利用卫星红外遥感资料反演大气温湿廓线的三维物理统计方法.pdf

第2 7 卷第2 期 2 0 0 8 年4 月 红外与毫米波学报 J I n f r a r e dM i l l i m W a v e s V 0 1 2 7 N o 2 A p r i l 2 0 0 8 文章编号 1 0 0 1 9 0 1 4 2 0 0 8 0 2 0 1 0 9 0 6 利用卫星红外遥感资料反演大气温湿廓线的 三维物理统计方法 张蕾 邱崇践 兰州大学大气科学学院 甘肃兰州7 3 0 0 0 0 摘要 对黄静等提出的基于奇异值分解技术 S V D 的由卫星辐射观测反演大气温湿廓线的物理统计方法作出改 进 改进后的方法在三维空间实施S V D 使反演过程不仅考虑了大气温度和湿度垂直结构的统计特征 也能同时考 虑其水平结构特征 使用模式资料和实际资料对所提方法进行验证并将反演结果与原有的一维方法作了比较 结 果表明 新方法可以有效地降低观测误差的影响 反演结果明显好于原方法 关键词 反演 统计物理方法 奇异值分解 卫星资料 中图分类号 P 4 0 7文献标识码 A T H R E E D E N S I O N A LS T A T I S T I C A L P H Y S I C A LM E T H O DO F A T M O S P H E R I C P A R A M E T E R SR E T R I E V A L SF R O M S A T E L L I T EI N F R A R E DM E A S U R E M E N T S Z H A N GL e i Q I UC h o n g J i a n C o l l e g eo fA t m o s p h e r i cS c i e n c e s L a n z h o uU n i v e r s i t y L a n z h o u7 3 0 0 0 0 C h i n a A b s t r a c t An e wm e t h o db a s e do ns i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n S V D t e c h n i q u ew a sp r o p o s e dt oi m p r o v et h eo n e d i m e n s i o n a ls t a t i s t i c a l p h y s i c a lm e t h o di n t r o d u c e db yH u a n ge ta 1 I nt h i sm e t h o d t h ev e r t i c a ls t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e h o r i z o n t a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yw e r ec o n s i d e r e di nt h er e t r i e v a lp r o c e d u r eb ya p p l y i n gt h eS V Di n at h r e e d i m e n s i o n a ls p a c e T h ea d v a n t a g eo ft h ep r o p o s e dm e t h o dW a sd e m o n s t r a t e db yu s i n gs i m u l a t e da n dr e a ld a t a T h e r e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo ft h eo r i g i n a lo n e d i m e n s i o n a ls t a t i s t i c a l p h y s i c a lr e t r i e v a lm e t h o d O u rr e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o p o s e dm e t h o dh a st h ea b i l i t yt or e d u c et h ei n f l u e n c eo fo b s e r v a t i o ne r r o re f f i c i e n t l ya n di tb e h a v e sb e t t e rt h a nt h eo r i g i n a lm e t h o db o t hf o rt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yr e t r i e v a l s K e yw o r d s r e t r i e v a l s t a t i s t i c a l p h y s i c a lm e t h o d s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n s a t e l l i t ed a t a 引言 由卫星遥感资料反演大气温度和湿度廓线是一 个不适定的问题 解不唯一 而且对观测误差极为敏 感 许多研究表明 采用经验正交函数分解或奇 异值分解技术来表征大气温湿廓线的垂直结构 可 以大大减少反演的变量个数 增加反演的稳定度 是 解决这一问题的有效途径 2 0 最近黄静等 刈提 出一种基于奇异值分解技术的物理统计反演方法 基本做法是选择一组大气温湿廓线资料样本 根据 大气辐射传输模式计算相应的辐射亮温 将二者耦 合再利用奇异值分解 S V D 技术从这组样本中产生 正交基函数 这些基函数反映了大气温湿廓线和卫 星观测量之间的基本关系 截取前几个占优势的基 函数 将实际观测的亮温资料按照这些基函数展开 就可以得到要反演的大气温湿廓线 试验表明反演 效果会好于传统的一维变分反演方法 然而该 方法用于H I R S 3 的辐射资料的反演时 为了保证 反演的稳定性一般只能截取头两个基函数来表征大 气的垂直结构 这样会产生很大的截断误差 影响了 反演的精度 考虑到辐射观测误差的水平结构一般 与大气温度和湿度的水平结构特征会有很大的差 收稿日期 2 0 0 7 0 3 2 9 修回日期 2 0 0 7 0 9 2 6 R e c e i v e dd a t e 2 0 0 7 0 3 2 9 r e v i dd a t e 2 0 0 7 0 9 2 6 基金项目 国家自然科学基金 4 0 3 7 5 0 0 9 资助项目 作者简介 张蕾 1 9 7 9 一 女 江苏邳州人 兰州大学博士研究生 主要从事卫星资料的反演与同化研究 万方数据 1 1 0红外与毫米波学报 2 7 卷 异 可以将原方法在垂直方向施行的S V D 扩展到三 维空间 这样 在将辐射观测投影到由大气温度和湿 度样本产生的正交基函数过程中大部分观测误差有 可能被滤除 从而会增加反演的稳定性 根据这一 思想提出了三维物理统计反演方法 利用N C E P 美 国国家环境预测中心 再分析资料和由模式产生的 辐射资料检验了方法的可靠性 使用一组实际资料 对两种方法的反演效果作了比较 1 反演方法 假设反演区域内有 1 个观测点 也是需要反演 的大气参数 温度和湿度 廓线的点 在每个点上选 定M 次大气参数的观测值 记为向量x 利用这些大 气参数观测由辐射传输方程得到对应的辐射亮温 值 称为模拟亮温值 记为 将大气参数观测值和 对应的辐射亮温值一起组成一个样本数为M 的集 合 记为Q x R 将集合中的每一个样本分别 求距平得到8 x x X 8 R 5 R 5 一R 3 相应的6 Q 6 x 6 R 5 并将列向量8 Q 组成的矩阵记为A 它的 维数为N M 这里N G C G 是3 维空间格点数 和大气参数量的积 C 是使用的卫星观测通道数 解耦合特征值问题 6 缈Q7 b A 6 i 1 2 1 基向量b i 可以分解为 b Y i D i 2 这里Y i b 6 7 与参数对应 D i 6 7 6 7 观测对应 将待反演的大气参数 距平 记为 趾 实际的观测增量记为8 R 可以将耦合得到的 向量8 Q 8 x B R 表示为下面的展开形式 尸 6 Q 6 3 P 0 9 5 一维方法只能够取P 2 而对于三 维方法 误差滤除率对截断阶数不敏感 P 8 0 时都 能保证误差滤除率r 0 9 5 下面考察两种方法的截断误差 对一维方法取 P 2 三维方法取P 6 0 将真实大气参数距平按 P 照 5 式展开 8 x 一 一D p 截断误差是乞 8 x P 1 P 一 X p D 根据上面试验所用的真实大气参数值 分别计算两种方法在不同高度处所有反演点上平均 的截断误差 见图5 a 和图5 b 可以看到 在保证相 同的误差滤除率条件下 不论是温度还是相对湿度 万方数据 2 期张蕾等 利用卫星红外遥感资料反演大气温湿廓线的三维物理统计方法 11 3 图4 一维 细实线 和三维 粗实线 方法平均观测误差滤 除率随截断阶数的变化 F i g 4 T h ea v e r a g e df i l t e rr a t eo fo b s e r v a t i O i le r r o rp l o t t e da s f u n c t i o n so ft r u n c a t i o nn u m b e rf o ro n e d i m e n s i o n a l t h i nl i n e a n dt h r e e d i m e n s i o n a l t h i c kl i n e r e t r i e v a lm e t h o dw h e no b s e r v a t i o ne l T o ri s2 0 K 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 o 4o 6o 8lO1 21 41 61 82 0 K a U T C 的晴空观测值反演大气温湿廓线 将1 9 9 9 2 0 0 2 年7 月份每1 30 6U T C 的1o 1 N C E P 再分析 资料作为数据样本 背景场取反演时刻2 4 h 前的 N C E P 格点资料 为了使由廓线样本计算的辐射亮 温与卫星观测的辐射亮温相匹配 采用双线性插值 方法将格点资料插值到卫星观测点上 将与卫星观 测时空匹配 要求二者的水平距离在一个经纬度之 内 即大约1l O k m 的探空观测作为真值来检验反演 效果 参照L ie ta 1 2 0 0 0 纠的方法对观测点作晴 空筛选 然后将筛选出来的点作质量控制 去掉背景 场模拟观测值与实际观测值之差各通道平均值大于 5 O K 的点 经过筛选留下范围在1 0 0 0 E 一1 2 5 E 和 2 0 0 N 一4 5o N 区域内的3 7 个满足条件的晴空点 最 后对满足要求的点分别采用两种方法反演大气的温 湿廓线 再将反演结果和与之匹配的探空观测进行 对比计算出反演点的均方根反演误差 反演时对一 维和三维方法分别取P 2 和P 4 0 图6 是采用两种反演方法得到的3 7 个点平均 的大气温度和相对湿度的均方根误差 总的来说三 维方法会好于一维方法 其中在2 0 0 h P a 以下三维方 2 0 0 4 0 0 耋6 0 0 8 0 0 l0 0 0 0 0 0 0 0 50 1 00 1 50 2 00 2 50 3 00 3 50 4 0 R H b 矗 图5 两种方法中大气温度 图 a 和相对湿度 图 b 的星 截断误差比较 细实线代表一维方法的截断误差 粗实线代 表三维方法的截断误差 F i g 5 T h et r u n c a t i o ne r r o ro ft e m p e r a t u r e a a n dr e l a t i v eh u m i d i t y b f r o mo n e d i m e n s i o n a l t h i nl i n e a n dt h r e e d i m e n s i o n a l t h i c kl i n e m e t h o d 三维方法的截断误差均小于一维方法 这就是三维 方法会好于一维方法的根本原因 3 实际资料反演结果 将两种物理统计反演方法分别应用于实际卫星 观测资料的反演 选取2 0 0 2 年7 月3 1 日0 5 5 7 O 51 01 52 0 2 53 0 R M S T K a R M SR H b 图6 两种方法的温度 图a 和相对湿度 图b 反演误差 比较 细实线和粗实线分别代表一维和三维方法的反演误 差 F i g 6 T h eR M Sr e t r i e v a le l T o r sf o rt e m p e r a t u r e a a n dr e l a t i v eh u m i d i t y b t h i ns o l i dl i n ea n dt h i c ks o l i dl i n ed e n o t et h e R M Sr e t r i e v a le r r o rf o ro n e d i m e n s i o n a la n dt h r e e d i m e n s i o n a l m e t h o d r e s p e c t i v e l y 万方数据 1 1 4红外与毫米波学报 2 7 卷 法反演的温度明显好于一维方法的反演结果 2 0 0 h P a 以上两种方法的反演结果相近 对于相对湿 度来说 在8 5 0 h P a 至3 0 0 h P a 之间三维方法的反演 结果好于一维方法 其它高度则各有好坏 4 结论 本文提出的三维物理统计反演方法对原有的一 维反演方法作了改进 在根据历史资料样本用S V D 技术产生基函数时 三维方法得到的基函数是三维 空间的向量 它不但反映了大气参数在垂直空间的 结构以及和观测量的联系 也反映了大气参数的水 平空间结构以及在不同点之间大气参数和观测量之 间的联系 分析表明这样可以滤除更多的观测误差 从而减少对观测误差的敏感度 提高反演精度 利 用模式资料所作的数值试验和实际资料反演结果表 明 无论是对温度或湿度 三维方法的反演精度都会 明显高于一维方法 当观测误差较大时其优势更加 明显 不过在将三维方法用于实际时候会遇到一个 困难 需要有在空间足够稠密的观测资料来产生反 演所需要的历史资料样本 利用探空资料可能不能 满足要求 本文在作实际资料反演时 将N C E P 再分 析资料作为历史资料样本 结果表明这一做法是可 行的 是否可以利用水平分辨率较高的大气模拟资 料或者同化资料形成历史资料样本是有待研究解决 的问题 R E F E R E N C E S 1 T h o m p s o nOE D a z l i c hDD H o uYT 卟ei l l p o s e di l a t u r eo ft h es a t e l l i t et e m p e r a t u r er e t r i e v a lp r o b l e ma n dt h e l i m i t so fr e t r i e v a b i l i t y J JA t m o sO c e a nT e c h 1 9 8 6 3 6 4 3 6 4 9 2 T h o m p s o nOE R e g u l a r i z i n gt h es a t e l l i t et e m p e r a t u r er e t r i e v a lp r o b l e mt h r o u g hs i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o no ft h e r a d i a t i v et r a n s f e rp h y s i c s J M o r tW e aR e v 19 9 2 1 2 0 2 3 1 4 2 3 2 8 3 S m i t hWL W o o l fHM T h eu s eo fe i g e n v e c t o r so fs t a t i s t i e a lc o v a r i a n c e sf o ri n t e r p r e t i n gs a t e l l i t es o u n d i n gr a d i a m e t e r o b s e r v a t i o n s J JA t m o sS c i 1 9 7 6 3 3 1 1 2 7 11 4 0 4 S m i t hWL w o o l fHM S c h r i e n e rAJ S i m u l t a n e o u sR e t r i e v a lo fS u C a c eA t m o s p h e r i cP a r a m e t e r s AP h 声w da n d A n a l y s i c a l l yD i r e c tA p p r o a c h A d v a n c ei n R e m o t eS e n s i n g R e t r i e v a lM e t h o d s M H a m p t o n D e e p a c kp u b l i s h i n gV A 1 9 8 5 2 2 1 2 3 2 5 U d d s t r o mMJ R e t r i e v a lo fa t m o s p h e r i cp r o f i l e sf r o ms a t e l l i t er a d i a n c ed a t ab yt y p i c a ls h a p ef u n c t i o nm a x m i u map o s t e r i o r is i m u l t a n e o u sr e t r i e v a le s t i m a t o r s J JA p p lM e t e o r 0 1 1 9 8 8 2 7 5 1 5 5 4 9 6 L IJ u n H U A N GS i X u n A p p l i c a t i o no fi m p r o v e dd i s c r e p a n c yp r i n c i p l ei ni n v e r s i o no fa t m o s p h e r ei n f r a r e dr e m o t e s e n s i n g J S c e n c ei nC h i n a s e r i e sD 李俊 黄思训 改 进的偏差原则在大气红外遥感及反演中的应用 中国科 学 D 辑 2 0 0 1 3 l 7 0 8 0 7 U s p e n s j yAB R o m a n o vSV T r o t s e n k oAN U s eo fp r i n c i p a lc o m p o n e n t st e c h n i q u ef o rt h ea n a l y s i so fa d v a n c e dI R s o u n d e r sd a t a J JE a r t hR e sf r o ms p a c e R u s s i a nA c a d S c i 2 0 0 3 3 2 6 3 3 i nR u s s i a n 8 B o u t t i e rF C o u r t i e rP D a t aa s s i m i l a t i o nc o n c e p t s a n d m e t h o d s R M e t e o r o l o g i c a lT r a i n i n gC o u r s eL e c t u r eS e t i e s 1 9 9 9 1 2 0 9 T h o m p s o nOE G o l d b e r gMD D a z l i e hDA P a t t e r nr e C o g n i t i o ni nt h es a t e l l i t et e m p e r a t u r er e t r i e v a lp r o b l e m J c f i mA p p l iM e t e o r 1 9 8 5 2 4 3 0 4 8 1 0 T h o m p s o n0E R e g u l a r i z i n gt h es a t e l l i t et e m p e r a t u r er e t r i e v a lp r o b l e mt I l r o u g hs i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o no ft h e r a d i a t i v et r a n s f e rp h y s i c s J M o n 耽nR e v 1 9 9 2 1 2 0 2 3 1 4 2 3 2 8 1 1 H U A N GJ i n g Q I UC h o n g J i a n Z H A N GY a n w u S t a t i s t i e a l p h y s i c a lm e t h o df o rr e t r i e v i n gt h ec l e a ra t m o s p h e r i cp a r a m e t e r sf r o ms a t e l l i t ei n f r a r e dm e a s u r e m e n t sJ1 Jl n f r a r e dM i l l i m W a v e s 黄静 邱崇践 张艳武 一种利用卫星 红外遥感资料反演晴空大气参数的物理统计方法 红外 与毫米波学报 2 0 0 7 2 6 2 1 0 2 1 0 6 1 2 S a u n d e r sR M a t r i e a r d iM B r u n e lP Af a s t r a d i a t i v e t r a n s f e rm o d e lf o ra s s i m i l a t i o no fs a t e l l i t er a d i a n c eo b s e r v a t i o n s R T Y O V 5 R E C M W FT e c h M e m o 1 9 9 9 2 8 2 1 3 M AG a n g Q I UC h o n g J i a n L IG u a n g Q i n g e ta 1 S t u d y o fs i m u l a t i o no nr a d i a n c ef r o mi n f r a r e da n dw a t e r v a p o rc h a n n e lo fF Y 2 Bb yaf a s tf o r w a r dm o d e lR T I O V 7 lJ1 上血 f r a r e dM i U i m W a v e s 马刚 邱崇践 黎光清 等 利用R T T O V 7 快速辐射传输模式模拟风云二号红外和水汽成像 通道辐射率的研究 红外与毫米波学报 2 0 0 6 2 5 1 3 7 1 4 0 1 4 S H IC h u n X i a n g X I EZ h e n g H u i O p e r a t i o n a lm e t h o do f t o t a lp r e c i p i t a b l ew a t e rr e t r i e v e df r o ms a t e l l i t em u l t i e h a n n e l s i n f r a r e dd a t a J 上I n f r a r e dMi l l i m W a v e s 师春 香 谢正辉 卫星多通道红外信息反演大气可降水业务 方法 红外与毫米波学报 2 0 0 5 2 4 4 3 0 4 3 0 8 1 5 J WW o l f WPM e m e l e ta 1 G l o b a ls o u n d i n g so f t h e a t m o s p h e r ef r o mA T O V Sm e a s u r e m e n t T h ea l g o r i t h ma n d v a l i d a t i o n J J A p p lM e t e o r 2 0 0 0 3 9 1 2 4 8 一1 2 6 8 万方数据 利用卫星红外遥感资料反演大气温湿廓线的三维物理统计方利用卫星红外遥感资料反演大气温湿廓线的三维物理统计方 法法 作者 张蕾 邱崇践 ZHANG Lei QIU Chong Jian 作者单位 兰州大学 大气科学学院 甘肃 兰州 730000 刊名 红外与毫米波学报 英文刊名 JOURNAL OF INFRARED AND MILLIMETER WAVES 年 卷 期 2008 27 2 参考文献 15条 参考文献 15条 1 Smith W L Woolf H M Schriener A J Simultaneous Retrieval of Surface Atmospheric Parameters A Physical and Analysically Direct Approach 1985 2 Smith W L Woolf H M The use of eigenvectors of statistical covariances for interpreting satellite sounding radiameter observations 1976 3 Thompson O E Regularizing the satellite temperature retrieval problem through singular value decomposition of the radiative transfer physics 1992 4 Li J W Wolf W P Menzel Global soundin