[发明专利]一种提高短波红外卫星二氧化碳反演速度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星大气遥感技术领域，尤其涉及短波近红外波段二氧化碳卫星遥感最优化反演方法。

背景技术

IPCC认为，近一个世纪以来大气二氧化碳浓度的迅速上升导致了全球气候变暖，二氧化碳的浓度及其空间分布是全球气候变化评估中的主要不确定因素之一。由于二氧化碳的主要源汇集中在近地层大气，所以大气底层二氧化碳浓度的分布成为研究热点。传统地基观测网点分布稀疏，其观测数据不能满足应用需求，卫星遥感技术则可以弥补地基点观测数据有限的缺陷。美国于20世纪七十年代最先设计了由于大气遥感探测的卫星传感器HIRS，早期主要用于探测大气中二氧化碳和水汽，反演大气的温度廓线。早期的传感器主要利用大气的热辐射信息，卫星传感器记录的热辐射数据对近地层大气状态参数不敏感，包含的近地层大气状态信息量很少。紫外-可见光-短波近红外遥感方式则可以弥补热红外遥感的这一缺陷，该波段范围内卫星传感器接收的是经过地表反射的太阳辐射，包含了近地层大气状态参数信息。当前已有的温室气体短波近红外卫星遥感监测，包括有ENVISAT上搭载的SCIAMACHY观测数据，日本的GOSAT搭载的TANSO-FTS传感器观测数据。具有极高光谱分辨率的二氧化碳近红外遥感卫星可以提供上千通道的观测数据，包含了二氧化碳的廓线信息，如何有效精确地众多观测数据中计算提取二氧化碳的浓度信息？这是二氧化碳卫星遥感反演工作研究的核心。

大气辐射传输模型属于第一类非线性Fredholm方程，所以基于辐射传输模型的二氧化碳反演问题是不适定的，这使得通常的数值求解方法失效。大气廓线的物理反演方法，理论上可以统一到最优化理论的框架之下，最优化迭代公式作为痕量气体反演研究中统一的表述方式，通过构建目标函数和选择寻优策略的思路，使用二氧化碳先验廓线数据、权重函数、先验协方差矩阵、观测误差协方差矩阵、卫星二氧化碳通道的实际观测值等，以迭代的形式逐步反演得到真解。近红外二氧化碳卫星遥感中，利用最优化估计方法反演二氧化碳时，受先验初始值以及先验协方差矩阵的影响，往往会出现由于初始猜值廓线离真实值太远而迭代步长较小导致迭代无法收敛。此时，通过向最优化迭代公式中增加一个步长因子，并依据定义的代价函数值的变化趋势，实时更新步长因子的值，可以快速实现二氧化碳浓度反演迭代收敛提供技术支持。

发明内容

本发明提供了一种短波红外卫星二氧化碳反演中迭代步长因子寻优方法，要解决的技术问题是：提供一种向最优化反演中增加迭代步长因子并实时更新迭代因子取值的方法，作为实现短波近红外波段卫星遥感二氧化碳快速反演问题的技术手段。

本发明短波红外卫星数据二氧化碳反演中迭代步长因子寻优方法的步骤包括：

S1、利用来自大气模式模拟的二氧化碳先验廓线数据，计算地理网格化的二氧化碳先验协方差矩阵；

S2、将所述二氧化碳先验廓线数据输入到辐射传输模型中，计算得到大气整层透过率初始值，基于逐层强制干扰的方法用正向模型计算每层廓线二氧化碳浓度的权重函数，得到权重函数矩阵；

S3、第一次迭代时，从所述二氧化碳先验廓线数据中挑选二氧化碳先验值输入正向模型，设定迭代步长因子的初始值，若非第一次迭代，则用上次迭代中的步长因子值，读入卫星二氧化碳通道实际观测值，利用最优化迭代模型迭代计算二氧化碳浓度值，并将所述二氧化碳浓度值输入所述正向模型，计算卫星观测模拟值；

S4、利用步骤S3所述卫星观测模拟值，计算代价函数值；若所述代价函数值在误差阈值以内，则反演结束，步骤S3所述二氧化碳浓度值即为反演结果；否则继续迭代；第一次迭代时，比较用所述卫星观测模拟值计算得到的代价函数值和用所述二氧化碳先验值计算得到的代价函数值；若非第一次迭代，则比较本次和上次迭代后计算得到的代价函数值；若本次迭代后计算的代价函数值相对减小，则反演结束；继续迭代时，减小步长因子值，返回步骤S3。

在本发明的方法中步骤S2所述逐层强制干扰的方法是：向二氧化碳廓线的第一层浓度数据数增加一定比例的变量，然后将其输入到所述辐射传输模型，再次正向计算大气整层透过率更新值，结合所述大气整层透过率更新值和所述大气整层透过率初始值，得到第一层二氧化碳浓度的权重函数；依次向二氧化碳廓线中其他层的浓度增加变量，计算得到廓线中每层二氧化碳浓度的权重函数。

在本发明的方法中步骤S3所述最优化迭代模型为：