[发明专利]一种温压廓线与切高联合反演方法

说明书

本发明涉及一种温压廓线与切高联合反演方法，通过构建先验廓线、先验协方差矩阵、观测协方差矩阵；将卫星观测的地理与几何信息输入正向辐射传输模型SCIATRAN，得到模拟值和温度的权重函数，结合所述模拟值、温度的权重函数、先验廓线、先验方差矩阵和观测协方差矩阵，基于最优估计算法得到温度廓线；基于最优估计算法实现掩星传感器的温度廓线反演，并在反演迭代的过程中，使用流体静力学平衡方程，实现压强与切高的同步反演，通过迭代，最终得到温度廓线、压强廓线，校正后切高。

技术领域

本发明涉及掩星观测技术领域，尤其涉及一种基于掩星传感器的温压廓线与切高联合反演方法。

背景技术

温度和压力廓线是进行痕量气体反演所必备的大气参数，温压参数精度直接影响其他大气成分反演的精度。掩星观测的有效垂直高度为10-100km，气象资料无法提供足够有效数据，因此大气温度和压力廓线需要从探测仪的观测数据中反演获取。对红外通道利用CO₂的吸收通道进行温压反演是常规的做法。

对于掩星观测，传感器的观测指向信息对于反演来说是至关重要的，这关系到传感器接受辐射的传播路径。观测指向主要体现为观测路径的大气切高，在高层中由于大气相对稀薄，观测路径中由于气体浓度差异导致的光线折射很弱，可以忽略不计，观测切高可利用卫星观测几何以及日地相对位置信息计算得到。但对于低层大气，观测路径上气体浓度梯度变化明显，光线折射对传输路径影响明显，切高不能利用观测几何信息简单计算获取，需要将切高作为一个未知数和待反演参数一起进行拟合获取。

目前，国际上已有的红外掩星传感器ACE-FTS获得温压廓线与切高廓线的方法是将下层(40Km以下)的切高作为一个拟合因子，对该区域的切高采用全局拟合的方法获得，对上层(40km以上)，认为相邻切高间的高度差是准确的，不作为拟合因子。基于全局拟合的方法获得温压廓线与切高序列的方式误差不可定量估计。现阶段，基于最优的反演算法，具有误差可定量估计，适用范围广的优势，广泛应用于红外与太赫兹波段的临边探测器。但是最优估计算法在掩星传感器的温压廓线与切高联合反演中，还未使用。

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，本发明提供了一种温压廓线与切高联合反演方法，该方法包括以下步骤：构建先验廓线、先验协方差矩阵、观测协方差矩阵；将卫星观测的地理与几何信息输入正向辐射传输模型SCIATRAN，得到模拟值和温度的权重函数，结合模拟值、温度的权重函数、先验廓线、先验方差矩阵和观测协方差矩阵，基于最优估计算法得到第一温度廓线；根据温度廓线基于流体静力学平衡方程计算压强廓线；根据压强廓线基于流体静力学平衡方程计算切高；通过迭代计算，得到第二温度廓线、压强廓线，校正后切高。

优选地，最优化算法包括以下步骤：

将模拟值，温度的权重函数，先验廓线、先验方差矩阵、观测协方差矩

阵，代入以下公式：

其中，x_a代表先验估计，代表先验估计的协方差，K^T代表权重函数的转置，S_y代表观测误差的协方差，y代表实测值，f代表正向模型函数，代表估计的大气参数。

优选地，根据流体静力学平衡方程计算压强廓线的具体公式为

其中，z代表切高；P代表压强；g代表重力加速度；M_r代表空气相对分子质量，在80km以下时，可作为常数；R代表气体常数；T代表温度。

优选地，根据流体静力学平衡方程计算切高的具体公式为