反演理论概述

反演理论

1基于AIRS 卫星的质量分析

大气红外探测器(AIRS )搭载于美国NASA 的地球观测系统(EOS )上，是Aqua EOS PM （EOS/水星）卫星平台上的主要观测仪器[5]。其目标是以高光谱分辨率测量全球大气的温度和湿度的廓线，在3.74—15.4µm 谱段测量向上的红外辐射，同时以2378个频段（谱带）进行测量，而只有4个可见光波段。其中覆盖了温度探测区 4.2µm 、二氧化碳带15µm 、水汽带 6.3µm 以及臭氧探测带

9.6µm 等。

AIRS 的光谱通道被分为17个模块，波段的光谱分辨率随波长的增加而逐渐增大。其中，模块M-11和M-01b 可用于反演二氧化碳浓度，前者光谱分辨率为0.5cm -1左右，后者近2cm -1。因此我们选取了对流层二氧化碳分辨率较高的15µm 的M-11模块。其探测范围为687.60-728.44cm -1。通过热灵敏度的考察并排除参数Comments 显示质量不合格的通道，选取噪声等效温差值较小且较为平稳，通道探测灵敏度高的700-725cm -1波段。

在进行二氧化碳敏感性分析时，应按照以下原则选取二氧化碳的通道：1、根据各波段模拟的二氧化碳、温度、水汽和臭氧的权重函数，选取二氧化碳权重函数最大值最大，而受其他三者影响最小的最优波段；2、选取对二氧化碳拥有较强依赖性，而对臭氧和水汽很少依赖的通道。最终选择了以下13个参与反演的二氧化碳通道。

表2.1 参与反演的13个通道

Channel 192

198 209 210 212 214 215 Wavenumber(cm -1) ) 704.436

706.137 709.279 709.566 710.141 710.716 711.005

Channel 216

217 218 228 239 250 Wavenumber(cm -1) ) 711.293

711.582 711.871 714.773 717.994 721.244 2.2二氧化碳反演理论

太阳辐射穿过大气层时，必然受到大气反射、吸收和折射等多重作用，不同波段的电磁波通过大气后产生不同程度的衰减。大气吸收是指除去太阳光穿过大气达到地面、反射返回太空的部分[6]。在红外区，大气分子的吸收线十分丰富，

太阳光经过整层大气后就带有其中大气分子含量的信息，从中就能获得吸收气体的总含量和高度分布等信息。

通过分析大气中物质对电磁波的吸收、发射及散射作用，进而确定不同大气组分的特征属性。卫星在观测地球大气系统时，大气组分特性不是卫星直接观测得到的，而是卫星观测地球大气系统内物体发出或反射的辐射，通过反演得到的。物体发射或反射的辐射与物体的特性有关，描述物体特性的量有温度、发射率、反射率、吸收率、光学厚度等，这些在特性与辐射的关系可以用辐射模式表示，通过辐射传输模式可以根据物体的特性求出物体发出的辐射量，这就是正演；而所谓反演就是由卫星测量的辐射量求取描述物体特性量的方法，这与正演的计算方向正好相反。

因此，利用卫星遥感反演大气组分，应了解热辐射在大气传输过程中与大气成分的相互作用，即辐射传输理论。吸收过程中电磁波激发分子的特定能级，从而在特定的波段产生吸收作用，并通过二氧化碳的特征吸收光谱来反演大气二氧化碳浓度变化。

2.3二氧化碳反演方法

反演算法分为基于大气辐射传输模型进行模拟(即前向模型)及利用最大后验概率进行迭代运算求解模拟谱与“实测谱”残差最小的浓度值(即反演模式)。

前向模型F描述了测量过程的物理性质，是控制实际大气中辐射传输过程的函数，并在测量的大气顶出射辐亮度向量y与反演状态向量x之间建立联系：

(1)

其中，b是非需反演参数，Ɛ为探测仪器的观测误差，x包含所用的需反演参数，本文代表大气二氧化碳浓度。除了需反演参数外，模型运算还需要b中所包含的非需反演参数，如气体分子吸收横截面或可以从其它测量结果中精确获得的大气参数。

将观测亮度谱y m与前向模型计算的大气顶出射辐亮度谱y(x)进行拟合，通过调整需反演参数使得两者之间的偏差达到最小：

(2)

此时的反演参数即为所求。基本反演流程如下：

（一）将大气参数和高分辨率透过率分子吸收数据库输入前向模型(LBLRTM)中，求出模拟的辐射亮度，如大气二氧化碳初始浓度插入前向模型，输出模拟的大气顶出射亮度y0；

（二）将y0与实测辅亮度y m比较求残差。若残差小于允许

的误差上线(通常为误差上线)，则反演结束，x0即为所求的值；

（三）若残差大于所允许的误差上线，则对大气参数进行适当修改，即适量增加或减少初始猜测浓度，重复(2)过程，直到新的残差满足要求，则新的浓度即为所求。