[发明专利]基于空间外差干涉光谱测量技术的大气CO2

权利要求书

1.一种基于空间外差干涉光谱测量技术的大气CO₂卫星观测反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

11)卫星观测光谱数据的获取：获得卫星观测光谱数据，卫星观测光谱数据为大气主要温室气体监测仪GMI的卫星观测光谱，其1.58um CO₂波段的光谱范围为6317-6377cm^-1；

12)光谱数据的信息挖掘：通过香农信息含量来挖掘GMI1.58um窄带光谱内的信息，选择出用于CO₂含量反演的信息谱和用于背景扣除的参考谱；

所述光谱数据的信息挖掘包括以下步骤：

121)对GMI卫星观测光谱数据进行仿真，仿真出不同大气CO₂、温度、湿度和地表压力条件下，太阳天顶角30°、卫星观测天顶角0°、地表反射率0.3、晴空对应的GMI卫星观测光谱；

122)计算GMI卫星观测光谱各通道对应的大气CO₂、温度、湿度和地表压力的香农信息含量，根据如下公式计算香农信息含量H：

式中，K代表权重函数，不同参数的权重函数表示对应参数单位扰动导致仿真光谱的变化量；Sa代表先验协方差矩阵，Sa为对角阵，对角线上元素为各参数波动范围的平方；S_ξ是测量误差协方差矩阵，S_ξ为对角阵，对角线上元素为光谱各通道对应仪器噪声的平方；

123)挖掘信息谱和参考谱：根据光谱各通道的香农信息含量挖掘GMI 1.58um窄带光谱内的信息，利用信息谱和参考谱的构建方法挖掘出用于CO₂反演的信息谱和用于背景扣除的参考谱；

13)观测向量的构建：根据大气主要温室气体监测仪GMI卫星观测光谱数据构建出观测向量；

所述观测向量的构建包括以下步骤：

131)读取GMI的L1产品中的DN光谱，利用波长定标系数开展波长定标、利用辐射定标系数斜率k和截距b开展辐射定标，获得卫星观测辐亮度光谱；

132)采用超光谱卫星观测光谱波长漂移校正技术，对GMI辐亮度光谱的波长漂移进行校正；

133)根据信息谱和参考谱的构建方法，从光谱漂移校正后的GMI辐亮度光谱中选择出18段GMI信息谱和参考谱，将18段GMI信息谱逐段进行内部5个通道的平均，获得信息谱辐亮度矩阵y_on；

将18段参考谱逐段进行内部11个通道的平均，获得参考谱辐亮度矩阵y_off；

将两矩阵相除获得比值矩阵将此比值矩阵定为观测向量；

14)模拟向量的计算：根据大气主要温室气体监测仪GMI卫星观测视场中心点的经纬度和观测时间构建模拟向量；

所述模拟向量的计算包括以下步骤：

141)根据GMI卫星观测视场中心点的经纬度和观测时间，获取卫星观测对应的环境参量，具体操作如下：

1411)从欧洲中尺度天气预报系统ECMWF 0.125°空间分辨率的数据库中，读取中心点所在栅格四个角点的气象参数，通过线性内插获得中心点所在位置处的海拔高度、温度、湿度和压力廓线；

1412)搜索高分五号卫星多角度偏振探测仪DPC载荷气溶胶产品中对应于GMI中心点的像元，将以该像元为中心的3*3范围内共9个像元的气溶胶光学厚度进行加和平均，获得GMI观测视场内的气溶胶光学厚度；

1413)搜索自建1km空间分辨率相应时间段的全球地表反射率数据库中对应于GMI中心点的像元，将以该像元为中心的10*10范围内共100个像元的地表反射率进行加和平均，获得GMI观测视场内的地表反射率值；

142)将大气CO₂含量初始值400ppm、上述环境参量以及卫星观测对应的太阳几何和观测几何参数输入已构建的GMI卫星观测仿真模型，获得模拟光谱；

143)根据信息谱和参考谱的构建方法，从模拟光谱中选择出18段信息谱和参考谱，将18段信息谱逐段进行内部5个通道的平均，获得信息谱辐亮度矩阵F_on；

将18段参考谱逐段进行内部11个通道的平均，获得参考谱辐亮度矩阵F_off；

将两矩阵相除获得比值矩阵此比值矩阵即为模拟向量；

15)大气CO₂卫星观测反演计算结果的获得：根据观测向量和模拟向量反演计算出大气CO₂卫星观测反演结果，获得大气CO₂卫星观测值；所述大气CO₂卫星观测反演计算结果的获得包括以下步骤：

151)将观测向量y与大气CO₂含量400ppm对应的模拟向量F(x)带入下式，逐次迭代计算大气CO₂含量x，其计算公式如下：

式中，下标i代表迭代次数，代表权重函数，代表单位大气CO₂扰动对应模拟向量的变化；S_ε代表GMI观测向量的误差协方差矩阵，S_a代表先验估计x_a的协方差矩阵；

152)每迭代计算一次获得新的x，则更新大气CO₂含量值，获得新的模拟光谱，再根据对应信息谱与参考谱构建方法，更新模拟向量F(x)；

153)当满足如下χ²小于1，则迭代求解获得的状态向量即为最佳解，

式中：j是用来反演的通道序号，是最终计算得到的状态向量，是第j个通道的测量误差方差，m是通道的个数；

154)利用压力权重函数h对反演出的CO₂廓线进行平均获得实际大气CO₂含量值。

2.根据权利要求1所述的基于空间外差干涉光谱测量技术的大气CO₂卫星观测反演方法，其特征在于，所述信息谱和参考谱的构建方法包括以下步骤：

21)按大气CO₂香农信息含量的降序对各通道赋值IC_CO₂，大气CO₂香农信息含量最大的通道赋值为1，信息含量越小的通道值越大，按间隔1逐步增加；按温度、湿度和地表压力香农信息含量的升序对各通道赋值IC_T、IC_H₂O和IC_P，香农信息含量最小的通道赋值为1，信息含量越大的通道值越大，按间隔1逐步增加；

22)按0.3、-0.1、-0.1、-0.1分配IC_CO₂、IC_T、IC_H₂O和IC_P的权重，并进行加和计算获得IC_info，选择IC_info值靠前的18个通道，及其长短波方向各2个通道，共5个通道组成一段信息谱；

23)提取上述IC_info值靠前的18个信息谱通道附近±2cm^-1/±1cm^-1范围范围内的通道，其中信息谱位于6317-6347.85cm^-1内的，取范围±2cm^-1；信息谱位于6347.85-6377cm^-1内的，取范围±1cm^-1，先剔除有太阳线的通道，然后再对剩余通道根据CO₂、温度、湿度和地表压力的香农信息含量升序进行赋值；

24)按0.7、0.1、0.1、0.1分配步骤23)中所获得的CO₂、温度、湿度和地表压力对应的IC_CO₂、IC_T、IC_H₂O和IC_P的权重，并进行加和计算获得18段对应的IC_ref，选择每一段内IC_ref值靠前的1个通道，及其长短波方向各5个通道，共11个通道组成一段参考谱，形成对应于18段信息谱的18段参考谱。