高光谱分辨率氧气A吸收带地表气压和气溶胶廓线反演研究

High spectral resolution Oxygen A-band contains more surface pressure and aerosol information than moderate spectral resolution measurements. In this study: (1) Mie scattering model, the Line-By-Line Radiative Transfer Model (LBLRTM) and the Vector Radiative Transfer based on Successive Order of Scattering (SOSVRT) model are coupled and used for hyperspectral forward calculations, suitable for the study of aerosol and surface permanents. (2) Concerning the spectral properties of Chinese Tansat/CarbonSpec, we carry out the sensitivity of the top of atmosphere spectral data to the surface pressure, aerosol type，aerosol optical depth, aerosol profile, surface reflectance and solar zenith angel. (3) Channel Selections are performed using information content analysis, PCA technology and the sensitivity analysis as the former referred. (4)Based on the optimal estimation method, an algorithm for simultaneously retrieving surface pressure and aerosol pro?le is developed. Some validation tests and analysis including simulation data and GOSAT soundings are carried out. At last, the retrievals are compared with the AERONET, CALIPSO aerosol products, and ground-based site data.

高光谱分辨率氧气A带卫星观测数据比中低分辨率数据包含着更多的地表气压和气溶胶高度分布信息。本研究：(1)耦合了Mie散射、LBLRTM逐线积分模式和基于逐次散射法的全矢量辐射传输模式SOSVRT，构建出适用于氧气A带的高光谱前向辐射传输模式；(2)结合Tansat的氧气A带仪器特性进行数值模拟正演计算，并模拟分析地表气压、大气气溶胶类型、光学厚度及高度分布、地表反照率、太阳天顶角等参数对氧气A带高光谱数据的影响;(3)利用信息量理论和主成分分析技术结合敏感性分析，进行氧气A带反演地表气压、气溶胶廓线的通道选择及数据预处理；（4）基于最优化理论，构建了氧气A带地表气压和气溶胶廓线联合反演的物理算法，并进行模拟数据和GOSAT实测数据的反演试验及误差分析，最后利用AERONET、CALIPSO、地面台站实测数据对算法精度进行评估。

地表气压、气溶胶和云参数是基于短波红外高光谱数据CO2 反演的重要辅助信息，同时地表气压还是反映天气系统演变的重要参数。本研究探索了利用高光谱氧气A带数据获取地表气压及气溶胶信息的能力，开展的主要研究内容包括：(1) 基于矢量辐射传输模式SOSVRT、LBLRTM逐线积分模式，构建了适用于氧气A带的高光谱辐射传输模式；(2) 开展了地表气压、大气气溶胶类型、光学厚度（AOD）及高度分布、地表反照率、太阳天顶角等对氧气A带光谱的敏感性分析；(3) 基于信息论和敏感性分析，开展了地表气压、气溶胶信息反演的通道选择；(4) 基于最优估计理论，构建了利用氧气A带数据的地表气压和气溶胶信息联合反演算法，开展了模拟数据和GOSAT卫星数据反演试验，并利用地面台站数据对结果进行验证。.针对TanSAT的敏感性分析及反演试验表明，大气温度、AOD、地表反照率的不确定性对地表气压反演结果影响较大。（1）当信噪比为360时，暗地表情况下（albedo<0.1），地表气压反演误差较大（>6 hPa）；随着albedo的增加，地表气压误差逐渐减小，当Albedo大于0.15时，地表气压反演精度可优于4 hPa；（2）太阳天顶角、卫星观测角仅在较亮地表（albedo>0.2）情况下对地表气压反演结果有重要影响，天顶角或观测角每增加15°地表气压反演误差增加约1 hPa；（3）当气溶胶类型已知时，氧气A带可以获得较为精确的AOD和标高信息，地表气压反演误差随着AOD增加而增加,当AOD大于0.3时，地表气压误差大于4 hPa；（4）由于信噪比的限制，即使在提供气溶胶、大气廓线等较为精确的先验信息情况下，其地表气压探测精度很难优于2 hPa。利用GOSAT数据的反演结果表明，本算法反演的地表气压均方根误差（RMSE）约为6 hPa，略优于GOSAT L2产品，且反演精度主要受气溶胶AOD和初始温度廓线精度的影响。.此外，还开展了基于主成分分析的氧气A带快速云检测方法研究，并对NCEP、ECMWF和MERRA资料在中国区域地表气压产品的适用性和精度进行了评估。