卫星紫外遥感的大气对流层臭氧浓度反演方法研究
发布时间：2021-02-07 13:28
随着城市化和工业发展进程的加快,大气对流层特别是近地面大气臭氧污染问题日益受到广泛关注。快速精确的测量大气臭氧浓度是实现大气臭氧监测的基础,也是研究其产生的气候和环境效应、空气质量预报和有效预测预防光化学污染的必要前提。当前,地面臭氧浓度监测仍然以地面站点监测为主,虽然可以提供精确的臭氧产品,但是这些信息仅能反映监测站点附近一定水平空间和垂直高度上的臭氧浓度情况,并且站点的建立和维护需要大量的人力和物力成本。卫星遥感大气臭氧具备传统地面站点测量所无法比拟的优势。其具有大范围、全球性和全天候性等特点,使得其在全球大气臭氧浓度测量中已经得到了广泛应用。然而,卫星遥感技术多关注于全球宏观大气臭氧状况的快速获取,而在局部地区特别是城市区域的大气臭氧污染监测方面尚未发挥其应有的作用。为了促进卫星紫外遥感技术在监测对流层大气臭氧污染领域的应用,论文以卫星遥感方式实时进行近地面臭氧浓度监测为目标,根据贝叶斯理论,设计针对大气对流层底层臭氧浓度的遥感反演算法,采用eFast全局敏感性分析方法研究最优测量光谱组合和大气分层,对以最优化估计为基础的反演技术流程进行改进和完善。充分考虑应用需求,评估观测卫星...
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 大气臭氧对全球生态的影响
1.1.2 近地面大气臭氧污染已受到国际广泛关注
1.1.3 我国面临的近地面臭氧污染问题日益严峻
1.1.4 大气臭氧浓度观测活动的开展
1.1.5 卫星遥感监测大气低层臭氧浓度的必要性
1.2 国内外研究进展
1.2.1 地面、地基和探空的臭氧监测
1.2.2 卫星传感器臭氧探测
1.2.3 卫星遥感臭氧算法研究进展
1.2.4 目前存在问题与不足
1.3 研究思路与技术路线
1.4 论文组织结构
第2章 研究方法与数据资料
2.1 模拟数据源
2.1.1 大气辐射传输模型
2.1.2 大气热力学先验信息提取数据库
2.2 模型参数光谱敏感度分析方法
2.2.1 全局敏感性分析原理
2.2.2 傅立叶敏感性检验理论
2.3 基于贝叶斯法则的最优化方法
2.4 验证数据源
2.4.1 区域概况
2.4.2 研究资料
2.4.3 数据预处理
2.5 卫星传感器辐射建模与评价方法
第3章 大气臭氧浓度的紫外光谱敏感度分析
3.1 光谱敏感性与反演指标参量的关系
3.1.1 信号自由度与权重函数矩阵
3.1.2 权重函数矩阵的预白化过程
3.1.3 探测过程中测量通道的敏感性衡量标准
3.2 扩展傅立叶敏感性检验的快速计算方法
3.2.1 采样策略
3.2.2 搜索曲线
3.2.3 利用对称特征的简化
3.3 大气臭氧廓线的敏感性计算及其参数优化
3.3.1 eFast敏感性计算流程
3.3.2 最优采样个数与搜索曲线数
3.4 大气臭氧垂直分布的参数敏感性分析
3.5 小结
第4章 大气对流层低层臭氧浓度的卫星遥感反演算法
4.1 卫星遥感反演臭氧廓线的最优化方法
4.1.1 反演机理
4.1.2 非线性最优化问题的处理
4.1.3 迭代法收敛的判定
4.1.4 反演过程指标
4.1.5 非线性反演误差的成分
4.2 反演过程调控机制分析
4.2.1 权重函数矩阵对反演过程的调控
4.2.2 测量误差协方差矩阵对反演过程的调控
4.2.3 先验协方差矩阵对反演过程的调控
4.3 构建两步分离算法原型
4.3.1 算法思路及输入参数假定
4.3.2 算法原型运算流程
4.3.3 反演精度评价
4.4 基于TSS算法的对流层低层臭氧浓度反演
4.4.1 大气分层策略及探测通道
4.4.2 反演流程
4.4.3 反演结果误差分析
4.5 小结
第5章 TSS算法应用评价及时空适应性分析
5.1 TSS算法应用评价
5.1.1 实测资料对比分析
5.1.2 卫星遥感资料反演精度比较
5.2 高时相监测TSS算法时空适应性分析
5.2.1 大气低层臭氧监测的卫星传感器辐射建模
5.2.2 观测几何条件对TSS算法反演精度的影响
5.3 小结
第6章 研究结论与展望
6.1 研究结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
致谢
附录
攻读博士期间科研情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]空气质量卫星遥感监测技术进展[J]. 陈良富,陶金花,王子峰,李莘莘,张莹,范萌,李小英,余超,邹铭敏,苏林,陶明辉. 大气与环境光学学报. 2015(02)
[2]北京夏季地表臭氧污染分布特征及其对植物的伤害效应[J]. 张红星,孙旭,姚余辉,万五星,肖扬,孙滨峰,William J.Manning,韩春萌,郜世奇,高付元,徐卫华,冯兆忠,欧阳志云,王效科. 生态学报. 2014(16)
[3]模型参数全局敏感性分析的EFAST方法[J]. 何维,杨华. 遥感技术与应用. 2013(05)
[4]多轴差分吸收光谱技术反演气溶胶消光系数垂直廓线[J]. 王杨,李昂,谢品华,陈浩,徐晋,吴丰成,刘建国,刘文清. 物理学报. 2013(18)
[5]辐射传输模型多尺度反演植被理化参数研究进展[J]. 肖艳芳,周德民,赵文吉. 生态学报. 2013(11)
[6]利用HJ-1B热红外数据估算晴天大气下行长波辐射[J]. 余珊珊,辛晓洲,柳钦火. 中国科学:地球科学. 2013(02)
[7]面向湖泊水色监测的卫星遥感成像仿真初步研究——基于Hyperion场景[J]. 彭彬,田家,田庆久. 遥感信息. 2012(06)
[8]关于星载光学遥感相机信噪比指标的讨论[J]. 傅鹏,朱近,孙世君,孙权森,夏德深. 航天返回与遥感. 2012(02)
[9]基于多光谱遥感成像链模型的系统信噪比分析[J]. 付强,相里斌,景娟娟. 光学学报. 2012(02)
[10]Analysis for retrieval and validation results of FY-3 Total Ozone Unit （TOU）[J]. WANG WeiHe1,2, ZHANG XingYing1,2,6, AN XingQin3, ZHANG Yan1,2, HUANG FuXiang1,2, WANG YongMei4, WANG YingJian4, ZHANG ZhongMou4, Lü JianGong4, FU LiPing4, JIANG Fang 4 & LIU GuoYang5 1 Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites, China Meteorological Administration (LRCVES/CMA), Beijing 100081, China; 2 National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China; 3 Centre for Atmosphere Watch and Services (CAWAS), China Meteorological Administration, Beijing 100081, China; 4 Center for Space Science and Applied Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 5 Space Star Technology Company Ltd., Chinese Academy of Space Technology, Beijing 100086, China; 6 State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry (LAPC), the Institute of Atmospheric Physics, Chi- nese Academy of Sciences, Beijing 100029, China. Chinese Science Bulletin. 2010(26)
博士论文
[1]基于卫星临边辐射的大气痕量气体含量反演研究[D]. 汪自军.吉林大学 2011
[2]地表热红外辐射背景场建模与成像模拟研究[D]. 赵利民.南京大学 2011
[3]紫外散射反演臭氧总量的若干问题研究[D]. 江芳.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2007
本文编号：3022294
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 大气臭氧对全球生态的影响
1.1.2 近地面大气臭氧污染已受到国际广泛关注
1.1.3 我国面临的近地面臭氧污染问题日益严峻
1.1.4 大气臭氧浓度观测活动的开展
1.1.5 卫星遥感监测大气低层臭氧浓度的必要性
1.2 国内外研究进展
1.2.1 地面、地基和探空的臭氧监测
1.2.2 卫星传感器臭氧探测
1.2.3 卫星遥感臭氧算法研究进展
1.2.4 目前存在问题与不足
1.3 研究思路与技术路线
1.4 论文组织结构
第2章 研究方法与数据资料
2.1 模拟数据源
2.1.1 大气辐射传输模型
2.1.2 大气热力学先验信息提取数据库
2.2 模型参数光谱敏感度分析方法
2.2.1 全局敏感性分析原理
2.2.2 傅立叶敏感性检验理论
2.3 基于贝叶斯法则的最优化方法
2.4 验证数据源
2.4.1 区域概况
2.4.2 研究资料
2.4.3 数据预处理
2.5 卫星传感器辐射建模与评价方法
第3章 大气臭氧浓度的紫外光谱敏感度分析
3.1 光谱敏感性与反演指标参量的关系
3.1.1 信号自由度与权重函数矩阵
3.1.2 权重函数矩阵的预白化过程
3.1.3 探测过程中测量通道的敏感性衡量标准
3.2 扩展傅立叶敏感性检验的快速计算方法
3.2.1 采样策略
3.2.2 搜索曲线
3.2.3 利用对称特征的简化
3.3 大气臭氧廓线的敏感性计算及其参数优化
3.3.1 eFast敏感性计算流程
3.3.2 最优采样个数与搜索曲线数
3.4 大气臭氧垂直分布的参数敏感性分析
3.5 小结
第4章 大气对流层低层臭氧浓度的卫星遥感反演算法
4.1 卫星遥感反演臭氧廓线的最优化方法
4.1.1 反演机理
4.1.2 非线性最优化问题的处理
4.1.3 迭代法收敛的判定
4.1.4 反演过程指标
4.1.5 非线性反演误差的成分
4.2 反演过程调控机制分析
4.2.1 权重函数矩阵对反演过程的调控
4.2.2 测量误差协方差矩阵对反演过程的调控
4.2.3 先验协方差矩阵对反演过程的调控
4.3 构建两步分离算法原型
4.3.1 算法思路及输入参数假定
4.3.2 算法原型运算流程
4.3.3 反演精度评价
4.4 基于TSS算法的对流层低层臭氧浓度反演
4.4.1 大气分层策略及探测通道
4.4.2 反演流程
4.4.3 反演结果误差分析
4.5 小结
第5章 TSS算法应用评价及时空适应性分析
5.1 TSS算法应用评价
5.1.1 实测资料对比分析
5.1.2 卫星遥感资料反演精度比较
5.2 高时相监测TSS算法时空适应性分析
5.2.1 大气低层臭氧监测的卫星传感器辐射建模
5.2.2 观测几何条件对TSS算法反演精度的影响
5.3 小结
第6章 研究结论与展望
6.1 研究结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
致谢
附录
攻读博士期间科研情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]空气质量卫星遥感监测技术进展[J]. 陈良富,陶金花,王子峰,李莘莘,张莹,范萌,李小英,余超,邹铭敏,苏林,陶明辉. 大气与环境光学学报. 2015(02)
[2]北京夏季地表臭氧污染分布特征及其对植物的伤害效应[J]. 张红星,孙旭,姚余辉,万五星,肖扬,孙滨峰,William J.Manning,韩春萌,郜世奇,高付元,徐卫华,冯兆忠,欧阳志云,王效科. 生态学报. 2014(16)
[3]模型参数全局敏感性分析的EFAST方法[J]. 何维,杨华. 遥感技术与应用. 2013(05)
[4]多轴差分吸收光谱技术反演气溶胶消光系数垂直廓线[J]. 王杨,李昂,谢品华,陈浩,徐晋,吴丰成,刘建国,刘文清. 物理学报. 2013(18)
[5]辐射传输模型多尺度反演植被理化参数研究进展[J]. 肖艳芳,周德民,赵文吉. 生态学报. 2013(11)
[6]利用HJ-1B热红外数据估算晴天大气下行长波辐射[J]. 余珊珊,辛晓洲,柳钦火. 中国科学:地球科学. 2013(02)
[7]面向湖泊水色监测的卫星遥感成像仿真初步研究——基于Hyperion场景[J]. 彭彬,田家,田庆久. 遥感信息. 2012(06)
[8]关于星载光学遥感相机信噪比指标的讨论[J]. 傅鹏,朱近,孙世君,孙权森,夏德深. 航天返回与遥感. 2012(02)
[9]基于多光谱遥感成像链模型的系统信噪比分析[J]. 付强,相里斌,景娟娟. 光学学报. 2012(02)
[10]Analysis for retrieval and validation results of FY-3 Total Ozone Unit （TOU）[J]. WANG WeiHe1,2, ZHANG XingYing1,2,6, AN XingQin3, ZHANG Yan1,2, HUANG FuXiang1,2, WANG YongMei4, WANG YingJian4, ZHANG ZhongMou4, Lü JianGong4, FU LiPing4, JIANG Fang 4 & LIU GuoYang5 1 Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites, China Meteorological Administration (LRCVES/CMA), Beijing 100081, China; 2 National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China; 3 Centre for Atmosphere Watch and Services (CAWAS), China Meteorological Administration, Beijing 100081, China; 4 Center for Space Science and Applied Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 5 Space Star Technology Company Ltd., Chinese Academy of Space Technology, Beijing 100086, China; 6 State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry (LAPC), the Institute of Atmospheric Physics, Chi- nese Academy of Sciences, Beijing 100029, China. Chinese Science Bulletin. 2010(26)
博士论文
[1]基于卫星临边辐射的大气痕量气体含量反演研究[D]. 汪自军.吉林大学 2011
[2]地表热红外辐射背景场建模与成像模拟研究[D]. 赵利民.南京大学 2011
[3]紫外散射反演臭氧总量的若干问题研究[D]. 江芳.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2007
本文编号：3022294
本文链接：https://www.wllwen.com/shengtaihuanjingbaohulunwen/3022294.html
