大气CO2反演的地表反射率影响分析与比值反演方法
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率解 。
地表条件的微 小 变化 等 ，都会使 得 Ｂ Ｒ ＤＦ模 型数 据获 取 失 败 ，因此要想准确获取 与温室气体卫星观测 时间对应 的实 时 反射率就存在一定的困难 。 地表反射率难以准确获取 ，目前 Ｇ ＯＳ Ａ Ｔ数据 处理小组
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ １ — １ ３ 。 修 订 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ２ — ２ ５
引 言
从空基探测信息 中提取大气 Ｃ Ｏ 的含量 ， 往往需要利用 卫星遥感实测数据和大气辐射传输模型 ， 并结 合一定 的先 验 知识来实现对大气 Ｃ ０２ 参数真实状态的估计 。 空基遥感信息
反演 的实践表明 ，大气参数 、地表特征 和仪器性 能是反演 的
谱估计 出地 表反射率作为先验信息嗍 ， 该 先验信息 不一定准 确。 本文将介 绍地 表反 射 率取 值 不确 定性 的来 源 ，及其 对 Ｃ Ｏｚ 反演的影响程度 ， 提出 比值法来校 正其影 响 ， 克 服地表
段反射 的太 阳光来反演 Ｃ ０ ２ 柱含量。这种被动探 测技 术具有 内在 固有 的缺 点 ，易 受 地 表 反 射 率 和 太 阳 天顶 角 等 的 影
响 。
前 向模 型 Ｆ是计 算大气辐 射传输参量 的函数 ， 输入成分
包 括状 态向量 和参 数 向量 ｂ ， 由需反 演 的未 知参 数 如 Ｃ ０２ 柱含量组成 ， ｂ 包括假定 为 已知并 同步影 响辐射传 输的
第３ ３ 卷， 第８ 期 ２ ０ １ ３ 年 ８月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ３ ， Ｎｏ ． ８ ， ｐ ｐ ２ １ ８ ２ — ２ １ ８ ７ Ａｕ ｇ ｕ ｓ ｔ ，２ ０ １ ３
２ ４ １ ０ ０ ０ ３ ．安徽师范大学国土资源与旅游学院 ， 安徽 芜湖
２ ３ ０ ０ ３ １
摘
要 Leabharlann Baidu红外波段空基大气 Ｃ Ｏ ２ 反演是一 个病态 问题 ， 地 表特征 的不确定性 是其重要 的影 响因素之一 。 针对大气 ｃ Ｏ ２ 高精度反演 的需求 ， 研 究了地表 反射 率两 大不确定性 因素对大气 Ｃ Ｏ ２ 反演 的影响程度 ， 提出 了比值光谱法对这种影响进行校正 。比值光谱法 中 Ｃ Ｏｚ 无吸收通道 （ ｏ ｆ ｆ － ｌ ｉ ｎ ｅ ） 的选择至关 重要 ，通过 比较 和
程 中， 亚分辨率 的云或 雪污染 、大气参 数不确定 、观测期 间
参数 。测量 向量 Ｙ为仪器实测数据 ，实测与模 拟之 间的差别 由误差 向量 ￡ 给 出， 它包括仪器 和前 向模型 的不确定性
Ｙ — Ｆ（ ｘ，６ ）＋ ￡ （ １ ）
根据 Ｒ ｏ ｄ ｇ ｅ ｒ ｓ 等式 （ ５ ． ３ ） ，得 到代价 函数 Ｊ（ ） ，利 用高 斯一 牛顿迭代运算最小化 Ｊ （ ） 可获得反演 问题 的最大后 验概
Ｊ （ ）一 Ｅ ｙ —Ｆ（ ） ］ ５ ［ ｙ —Ｆ（ ｘ ） ］ 十
（ 一 ） （ — Ｘ ａ ） （ ２ ）
基 金项 目 ： 国家 自然科 学基金项 目（ ４ １ １ ７ ５ ０ ３ ７ ， ４ １ ０ ７ １ ２ ３ ２ ） ￣ ｌ ｆ 公益性行业（ 气象） 科研专项 （ Ｇ Ｙ Ｈ Ｙ ２ Ｏ １ １ Ｏ ６ Ｏ ４ ５ — １ ） 资助 作者简介 ： 叶函函 ， 女， １ ９ ８ ７ 年生， 中国科学院安徽光学精密机械研究所博士研究生
反射率无法 准确获取 的缺点 。
１ 反演算法
在 给定 实测数据 和一些先验知识的条件 下 ， 可 以使 用最 优 化估计 寻找到对应 的最可能 的大气状态 。本节 的数学 表达
式 均来 自 Ｒ ｏ ｄ ｇ ｅ ｒ ｓ ［ 。
三大主要误差源＿ １ ］ 。 空基高精度 探测 Ｃ ０ ２的技术是 从 Ｃ ＯＳ —
Ａ Ｔ（ ｇ ｒ ｅ ｅ ｎ ｈ ｏ ｕ ｓ ｅ ｇ ａ ｓ ｅ ｓ ｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｎ ｇ ｓ ａ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｔ ｅ ） 开始 的， Ｃ Ｒ ） Ｓ ＡＴ和 Ｏ Ｃ Ｏ（ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｂ ｉ ｔ ｉ ｎ ｇ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ） 主 要探 测短 波 红外 波
ｃ ０ｚ 的反演精度 取决 于辐 射传 输模 型 中输入 参数 的 精 度， 其 中地表 反 射 率是 辐 射 传输 模 型 中的 重要 输 入 量 。 Ｂ Ｒ ＤＦ模 型的准确估 计对 反射率 计算非 常关键 ，然而 Ｗｏ ｌ ｆ — ｇ ａ ｎ ｇ Ｌ ｕ ｃ ｈ ｔ ＿ ４ 指 出在卫星观测双 向反 射率分布 函数 Ｂ Ｒ ＤＦ过
大气 Ｃ Ｏ ２ 反 演 的地 表反 射 率影 响分 析 与 比值反 演 方法
叶函函 ， 王先 华 ， 吴 军 ， 方勇华 ， 麻金继。 ， 江新华 ，韦秋 叶
１ ．中国科学院安徽光学精密机械研究所 ， 安徽 合肥 ２ ．中国科学技术大学 ， 安徽 合肥 ２ ３ ０ ０ ３ １
文献标识码 ： Ａ Ｄ ＯＩ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ３ ｝ ０ ８ — ２ １ ８ ２ — ０ ６ 在反演 Ｃ Ｏｚ 时， 假设无气溶胶状态 ， 利用 Ｃ Ｏ ２ 带两端 的连续
中图分类号 ： Ｘ１ ３ １ ． １
分析多种 ｏ ｆ ｆ － ｌ ｉ ｎ ｅ 通道的选择方法 ，发 现多通道 多点 平均法 因多数 据平均 可降低 随机误 差 的优 势 ，获得 的
ｏ ｆ ￣ ｌ ｉ ｎ ｅ 通道对应的反演精 度最 高 ， 而且离散程度也小 。比值光谱 法结合多通道 多点平均法选取 出的 ｏ ｆ ｂ ｌ ｉ ｎ ｅ 通道对地表反射率的不确定性影响有明显的校正效 果 ， 有利于大气 Ｃ ０ ２ 反演精度的提高 。 关键词 Ｃ Ｏ ｚ 反演 ； 地表反射率 ；比值光谱法 ； 校正
地表条件的微 小 变化 等 ，都会使 得 Ｂ Ｒ ＤＦ模 型数 据获 取 失 败 ，因此要想准确获取 与温室气体卫星观测 时间对应 的实 时 反射率就存在一定的困难 。 地表反射率难以准确获取 ，目前 Ｇ ＯＳ Ａ Ｔ数据 处理小组
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ １ — １ ３ 。 修 订 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ２ — ２ ５
引 言
从空基探测信息 中提取大气 Ｃ Ｏ 的含量 ， 往往需要利用 卫星遥感实测数据和大气辐射传输模型 ， 并结 合一定 的先 验 知识来实现对大气 Ｃ ０２ 参数真实状态的估计 。 空基遥感信息
反演 的实践表明 ，大气参数 、地表特征 和仪器性 能是反演 的
谱估计 出地 表反射率作为先验信息嗍 ， 该 先验信息 不一定准 确。 本文将介 绍地 表反 射 率取 值 不确 定性 的来 源 ，及其 对 Ｃ Ｏｚ 反演的影响程度 ， 提出 比值法来校 正其影 响 ， 克 服地表
段反射 的太 阳光来反演 Ｃ ０ ２ 柱含量。这种被动探 测技 术具有 内在 固有 的缺 点 ，易 受 地 表 反 射 率 和 太 阳 天顶 角 等 的 影
响 。
前 向模 型 Ｆ是计 算大气辐 射传输参量 的函数 ， 输入成分
包 括状 态向量 和参 数 向量 ｂ ， 由需反 演 的未 知参 数 如 Ｃ ０２ 柱含量组成 ， ｂ 包括假定 为 已知并 同步影 响辐射传 输的
第３ ３ 卷， 第８ 期 ２ ０ １ ３ 年 ８月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ３ ， Ｎｏ ． ８ ， ｐ ｐ ２ １ ８ ２ — ２ １ ８ ７ Ａｕ ｇ ｕ ｓ ｔ ，２ ０ １ ３
２ ４ １ ０ ０ ０ ３ ．安徽师范大学国土资源与旅游学院 ， 安徽 芜湖
２ ３ ０ ０ ３ １
摘
要 Leabharlann Baidu红外波段空基大气 Ｃ Ｏ ２ 反演是一 个病态 问题 ， 地 表特征 的不确定性 是其重要 的影 响因素之一 。 针对大气 ｃ Ｏ ２ 高精度反演 的需求 ， 研 究了地表 反射 率两 大不确定性 因素对大气 Ｃ Ｏ ２ 反演 的影响程度 ， 提出 了比值光谱法对这种影响进行校正 。比值光谱法 中 Ｃ Ｏｚ 无吸收通道 （ ｏ ｆ ｆ － ｌ ｉ ｎ ｅ ） 的选择至关 重要 ，通过 比较 和
程 中， 亚分辨率 的云或 雪污染 、大气参 数不确定 、观测期 间
参数 。测量 向量 Ｙ为仪器实测数据 ，实测与模 拟之 间的差别 由误差 向量 ￡ 给 出， 它包括仪器 和前 向模型 的不确定性
Ｙ — Ｆ（ ｘ，６ ）＋ ￡ （ １ ）
根据 Ｒ ｏ ｄ ｇ ｅ ｒ ｓ 等式 （ ５ ． ３ ） ，得 到代价 函数 Ｊ（ ） ，利 用高 斯一 牛顿迭代运算最小化 Ｊ （ ） 可获得反演 问题 的最大后 验概
Ｊ （ ）一 Ｅ ｙ —Ｆ（ ） ］ ５ ［ ｙ —Ｆ（ ｘ ） ］ 十
（ 一 ） （ — Ｘ ａ ） （ ２ ）
基 金项 目 ： 国家 自然科 学基金项 目（ ４ １ １ ７ ５ ０ ３ ７ ， ４ １ ０ ７ １ ２ ３ ２ ） ￣ ｌ ｆ 公益性行业（ 气象） 科研专项 （ Ｇ Ｙ Ｈ Ｙ ２ Ｏ １ １ Ｏ ６ Ｏ ４ ５ — １ ） 资助 作者简介 ： 叶函函 ， 女， １ ９ ８ ７ 年生， 中国科学院安徽光学精密机械研究所博士研究生
反射率无法 准确获取 的缺点 。
１ 反演算法
在 给定 实测数据 和一些先验知识的条件 下 ， 可 以使 用最 优 化估计 寻找到对应 的最可能 的大气状态 。本节 的数学 表达
式 均来 自 Ｒ ｏ ｄ ｇ ｅ ｒ ｓ ［ 。
三大主要误差源＿ １ ］ 。 空基高精度 探测 Ｃ ０ ２的技术是 从 Ｃ ＯＳ —
Ａ Ｔ（ ｇ ｒ ｅ ｅ ｎ ｈ ｏ ｕ ｓ ｅ ｇ ａ ｓ ｅ ｓ ｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｎ ｇ ｓ ａ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｔ ｅ ） 开始 的， Ｃ Ｒ ） Ｓ ＡＴ和 Ｏ Ｃ Ｏ（ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｂ ｉ ｔ ｉ ｎ ｇ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ） 主 要探 测短 波 红外 波
ｃ ０ｚ 的反演精度 取决 于辐 射传 输模 型 中输入 参数 的 精 度， 其 中地表 反 射 率是 辐 射 传输 模 型 中的 重要 输 入 量 。 Ｂ Ｒ ＤＦ模 型的准确估 计对 反射率 计算非 常关键 ，然而 Ｗｏ ｌ ｆ — ｇ ａ ｎ ｇ Ｌ ｕ ｃ ｈ ｔ ＿ ４ 指 出在卫星观测双 向反 射率分布 函数 Ｂ Ｒ ＤＦ过
大气 Ｃ Ｏ ２ 反 演 的地 表反 射 率影 响分 析 与 比值反 演 方法
叶函函 ， 王先 华 ， 吴 军 ， 方勇华 ， 麻金继。 ， 江新华 ，韦秋 叶
１ ．中国科学院安徽光学精密机械研究所 ， 安徽 合肥 ２ ．中国科学技术大学 ， 安徽 合肥 ２ ３ ０ ０ ３ １
文献标识码 ： Ａ Ｄ ＯＩ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ３ ｝ ０ ８ — ２ １ ８ ２ — ０ ６ 在反演 Ｃ Ｏｚ 时， 假设无气溶胶状态 ， 利用 Ｃ Ｏ ２ 带两端 的连续
中图分类号 ： Ｘ１ ３ １ ． １
分析多种 ｏ ｆ ｆ － ｌ ｉ ｎ ｅ 通道的选择方法 ，发 现多通道 多点 平均法 因多数 据平均 可降低 随机误 差 的优 势 ，获得 的
ｏ ｆ ￣ ｌ ｉ ｎ ｅ 通道对应的反演精 度最 高 ， 而且离散程度也小 。比值光谱 法结合多通道 多点平均法选取 出的 ｏ ｆ ｂ ｌ ｉ ｎ ｅ 通道对地表反射率的不确定性影响有明显的校正效 果 ， 有利于大气 Ｃ ０ ２ 反演精度的提高 。 关键词 Ｃ Ｏ ｚ 反演 ； 地表反射率 ；比值光谱法 ； 校正