二氧化碳柱浓度的卫星反演试验及地基验证

基于最优估计理论,采用LBLRTM和VLIDORT辐射传输模式以及包含Line Mixing效应的aer_v_3.2数据库,构建了一套短波红外高光谱卫星反演XCO2的算法.利用该算法试验了Line Mixing效应对卫星反演结果的影响,对GOSAT卫星观测光谱数据进行了系统性试验反演,并利用选取的TCCON站点一年中的匹配观测资料进行了地面验证,同时与GOSAT卫星官方L2B产品进行了比对.试验表明,忽略Line Mixing将系统性低估约0.25%的CO2柱浓度.在气溶胶光学厚度小于0.3的大气条件下,本文反演算法反演结果与GOSAT官方数据产品精度接近,与地基观测值相差小于1%,而高浓度气溶胶背景下卫星反演CO2浓度的有效方法仍有待于突破.     

基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟分析

针对对流层主要污染物(对流层臭氧、NO_2、SO_2及HCHO)的高分辨率、高频次监测需求,开展了基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟观测实验.在参考现有极轨卫星载荷的遥感监测能力和仪器参数基础上,根据静止卫星观测模型,利用正演辐射传输模式模拟观测光谱.根据最优估计反演理论,分析光谱仪的主要指标参数对各目标气体的反演敏感性和反演误差.基于各目标气体反演精度需求,提出光谱仪的观测波段、光谱分辨率和信噪比等关键指标参数的建议方案.为评估选定的光谱仪参数能否满足需求,利用大气化学输送模式模拟中国区域大气成分的三维分布,进行中国区域的模拟反演实验.结果表明,针对各目标气体,满足反演需求的实验数目均达到90%左右.臭氧总量和平流层臭氧的反演精度可达到2%,且各气体反演在太阳天顶角高于70°范围内仍可以获得有效数据.因此,我们所提出的静止卫星观测方案和仪器参数方案具有一定可行性,为优化将来中国静止轨道卫星光谱仪仪器指标提供了理论依据和模拟工具.     

一种基于卫星遥感AOT估算近地面颗粒物的方法

本文建立了一种基于卫星遥感AOT估算近地面颗粒物浓度的新方法.该方法考虑大气边界层厚度和近地面相对湿度的区域分布变化情况,基于大气边界层模式模拟结果和卫星遥感气溶胶光学厚度进行近地面颗粒物浓度估算.基于RAMS模拟结果和MODIS气溶胶光学厚度数据,利用该方法获得了华北地区近地面PM2.5质量浓度.并用研究区域中16个地面站点的颗粒物浓度监测数据对估算结果进行了评估.结果表明,遥感反演的近地面PM2.5与地面监测数据在趋势上基本一致,二者相关R2达到0.61.与此同时,又利用地面激光雷达和气象仪测量结果对MODIS气溶胶光学厚度数据进行了近地面颗粒物估算,并将估算的结果与新方法得到的估算结果进行了比较.比较结果表明,新方法获得的估算结果与地面监测数据具有更好的相关性,和常规方法相比,相关R2从0.32提高到0.62.     

MODIS卫星遥感气溶胶产品在北京市大气污染研究中的应用

利用NASA MODIS气溶胶光学厚度产品与北京市空气污染指数做了长期比较分析, 发现二者的直接对比相关较低; 在引入季节变化的气溶胶标高、考虑了气溶胶的垂直分布后, 二者的相关系数有所提高; 在考虑了湿度影响因子订正后, 二者的相关系数显著提高. 证实卫星遥感气溶胶光学厚度在经过垂直和湿度影响两方面的订正后, 可以作为监测颗粒物污染物地面分布的一个有效手段. 利用 MODIS资料对2004年10月一次污染个例的分析, 表明卫星遥感气溶胶可以细致描绘地面污染事件的形成过程, 发现区域尺度输送和地形因素对北京市空气质量具有显著影响. 高分辨率的反演结果给出北京城区及周边地区气溶胶光学厚度的年平均分布, 表明高分辨率卫星遥感可能在监测颗粒物排放源分布上具有潜在的应用价值.     

星载微波ERS-1和多通道SSM/I观测海洋的相关性和随机粗糙面复合模型的数值模拟

欧洲遥感卫星（ERS）和美国防卫气象卫星计划（DMSP）空对地微波遥感是当今研究全球大气地表微波散射辐射和反演地球物理与水文参数的主要数据来源．本文研究了ERS－1散射计和SSM／I多通道辐射计在中国海域观测到的后向散射和热辐射数据,论证了同一地区同一时间段内ERS主动散射计和SSM／I被动辐射计观测数据的相关性．用海域主、被动遥感数据的比较,阐述了主、被动联合多通道分析方法有利于监视和分析复杂地表和海面在时间和空间尺度上的变化．用带泡沫散射层的双尺度随机粗糙面的复合模型计算后向散射和热发射,用以数值模拟ERS和SSM／I数据．并讨论了后向散射与热辐射数值模拟结果的相关性,以及与星载微波遥感器实际观测结果的比较．     

沙漠地区光学散射非对称因子反演研究

沙漠具有较高的地表反照率和较广的面积分布, 是地球系统的重要组成部分之一, 了解沙漠地区地表散射的各向异性对于全球地表辐射和能量平衡研究非常重要. 多角度卫星遥感技术的发展为在区域尺度上反演沙漠地表散射各向异性提供了机会. 本文首先利用Hapke模型和模拟数据研究了多时相和单时相星载多角度传感器MISR数据反演非对称因子的精度, 在此基础上, 利用单时相MISR数据反演了我国西北沙漠地区典型地表的非对称因子, 并与实验室测试数据的反演结果进行了对比. 结果表明, 可以用单时相的MISR数据反演沙漠非对称因子. 对室内测试数据反演的非对称因子是正值, 为前向散射. 从遥感数据反演的非对称因子是负值, 为后向散射, 其大小与地表状况有关. 地表相对平坦的塔里木盆地东部楼兰地区具有较大的负非对称因子, 后向散射强; 而地表较为粗糙的库姆塔格沙漠沙丘的非对称因子为弱的负值, 不具有优先方位的散射. 就遥感数据来说, 地表越粗糙不一定后向散射越强, 今后在应用经验方法表征地表粗糙度时应慎重.     

东亚地区春季黑碳气溶胶源排放及其浓度分布

本研究收集整理了东亚地区一个黑碳气溶胶的排放源,并利用一个三维化学输送模式系统模拟研究了东亚地区春季黑碳气溶胶的输送和演变过程.黑碳气溶胶浓度的模拟值与地面观测站和观测船获取的监测值相比,模拟值与监测值具有良好的一致性,这表明本研究收集整理的黑碳气溶胶的排放量及其分布是基本合理的,模式系统较好地反映了黑碳气溶浓度的时空分布和变化趋势,再现了许多观测到的重要特征.模拟结果表明,东亚地区春季间隙性的长距离输送对于西北太平洋海域的黑碳气溶胶浓度分布具有非常重要的影响.     

利用差分体像素CT由TWINS卫星ENA成像反演暴时环电流离子三维分布

本文将体像素CT方法应用于TWINS卫星高能中性原子立体成像数据,重建环电流离子通量强度三维分布.为了克服卫星ENA成像可能存在的仪器偏差造成反演误差增大甚至迭代发散无解的问题,发展了差分ENA体像素CT反演方法.采用环电流离子分布理论模型和实际卫星观测几何构形进行模拟检验,证明了该方法的可靠性和优越性.利用此方法分析2012年7月15日磁暴(min Dst=-133nT)主相期间TWINS两颗卫星的实测ENA数据(能量范围4keV~50keV),反演得到环电流离子微分通量随L值/纬度/地方时的三维分布与能谱.所得离子通量呈现显著不对称的部分环电流特征,主要分布在低纬-赤道区磁午夜前后至黎明前数小时,L值约为3.5~6.5的区域;将反演得到的磁午夜后赤道区环电流离子通量能谱,与THEMIS卫星当地测量得到的此区域同时的能谱作比较,两者符合得很好;证明本文发展的差分体像素CT是由多卫星ENA二维图像重建暴时环电流离子分布的有效方法.     

MODIS陆地气溶胶遥感反演--利用TERRA和AQUA双星MODIS数据协同反演算法

利用卫星数据遥感陆地气溶胶一直是国际上研究的难点与热点.利用新一代传感器MODIS(中分辨率成像光谱仪)数据,DDV(Dark Dense Vegetation)算法反演陆地气溶胶的分布以及性质已经取得了较好的效果.然而,该算法只适用于诸如水体、浓密植被等较低地表反射率区域,大大限制了该算法的实际应用范围,尤其是无法应用于城市等亮地表区域气溶胶的遥感反演.文中提出了基于利用TERRA和AQUA双星MODIS数据的协同反演模型算法(SYNTAM-Synergy of Terra and Aqua MODIS),用以反演陆地气溶胶的光学厚度等信息.该算法实现了地表反射率与气溶胶光学厚度的同时反演,可应用于各种地表反射率类型,包括城市等亮地表区域.通过与国际AERONET的地面观测数据对比做初步的反演验证,结果表明,该算法具有较高的精度,进一步的验证工作还在继续.     

电离层GPS掩星观测改正TEC反演方法

电离层掩星观测中，当低轨卫星（LEO）轨道高度较低时，轨道以上的电离层电子总含量（TEC）对掩星反演的影响不能忽略.目前，一般采用指数函数等外推方法来处理该问题，对反演结果可能引起较大误差.为提高电离层掩星反演精度，本文研究利用LEO处于非掩星一侧GPS观测数据的改正TEC新反演方法.用三维射线追踪程序计算出电离层掩星观测模拟数据，分别应用改正TEC方法和外推方法进行反演，将反演结果与所用模式值进行比较.结果表明：对于轨道高度约800km的GPS/MET掩星模拟数据，外推方法和改正TEC方法反演结果都与模式值基本一致；对于轨道高度约400km的CHAMP掩星模拟数据，外推方法误差较大，改正TEC方法反演结果与模式值相符得较好.将改正TEC方法应用于GPS/MET实测数据的反演，取得了合理的结果.这些说明，改正TEC算法是一种有效的电离层掩星反演方法，尤其是对于轨道较低的LEO的电离层掩星观测反演特别有用.     

MODIS陆地气溶胶遥感反演

利用卫星数据遥感陆地气溶胶一直是国际上研究的难点与热点. 利用新一代传感器MODIS(中分辨率成像光谱仪)数据, DDV(Dark Dense Vegetation)算法反演陆地气溶胶的分布以及性质已经取得了较好的效果. 然而, 该算法只适用于诸如水体、浓密植被等较低地表反射率区域, 大大限制了该算法的实际应用范围, 尤其是无法应用于城市等亮地表区域气溶胶的遥感反演. 文中提出了基于利用TERRA和AQUA双星MODIS数据的协同反演模型算法(SYNTAM-Synergy of Terra and Aqua MODIS), 用以反演陆地气溶胶的光学厚度等信息. 该算法实现了地表反射率与气溶胶光学厚度的同时反演, 可应用于各种地表反射率类型, 包括城市等亮地表区域. 通过与国际AERONET的地面观测数据对比做初步的反演验证, 结果表明, 该算法具有较高的精度, 进一步的验证工作还在继续.     

BRD和DOAS SO_2总量遥感反演算法的比对

大气中SO_2是一种对城市大气环境变化和全球辐射能量平衡有着重要影响的痕量气体.BRD(Band Residual Difference Algorithm)和DOAS(Differential Optical Absorption Spectroscopy)算法是两种主要的SO_2总量遥感反演算法,分别被用于美国和欧洲不同卫星载荷数据的SO_2反演.然而,目前缺少两种算法在相同观测条件下SO_2反演的精度比较及不确定性分析、在物理数学反演机制上的差异追因.因此,本文基于相同的仿真模拟数据和卫星紫外辐射观测数据,反演获得不同大气状况下的BRD和DOAS SO_2总量并进行精度比较验证.从算法反演通道、O_3吸收、气溶胶、地表反射率和观测角度影响等方面,讨论分析BRD和DOAS反演结果差异及反演误差的原因.结果表明,在低浓度SO_2情况下,BRD反演SO_2总量更接近于正演输入SO_2总量,DOAS反演结果存在高估,但相对于BRD算法,DOAS算法长时间序列卫星反演结果更能表现出SO_2的季节变化特征;在高浓度SO_2情况下,BRD(310.8~314.4nm)和DOAS(315~327nm)反演结果的绝对值差异明显且存在低估,BRD(310.8~314.4nm)SO_2反演值及反演精度都低于DOAS(315~327nm)反演结果.基于高光谱分辨率大气辐射传输模型SCIATRAN的反演不确定性分析结果显示,反演通道选择、紫外O_3吸收、气溶胶、地表反射率和观测角度对SO_2总量反演精度的影响较大.本研究对于SO_2卫星遥感反演算法的改进及SO_2反演产品的应用具有重要的科学意义,也可促进中国未来大气成分SO_2卫星遥感产品的研发.     

时间二阶积分波场的全波形反演

通过对波场的时间二阶积分运算以增强地震数据中的低频成分,提出了一种可有效减小对初始速度模型依赖性的地震数据全波形反演方法—时间二阶积分波场的全波形反演方法.根据散射理论中的散射波场传播方程,推导出时间二阶积分散射波场的传播方程,再利用一阶Born近似对时间二阶积分散射波场传播方程进行线性化.在时间二阶积分散射波场传播方程的基础上,利用散射波场反演地下散射源分布,再利用波场模拟的方法构建地下入射波场,然后根据时间二阶积分散射波场线性传播方程中散射波场与入射波场、速度扰动间的线性关系,应用类似偏移成像的公式得到速度扰动的估计,以此建立时间二阶积分波场的全波形迭代反演方法.最后把时间二阶积分波场的全波形反演结果作为常规全波形反演的初始模型可有效地减小地震波场全波形反演对初始模型的依赖性.应用于Marmousi模型的全频带合成数据和缺失4Hz以下频谱成分的缺低频合成数据验证所提出的全波形反演方法的正确性和有效性,数值试验显示缺失4Hz以下频谱成分数据的反演结果与全频带数据的反演结果没有明显差异.     

风云三号卫星空间高能质子探测器的几何因子计算

空间粒子探测中,几何因子是反演粒子能谱的关键参数.传统的几何因子以探测器的实际结构为输入条件,通过数值计算的方法获得.由于传统的几何因子没有考虑粒子与物质相互作用的物理过程以及不同能档间粒子干扰等因素对测量结果的影响,降低了数据反演的准确度.本文提出了一种改进的几何因子计算方法,该方法的思想是在GEANT4程序中对探测器的实际结构建模、考虑粒子与物质相互作用过程,通过蒙特卡罗模拟的方法,得到探测器对不同能档粒子的响应函数,并计算干扰粒子对几何因子的影响,最终得到探测器不同能档的几何因子.利用该方法获得的改进几何因子对我国风云三号卫星高能质子探测器的数据进行了反演,反演后的能谱更加符合空间物理公认的幂律谱分布,与POES卫星的实测结果比对表明:风云三号卫星数据与卫星的数据具有很好的一致性,说明该方法能够有效提高数据反演的质量.     

基于随机抽样一致性-网格搜索方法反演断层面倾角

采用小地震的丛集性活动资料定量地研究地下断层的三维几何信息对地震危险性评估具有至关重要的意义。若所使用的资料存在高比率的离群值,将会使断层几何参数的估值产生较大偏差。为了提高断层几何参数估值的稳健性,本文将随机抽样一致性（RANSAC）与网格搜索（GS）相结合,给出了随机抽样一致性-网格搜索（RANSAC-GS）估算方法。在数值模拟试验中,对模拟观测值加入1%,5%,10%和20%的离群值,分别采用GS和RANSAC-GS两种方法估算了断层面倾角,并从反演参数的残差、反演模型计算值与观测值的密合度、目标函数及相关度等方面证明了RANSAC-GS方法即使在高比率离群值的情况下,依然能够给出稳健的参数估值。最后,利用2008年1月至2012年12月鄂尔多斯地区小震重定位结果,以震源点到断层面距离最小为准则,采用RANSAC-GS方法反演获得太谷断裂的断层面倾角为52.5°,与前人的结果有较好的一致性,在此基础上对大地测量形变观测给出合理的阐释,从而证明了本文方法的有效性。      

水平层状介质中基于DTA的三维电磁波逆散射快速模拟算法

为提高水平层状介质中三维电磁波散射和逆散射数值模拟的效率,在对角张量近似(DTA)的基础上根据不同回代方式得到了求解积分方程的DTA1和DTA2两种近似. 这两种近似可以作为计算积分方程稳定型双共轭梯度快速Fourier变换(BCGS-FFT)算法的初始猜测值和预条件因子，从而形成效率更高的混合DTA-BCGS算法. 散射实例说明了DTA2的高精度和混合DTA-BCGS算法尤其是混合DTA2-BCGS算法的高效率. 由于DTA2近似程度更高，将DTA2与变型Born迭代反演方法(DBIM)相结合形成了一种对三维异常体进行重构的快速电磁波逆散射技术. 文中的逆散射实例说明所开发的逆散射技术对重构水平层状介质中的任意三维异常体是非常有效的.     

一种基于LEO卫星信标的电离层层析成像新算法

LEO卫星信标是电离层监测的重要手段之一.利用电离层层析成像算法,LEO卫星信标能够实现区域电离层电子密度的快速重构.针对LEO卫星信标的特点,本文提出了一种函数基模型与像素基模型组合的电离层层析成像新算法.选择差分相对电离层总电子含量作为输入数据源,先通过函数基模型法获取电离层电子密度初始分布,再利用像素基模型法对初始分布进行二次迭代重构,该方法可有效降低电离层层析成像对背景电离层模型的依赖,同时能够实现电离层小尺度扰动结构的有效反演.利用数值仿真方法及低纬度电离层层析成像网的实测数据的反演结果验证了本文提出的新算法的可行性和可靠性.     

基于卫星遥感资料的海洋表层流场反演与估算

为解决实际海流资料探测困难,难以大范围有效获取的问题,利用2000～2008年卫星高度计资料和QuikSCAT卫星遥感风场资料,开展了全球海表地转流和Ekman流的反演估算;针对不同纬度地区(赤道和赤道以外地区)地转效应和海洋运动差异,引入不同的运动学模型和反演估算方案,反演得到0.5°×0.5°的逐周全球表层流产品.对比分析表明,卫星资料反演估算的海洋表层流场能较为客观、准确地表现实际海表流场的基本特征,进而为海洋热量和海洋物质输送等研究提供了可用的海流数据信息.     

基于星载高精度GPS观测数据的大气密度反演

星载高精度GPS观测数据可提供卫星速度和位置信息,而卫星的运行轨迹又与所处位置的大气密度紧密相关,因此可通过求解大气阻力微分方程,由高精度GPS观测数据反演出卫星运行轨迹上的热层大气密度.本文从星载高精度GPS观测数据出发,给出大气密度的反演方法,以及平均平动参数nM、反弹道系数B两个重要参数的解算过程,并以天宫一号为例,给出反演结果与天宫一号观测数据的比对.结果表明,反演结果与观测值符合很好,两者的均方差在2012年1月1日、2月24日分别为8.6%和8.4%,说明利用星载GPS观测数据反演大气密度是有效、可行的,可成为今后获取高精度大气密度的一种方法.     

COSMIC低轨卫星GPS接收机差分码偏差估计

GPS接收机差分码偏差（Differential Code Bias,DCB）是利用COSMIC低轨卫星观测值反演电离层总电子含量TEC的一项重要误差源.本文将COSMIC卫星轨道高度以上的电离层作为一个单层,采用球谐函数来参数化电离层TEC值,并利用最小二乘法同时估算电离层球谐系数和DCB参数.运用这种方法对2012年12月份的所有COSMIC卫星GPS接收机DCB进行了解算,并与COSMIC数据分析与档案中心CDAAC提供的产品进行了比较.实验结果表明：在2012年12月期间,估计的接收机DCB与CDAAC结果符合的较好,二者DCB变化趋势相近,DCB差值的RMS值在2 TECU以内,且最大绝对差值小于3 TECU;此外,本文计算的接收机DCB估计误差主要分布在0.2~0.4 TECU之间,具有较高的内符合精度.