与切点升交点直角坐标

根据读取的卫星和切点几何数据，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。由卫星升交点地理坐标确定反演大气角度方向范围，由切点升交点地理坐标确定反演大气高度范围。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，升交点坐标系如图1所示。

步骤2：大气气辉体发射率反演

如图2所示流程。

a)视线与大气网格截距计算

如图1所示，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，即如图1中所示视线与红外大气层相交的交点，

$s=-({\underset{\‾}{S}}_{\mathrm{asc}}\·{\underset{\‾}{P}}_{\mathrm{asc}})\±\sqrt{({\underset{\‾}{S}}_{\mathrm{asc}}\·{\underset{\‾}{P}}_{\mathrm{asc}})-{R_{\mathrm{sat}}}^2+r^2}$

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，

$r_{\tan }=\sqrt{{R_{\mathrm{sat}}}^2-({\underset{\‾}{S}}_{\mathrm{asc}}\·{\underset{\‾}{P}}_{\mathrm{asc}})}$

视线与径向角度分界交点至卫星距离，如图1所示的视线与蓝色径向角度分界的交点距离，由下式计算，

$s=\frac{S_x\tan {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{asc}}-S_z}{P_z-P_x\tan {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{asc}}}$

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，

$\mathrm{AngleNumer}=\mathrm{floor}\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{asc}}}{\mathrm{DeltaAngle}}\right)\mathrm{ShellNumber}=\mathrm{floor}\left(\frac{r_{\mathrm{asc}}-\mathrm{ShellMin}}{\mathrm{DeltaShell}}\right)$

式中：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。

b)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，

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}=\frac{L_{\mathrm{ij}}}{{\mathrm{\Σ}}_i{L}_{\mathrm{ij}}}$

由下式计算中间量O’，

O′_ij＝O_i·β_ij

则体发射率的初值由下式计算，

$V_j^{\left(1\right)}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left(\frac{O_i}{{\mathrm{\Σ}}_j{L}_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}\right)$

其中L_ij是第i条视线与第j个大气网格相交的截距

c)迭代反演体发射率

计算第n-1次模拟的辐射亮度，

$O_{\mathrm{iest}}^{(n-1)}={\mathrm{\Σ}}_j{L}_{\mathrm{ij}}{V}_j^{(n-1)}$

利用以下迭代计算方程计算体发射率，

$V_j^{\left(k\right)}=V_j^{(k-1)}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left(\frac{{O^{\′}}_{\mathrm{ij}}}{O_{\mathrm{iest}}^{(k-1)}}\right)$

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。

步骤3：大气臭氧剖面反演

如图3所示的反演流程。

a)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ν的太阳辐射的光学厚度，

$\mathrm{\τ}(z_0,v)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{z_0}^{\∞}{n}_i\left(s\right){\mathrm{\σ}}_i(s,v)\mathrm{ds}$

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，ν)为路径s处吸收气体i对波数ν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，ν)＝F_∞(ν)exp[-τ(z₀，ν)]

式中：F_∞(ν)为波数为v的大气顶太阳辐射，τ(z₀，ν)为在高度z₀波数为ν的光学厚度，

由下式计算波段区间ν1至ν2的光解系数

$J_X\left(z_0\right)={\∫}_{v1}^{v2}{\mathrm{\σ}}_X\left(v\right)F(z_0,v)\mathrm{dv}$

由JPL库资料得到自发辐射系数A和碰撞湮灭系数k。

b)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，

$F^{\′}\left(x\right)=\left(\begin{array}{ccc}\frac{f_1\left(x_1\right)-f_1(x_1-\mathrm{\Δx})}{\mathrm{\Δx}}& ...& \frac{f_1\left(x_n\right)-f_1(x_n-\mathrm{\Δx})}{\mathrm{\Δx}}\\ ...& ...& ...\\ \frac{f_n\left(x_1\right)-f_n(x_1-\mathrm{\Δx})}{\mathrm{\Δx}}& ...& \frac{f_n\left(x_n\right)-f_n(x_n-\mathrm{\Δx})}{\mathrm{\Δx}}\end{array}\right)$

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2中反演的体发射率。

用迭代计算后的臭氧再进行模拟，然后利用上面的迭代计算式再迭代计算臭氧廓线。如图3所示，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。

Claims (1)

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；

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；

$V_j^{\left(n\right)}=V_j^{(n-1)}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left(\frac{O_i}{O_{\mathrm{iest}}^{(n-1)}}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}\right)$

$V_j^{\left(1\right)}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left(\frac{O_i}{{\mathrm{\Σ}}_j{L}_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}\right)$

${\mathrm{\Σ}}_j{L}_{\mathrm{ij}}{V}_j^{(n-1)}=O_{\mathrm{iest}}^{(n-1)}$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}=\frac{L_{\mathrm{ij}}}{{\mathrm{\Σ}}_i{L}_{\mathrm{ij}}}$

其中，

和

分别为第j个大气网格中体发射率初值和经过第n次迭代后的反演值，O_i是第i条视线辐射亮度，O^(n-1) _iest是第i条视线模拟估计辐射亮度，L_ij是第i条视线通过第j个大气网格截距，。β_ij称为权因子。

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；

h、由奇氧族光化学反应出发，建立气辉体发射率连续方程；

$\left[O\left(D_1\right)\right]=\frac{J_H\left[O_3\right]+(J_{\mathrm{SRC}}+J_{\mathrm{Ly}-\mathrm{\α}})\left[O_2\right]}{A_D+k_D\left[Q_D\right]}$

$\left[O_2\left(b^1\mathrm{\Σ}\right)\right]=\frac{g_{\mathrm{\Σ}}\left[O_2\right]+\mathrm{\φ}{k}_{D,O_2}\left[O\left(D_1\right)\right]\left[O_2\right]}{A_{\mathrm{\Σ}}+k_{\mathrm{\Σ}}\left[Q_{\mathrm{\Σ}}\right]}$

$\left[O_2\left(a^1\mathrm{\Δ}\right)\right]=\frac{J_H\left[O_3\right]+g_{\mathrm{\Δ}}\left[O_2\right]+k_{\mathrm{\Σ}}\left[Q_{\mathrm{\Σ}}\right]\left[O_2\left(b^1\mathrm{\Σ}\right)\right]}{A_{\mathrm{\Δ}}+k_{\mathrm{\Δ}}\left[Q_{\mathrm{\Δ}}\right]}$

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。

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，然后利用上面的迭代计算式再迭代计算臭氧廓线。