[发明专利]一种掩星探测仪大气成分反演方法

说明书

本发明涉及一种掩星探测仪大气成分反演方法，主要针对掩星探测仪的参数特征，基于ARTS建立掩星正向模式，并基于10年的MLS全球大气产品建设大气背景库，统计计算目标成份的初值场，并在反演过程中对不同高度层的迭代进行分层约束。

技术领域

本发明涉及一种掩星探测仪大气成分探测反演方法，适用的大气成分包括O₃、H₂O、CO、CO₂、HCl、NO、N₂O、NO₂、HCl、HF等痕量气体。

背景技术

臭氧分子(O₃)是平流层大气的最关键的组成，它是平流层主要的热源，臭氧在平流层的垂直分布对平流层的温度结构和大气运动起决定性的作用。自80年代发现南极臭氧O₃层空洞以来，地基的、航空的、卫星的等各种观测手段已用于探测并研究它的形成机制。近年来，人们逐渐认识到平流层大气中的一些微量成分，如含氯、含氢自由基、氮氧化物等对平流层臭氧的分解具有催化作用。这些参与O₃化学过程的许多痕量气体含量很小，如果是天底探测情况下，其信息常常被低层大气中的气溶胶或地表信息所淹没。对这些痕量气体的探测，天底探测器已不能满足要求。

随着遥感观测和反演技术的进步，O₃及其它大气痕量气体的监测由总量向垂直分布探测发展。大气遥感探测从天底探测、掩星探测到临边探测。基于掩星或临边探测进行痕量气体成分反演研究已成为大气科学的一个前沿和热点问题。GF5卫星上的红外甚高分辨率探测仪，是我国研发的第一个在红外波段具有甚高分辨率的太阳掩星观测仪器。它不同于我国已经在轨的其它仪器，我国在轨卫星都是天底观测模式，而红外甚高分辨率探测仪则采用掩星探测方式，反演算法和传统的天底探测模式不同。目前，国际上虽然已有不少掩星探测器，包含紫外与红外波段，也有许多有关掩探测大气成分算法的研究成果。然而，我国目前还没有掩星或临边探测器，大气成分算法方面的研究也比较缺少。而且，我国GF5卫星上的红外甚高分辨率掩星探测仪的各种探测参数与国际上已有探测仪的参数有所区别，反演算法中所用的正向探测模式不同。另外，目前的反演算法，反演结果对于初值场的依赖比较大，因此对于初值场的计算是很重要的，而且反演算法中的平滑因子对反演精度影响也比较大。如何获取初值场及调节平滑因子是提高反演精度的关键，也是反演中的技术难点。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有技术中存在的上述不足之处。

为实现上述目的，本发明提供了一种掩星探测仪大气成分反演方法，该方法包括以下步骤：计算反演算法的初值场，该初值场包括目标大气成分先验廓线及协方差矩阵；基于正向辐射传输模型ARTS构建掩星探测仪掩星探测正向模式，并在正向模式中选择透过率辐射传输形式；根据目标大气成分吸收谱分布分析情况，选取目标大气成分的反演波段；将卫星观测的地理与几何信息输入正向辐射传输模型ARTS，得到透过率的模拟值和目标大气成分的权重函数，结合透过率的模拟值、目标大气成分的权重函数、以及目标大气成分先验廓线及协方差矩阵，基于最优估计算法得到目标大气成分廓线，通过加入向量形式的平滑因子对不同切高的迭代计算进行分层约束。

优选地，计算反演算法的初值场步骤，具体包括：

下载并筛选MLS L2数据产品；

构建大气背景库；

计算目标成分先验廓线及协方差矩阵。

优选地，构建掩星探测仪掩星探测正向模式步骤，具体包括：

选择正向模式；

整理计算掩星探测仪参数；

建立掩星探测正向模式。

优选地，建立掩星探测正向模式步骤，具体包括：

建立掩星探测辐射传输模型；