基于信息容量的大气廓线遥感与反演能力研究

利用信息论中信息容量的概念，对星载仪器遥感和反演大气廓线参数（如温度、湿度、臭氧、云水廓线等）的能力进行理论研究与实际数值试验：1）通过对各种探测器探测资料所包含的关于不同大气廓线参数观测信息容量进行研究，实现对各仪器探测能力的评估；2）对不同反演方法的反演信息容量进行估计，探索不同反演方法对探测资料的信息提取能力，实现对其反演能力的刻画；3）通过反演系统中的正则化参数、高光谱通道组合等因子进行最优选择，使反演信息容量取值最大，提出反演系统的优化设计方案。本项目的研究对遥感探测、反演理论进行新的探索；为我国自主研制星载大气探测器、发展反演方法以及开展资料应用提供参考依据。

利用信息论中信息容量的概念，对星载仪器遥感和反演大气廓线参数的能力进行了理论研究与数值试验，主要工作包括：.1）O3廓线的遥感与反演能力研究。从理论上对利用近地点红外探测技术对臭氧垂直分布遥感反演的可行性与困难性进行了系统阐述，并对利用红外高光谱技术进行臭氧垂直分布遥感反演的技术优势进行了分析。然后利用模拟的大气红外探测器AIRS资料，对臭氧垂直分布的反演进行了试验，结果表明在平流层臭氧高浓度区进行反演的产品精度较高，但在对流层底部到近地面层臭氧高浓度区间反演产品精度较差。.2）基于主成份分析方法的高光谱大气探测资料信息提取与降噪研究。理论分析可知，利用主成份分析，通过线性变换保留方差大、含信息多的分量，丢掉信息量少的分量，可实现资料的特征提取或压缩。数值试验结果表明该方法可实现对高光谱资料的信息提取，资料中的噪音也可得到有效的抑制，同时可有效提高大气温度、湿度廓线反演的精度。.3）卫星遥感资料大气廓线参数反演中正则化参数选择方法研究。以大气可反演指数为指标，采用Nelder-Mead单纯形法求解方法，提出了一种卫星遥感资料反演大气廓线算法中动态的正则化参数选择方案。同时针对四条典型区域廓线，进行了选择试验。从选择结果看，不同廓线所对应的最优正则化参数变化幅度非常小，因此在实际反演过程中，为提高计算效率，可近似取正则化参数为固定值。这为利用卫星遥感资料进行大气廓线反演问题中正则化参数的选择提供了一种可借鉴的方法。.4）红外高光谱资料云检测方法研究。从红外高光谱资料的特点和应用现状出发，利用晴空时观测光谱和背景光谱偏差矢量最小原理研究了特定云状下不同云量、云高和云水含量对观测光谱的影响，提出了一种新的红外高光谱资料云检测方法，从云污染视场中检测出不受云影响的通道。数值试验结果表明该方法有效地提高了云污染区域红外高光谱资料的利用率，为有云覆盖情况下反演大气参数提供了有效途径。.5）红外高光谱资料通道选择研究。以反演前后的误差转移为基础，根据各通道在反演过程中对背景误差的修正贡献提出一个衡量标准，来表征通道在反演大气参数过程中的作用，即通道贡献因子，最后根据反演精度的需求以通道贡献因子从大到小的顺序选取一定数目的通道。本方法的优点：a）针对反演要素和精度需求选取通道，优化计算，简化计算量；b）基于反演前后误差转移方程，为不同仪器在反演同一气象要素时的相互比较提供一种思路。