全球卫星臭氧产品的时空重建研究
发布时间：2020-08-14 11:35
【摘要】：遥感卫星臭氧产品对于监测大气臭氧的时空分布及变化规律有着十分重要的作用。但是由于轨道幅宽限制和传感器异常等因素影响,现有的大气臭氧总量产品中经常出现大量信息丢失的现象,使得遥感时间序列臭氧总量产品呈现时间不连续、空间不完整的状态,严重影响了其后续应用与分析。搭载于Aura卫星上的臭氧监测仪器提供的臭氧总量产品 OMTO3e(ozone monitoring total ozone level 3 expanded),自 2006年末开始出现信息缺失问题,每个数据的缺失区域占到三分之一甚至更多,严重阻碍了该产品的正常使用。Earth Probe卫星上搭载的TOMS传感器反演的臭氧总量产品TOMSM3L3,在赤道位置处存在条带状缺失。这主要是由于卫星的轨道高度较低,导致轨道的空间覆盖面积不够,从而在赤道附近出现了条带状的缺失现象。因此,针对卫星臭氧产品普遍存在的信息缺失现象,发展一套可行高效的重建技术,进而生成一套高精度、长时序、连续的时空覆盖全球臭氧产品具有重要意义。本文主要工作总结为以下几方面:(1)针对全球卫星臭氧总量产品在赤道附近普遍存在的条带状缺失现象,以重建缺失信息,生成长时序、高精度的臭氧总量数据集为主线,介绍了几种遥感影像缺失信息重建基础方法以及归纳总结了它们在实际应用中的不足。(2)提出基于时空加权回归的重建方法,该方法针对OMI传感器反演的三级臭氧总量数据OMTO3e的数据缺失情况进行信息重建,研究区域是包括中国大陆在内的矩形区域。为了保证臭氧总量数据的时空自相关性和非平稳性,利用局部时空加权回归方法,建立目标数据与多时相辅助数据的时空关系模型,实现研究区域内卫星臭氧总量产品时空无缝。该方法采用逐像元的策略对缺失像元进行缺失重建,首先将目标数据前一天和后一天的数据作为辅助数据,然后建立辅助数据与目标数据在目标像元位置处的线性回归关系,通过选取合适的参考像元,求得回归关系的方程系数。最后通过加权求和得到目标像元的预测值。经过模拟实验证明,相对于传统方法,该方法具有更高的修复精度。(3)提出顾及臭氧异质性分布特征的残差校正方法,该方法是在基于时空加权回归重建方法的基础上,顾及臭氧总量在沿纬度和经度方向具有不同变化率的特点,建立残差校正模型,对上述时空重建方法的预测值进行校正。研究对象是全球范围的OMTO3e数据,主要思想是首先利用基于时空加权回归重建方法对全球区域的臭氧总量缺失进行信息重建;然后将时空重建模型应用到目标像元的参考像元上,并求取各个参考像元的预测残差值;接着通过建立参考像元残差的各向异性变差函数,利用克里金插值法来估计目标像元的预测残差。模拟实验和真实实验的结果表明该方法能够重建出全球覆盖、高精度、时空连续的臭氧总量数据。在此基础上,生成了一套2004年～2014年每日的、时空连续的全球臭氧总量产品。(4)提出基于多传感器的长时序臭氧产品重建与校正方法,由于监测臭氧总量的时空变化趋势往往需要长时序的臭氧数据作为支撑,单个卫星传感器数据通常具有一定的时间局限性,联合多个传感器的臭氧总量数据是一条有效的途径。但是,不同传感器由于观测方式以及反演算法不同,造成了不同传感器反演的臭氧总量产品之间存在相对差异。而卫星光学臭氧反演过程中,通常使用标准有效臭氧温度计算得到臭氧吸收系数,使得臭氧吸收系数不具地域性和季节性。忽略臭氧吸收系数对于温度的响应关系,导致最终反演的臭氧总量存在较大误差。本研究尝试建立多传感器臭氧数据的归一化模型,利用M估计求解模型系数保证模型的稳健性,以消除不同传感器之间的相对误差;并且顾及臭氧光学反演中臭氧吸收系数对温度的依赖关系,引入有效臭氧温度数据,利用广义回归神经网络(GRNN)构建校正模型,从而提升卫星臭氧数据的反演精度。实验证明,M估计稳健回归方法大大削弱了离群点对回归系数的影响,克服了传统最小二乘法对异常数据敏感及评估精度低的缺点。使用十字交叉法验证GRNN模型,结果表明卫星臭氧总量数据的反演精度有了较大的提升。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P407
【图文】：
Ｏｚｏｎｅ邋Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋逦？逡逑氧浓度在大气层中垂直分布特征示意图（Ｗｏｒｌｄ邋Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ邋Ｏｒｇａｎｉｚａｔ极臭氧层空洞的出现，北极与青藏高原上空随即出现了大面积部出现的臭氧低值现象也对区域气候造成了影响（周秀dサ龋保插义
本文编号：2792977
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P407
【图文】：
Ｏｚｏｎｅ邋Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋逦？逡逑氧浓度在大气层中垂直分布特征示意图（Ｗｏｒｌｄ邋Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ邋Ｏｒｇａｎｉｚａｔ极臭氧层空洞的出现，北极与青藏高原上空随即出现了大面积部出现的臭氧低值现象也对区域气候造成了影响（周秀dサ龋保插义
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