混合粒子群算法ADPSO对月球物理参数反演的改进

常规粒子群算法PSO对低敏感参数较难进行最优估计,本文提出联合自适应惯性权重和变异的混合粒子群算法ADPSO.结果表明：最佳拟合效果不随粒子数和变异概率的增大而加强.就四参数估计而言,粒子数取400个,变异概率小于0.03,可实现最优拟合.采用最佳粒子数和较小的变异概率,利用新近月球重力场模型GL0990d和LRO激光测高数据,对月球南半球部分高地的物理参数进行最优估计.发现研究区域的模型导纳谱很好地拟合了观测值,模型重力异常与观测重力异常的残差较小,符合参数估计的要求,验证了算法的有效性.ADPSO适合于月球物理参数估计,为大规模的反演运算提供了参考.     

基于粒子成像测速技术的降雪微物理特性研究

为了获取自然环境条件下的降雪的微物理特性,本文利用自主研制的降水微物理特征测量仪,研究基于雪花速度的完整俘获概率和空间谱反演算法,并通过外场观测试验研究了雪花的形状、尺度、速度、轴比、空间取向及其谱分布等微观物理特性.结果表明,雪花形状呈现针状、片状、粘连状、扁球状等多种形状,雪花速度随直径的增大而略有增大,轴比随直径的增大略有增大,空间取向易受环境风的影响,倾斜角的平均值在0.9°左右,标准偏差为13.2°;基于实测数据拟合了雪花速度和轴比随直径的变化关系,与国外已有模型相比,本文进一步得出了具有本地化特征的降雪微物理特性.所得到的结论对于云降水物理学研究、天气雷达地面定标、降水导致微波衰减评估等方面的应用有着重要意义.     

利用云廓线雷达数据分析云光谱结构特征

云在地气系统中扮演着非常重要的角色,当前气候模式的模拟仍然缺乏云体内部精细结构的数据。而用传统的被动卫星辐射计遥感,则会丢失大量的云层垂直分布的信息。正是基于这些原因,NASA提出了CloudSat的发射项目,提供必要的观测以使我们更好的理解云的内部结构。CloudSat于2006年4月28日发射成功,搭载第一个W带(94 GHz)云廓线雷达(cloud profile radar, CPR),可提供连续地、全球时间序列的云的垂直结构和特征。利用CloudSat卫星数据对2009年第8号台风云系“莫拉克”和2009年的第15号台风云系“巨爵”进行分析,根据云检测的结果,获取了雷达反射率、云类型以及云层光学厚度的连续变化特征。这将为我们后续台风云系光学特性的研究提供参考。     

基于粒子群PSO算法的月球物理参数反演

针对月震数据的局限性,以及传统反演方法求解月球物理参数的不适宜性,利用非线性粒子群PSO算法同时求解岩石圈主要月球物理参数载荷比、月壳厚度、月壳密度、内部载荷深度、岩石圈弹性厚度等.结果表明:粒子群PSO算法能够同时反演多个月球物理参数的最优解,计算效率高于传统方法.将该方法应用于月球物理参数多参数的反演,可为月球内部精细结构研究提供参考.     

基于优化理论的高频地波雷达海浪参数反演

针对从高频地波雷达海洋回波多普勒谱反演海浪参数的非线性积分方程,采用线性化近似可以转化为线性积分方程,类似于第一类Fredholm积分方程.文中采用数值方法将线性积分方程转化为二次型最优化问题,并采用共轭梯度法来求解.针对海浪参数的非负先验特性,在迭代过程中,加入非负约束项对共轭梯度法进行了改进.在单部雷达和双部雷达情况下进行正演数值模拟,然后用模拟数据添加不同信噪比的随机噪声进行海浪参数反演,无论是单峰海浪谱还是有两个传播方向的双峰谱反演结果均表明了本文提出的算法在不同信噪比下的有效性.     

采用邻域近似算法估计环境参数不确定性

根据贝叶斯理论,逆问题的解可以用后验概率密度来表征,它包含了模型参数先验知识和观测数据信息,反映了反演参数的不确定性.一种快速吉布斯采样算法已经被用于后验概率密度的多维积分运算,但其需要调用大量的声场前向模型,在多个频率或水平变化的匹配场参数反演中,计算量仍然很大.基于邻域近似算法,提出一种比快速吉布斯采样算法更快的参数不确定性估计方法.对低维参数反演问题,邻域算法可以很好地逼近真实的后验概率密度;而对高维问题及其敏感参数,在模型参数样本量有限的条件下,邻域算法很难精确地估计后验概率密度.为了克服以上缺点,并完整地得到反演参数的不确定性信息,设计了一种多步估计方案.数值仿真和实测数据分析表明,多步邻域算法采用较少的计算代价,可获得与快速吉布斯方法相似的估计精度.     

基于高分辨率激光外差光谱反演大气CO_2柱浓度及系统测量误差评估方法

利用实验室研制的近红外激光外差光谱仪,开展了基于最优估计算法的温室气体柱浓度反演和系统测量误差的近似评估等相关工作.首先,通过光谱数据库、参考正向模型计算结果与傅里叶变换红外光谱技术探测结果筛选出了探测窗口,并以此为依据选择了相应的激光器和探测器;其次,建立了基于参考正向模型最优估计浓度反演算法,采用Levenberg-Marquardt (LM)迭代方法,实现了整层大气CO_2柱浓度及垂直分布廓线的反演,并开展了长期观测对比实验,验证了反演算法的可行性;最后,通过模拟所选探测窗口波段在不同白噪声条件下的正向大气透过率谱,获得了系统SNR与柱浓度测量误差之间的近似对应关系.该研究是探测系统不可或缺的理论计算部分,将有助于完善激光外差技术在大气探测中的应用.     

基于多重查找表的太赫兹波段卷云微物理参数的反演方法

太赫兹波长和典型卷云冰晶粒子尺度处于同一量级,是理论上遥感卷云微物理参数(粒子尺度和冰水路径)的最佳波段.结含183,325,462,664,874 GHz通道的辐射传输特性,通过通道亮温差、亮温差斜率等五个参数量化粒子尺度和冰水路径对太赫兹辐射光谱的影响,基于加权最小二乘法建立了多重查找表反演卷云微物理参数的方法,并通过模拟数据序列进行了理论反演误差分析.结果表明:多重查找表反潢方法可实现粒子尺度50—500μm和冰水路径10—500 g/m~2范围内卷云微物理参数稳定、有效的反演.与只采用亮温差特征或亮温差斜率特征相比,粒子尺度的反演误差分别降低了68.78%和60.28%,冰水路径的反演误差则分别降低了78.17%和49.01%.对反演结果进行不确定度分析表明,粒子尺度和冰水路径的不确定度与粒子尺度和冰水路径的大小相关,冰水路径的不确定度分布在0—15 g/m~2范围内,粒子尺度的不确定度分布在0-20μm范围内.研宄结果对于进一步发展太赫兹波被动遥感卷云技术、提高卷云参数的反演精度具有重要借鉴意义.     

大尺度分层介质电特性参数的反演方法研究

针对大尺度分层介质电磁场散射回波数据, 提出了一种用于分层介质特性参数反演的新方法, 实现了分层介质的介电常数、电导率和介质厚度的同时反演. 方法首先将这些参数的反演转化为最优化问题进行求解, 然后应用模拟退火算法搜索最优解, 充分利用算法的全局寻优能力, 同时改善了算法的搜索控制策略, 使算法在最优解的搜索过程中可以自适应地调整搜索步长, 提高了算法的搜索效率. 结果表明, 本文方法可以实现大尺度分层介质特性参数的准确反演, 且具有较强的抗噪声能力. 该方法可以应用于火星/月球 雷达探测回波数据的反演以及地下分层结构特性的分析. 关键词： 电磁散射 分层介质 模拟退火算法 最优化     

太赫兹波被动遥感卷云微物理参数的敏感性试验分析

太赫兹波长和典型卷云的冰晶粒子尺度处于同一量级,其在遥感卷云微物理参数(粒子尺度和冰水路径)方面具有广阔的应用前景.为了评估卷云微物理参数对太赫兹波传输特性的影响及其在太赫兹波段的敏感性,基于大气辐射传输模式分别模拟计算了晴空和有云条件下大气层顶的太赫兹辐射光谱特征,分析了这两种条件下辐射亮温差值的特点,研究了卷云冰晶粒子形状、粒子尺度及冰水路径对太赫兹辐射传输特性的影响,并定量计算了相关敏感系数.结果表明:卷云冰晶粒子形状、粒子尺度、冰水路径等对太赫兹波传输特性均有不同程度的影响,卷云效应也因通道频率而异,太赫兹波对卷云的粒子尺度和冰水路径有较高的敏感性,是理论上被动遥感卷云微物理特性的最佳波段.研究结果对于进一步发展太赫兹波被动遥感卷云技术、提高卷云参数的反演精度具有重要意义.     

AIRS红外高光谱卫星数据反演卷云光学厚度和云顶高度

基于大气红外探测器L1B红外高光谱辐射观测资料,结合中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer, MODIS)云产品数据,利用通用大气辐射传输模式(combined atmospheric radiative transfer model,CART),根据模式模拟和AIRS实际观测亮温的亮温差,研究从AIRS红外波段1 070～1 135 cm-1高光谱数据反演卷云的光学厚度和云顶高度。将反演的卷云光学厚度与云顶高度作为输入参数模拟计算650～1 150 cm-1波段卷云大气顶的辐射亮温谱,并将模拟值与AIRS观测亮温谱进行了对比分析。将反演的卷云光学厚度和云顶高度和AIRS的760通道(900.56 cm-1,11.1 μm)的亮温以及MODIS卷云反射率进行了对比分析。最后将反演的卷云云顶高度和MODIS云顶高度进行了对比分析。研究结果表明：反演所使用的650～1 150 cm-1波段模式模拟和观测亮温谱吻合得很好,说明CART可以较好的模拟AIRS亮温谱。反演的卷云参数与AIRS在大气窗口区的760通道(900.56 cm-1,11.1 μm)的亮温的分布满足低亮温对应较大的卷云光学厚度和高云顶高度。反演的卷云参数和MODIS卷云的反射率分布满足高卷云光学厚度和云顶高度对应高卷云反射率。反演的卷云云顶高度和MODIS的卷云云顶高度之间线性相关系数相对较高,且都在8.5～11.5 km的概率较高,两者的概率分布趋势一致。说明CART可以用于反演卷云的性质,反演结果具有一定的可靠性。     

MARC: A code for the retrieval of atmospheric parameters from millimeter-wave limb measurements

A new data analysis software is presented that has been developed for the retrieval of atmospheric minor constituents from limb-sounding observations made in the millimeter and sub-millimeter spectral regions. The code, which is called MARC (Millimetre-wave Atmospheric-Retrieval Code), has been designed to analyze the observations of the MARSCHALS (Millimetre-wave Airborne Receivers for Spectroscopic CHaracterisation in Atmospheric Limb-Sounding) instrument which operates on the M-55 stratospheric aircraft. The main objective of the analysis of MARSCHALS observations will be to assess long-wave measurement capabilities for the study of the upper troposphere and lower stratosphere regions. The key questions will be the accuracy and spatial resolution that can be achieved by long-wave measurements in presence of clouds and horizontal gradients.MARC performs a global-fit multi-target retrieval, in which optimal estimation is used and errors of the forward model parameters are taken into account for the definition of the cost function minimized in the retrieval. With these features it is easy to use the variables of the problem as either forward model constant parameters or retrieved unknowns with minimum impact on the stability of the retrieval. MARC can perform a wide spectral-band analysis of the observations without a selection of the analyzed channels, and the retrieval process provides an error budget of the retrieved unknowns that includes both the forward model errors and the measurement errors. The error budget obtained in this way is smaller than that obtained when accounting a posteriori for the systematic errors. The new combination of the retrieval features makes possible an efficient and optimal exploitation of the information content of the observations.     

基于固有光学量的高光谱数据反演城市河网水质

水体辐射传输模型是水体光谱特性分析的理论基础,水体固有光学量由水体组成决定,与水体表面光场无关。基于统计的半经验算法虽然能获取指定区域水质参数反演结果,但是缺乏物理意义;基于生物光学模型的分析算法,针对城市河网内陆Ⅱ类水体光学特性复杂、空间分布异质性强、水体细小、流动性大等特点,利用高光谱数据,研究基于固有光学量的城市河网水质参数反演模型,对内陆城市浑浊水体光谱特性研究具有重大意义。提出了适用于内陆城市河网水体的改进QAA算法,以获取水体固有光学量,改进包括后向散射估计模型调整和参考波段优化两个方面;计算参考波段总吸收系数、颗粒物后向散射系数等固有光学量,得到浮游植物吸收系数和剔除纯水吸收系数;对浮游植物吸收系数最优波段比值与叶绿素a浓度进行线性回归分析,构建叶绿素a水质浓度反演模型,对剔除纯水吸收系数最优波段比值与悬浮物浓度线性回归分析,构建悬浮物水质浓度反演模型。针对内陆河网Ⅱ类水体,以典型的河网城市嘉兴市为研究区域,获取了研究区域航空高光谱数据,以及水质采样化验数据和水面以上光谱数据等地面准同步测量数据;利用QAA算法和IIMIW算法对实测水面以上光谱进行固有光学量反演,对比分析两个算法并结合城市河网水体特点,提出改进QAA算法;利用改进的QAA算法实现了研究区域水体的固有光学量反演,基于反演的水体固有光学量建立了叶绿素a浓度和悬浮物浓度两项水色参数定量反演模型,反演模型决定系数R2分别为0.64和0.71;并用航空高光谱数据同步区域的4个地面样点实测数据,对反演结果进行验证分析。通过水质参数浓度反演值与实测值的对比,叶绿素a和悬浮物水质浓度反演的平均相对误差分别为9.2%和9.4%,反演得到的叶绿素a和悬浮物浓度分布图,也与城市河网的特点和实际情况相符,为城市河网水质监测提供方法和模型参考。     

基于六角形和球形冰晶模型的卷云辐射特征研究

卷云中冰晶粒子的单次光散射计算是卷云辐射传输及云微物理参数反演的重要基础。近年,利用高观测频率的静止气象卫星数据来反演水云和卷云的光学和微物理参数,进而计算地表光通量的研究倍受重视。然而,很多研究中卷云的冰晶用球形模型来模拟。由于不同形状和尺度大小的冰晶对电磁波的散射特征的不同,导致不同冰晶模型计算的卷云环境下卫星观测的辐射值及地表光通量的不同。利用不同尺度大小和电磁波波长的球形和六角形冰晶的单次散射数据,结合RSTAR辐射传输模式来定量分析了卷云环境下不同形状的冰晶模型对计算卫星观测的辐射和地表光通量中的影响。结果显示利用不同形状的冰晶模块来计算的卫星观测的辐射,地表向下辐射通量明显不同。波长在0.4～1.0 μm之间的大气窗口部分的光谱辐射通量的差距最大。总辐射通量受云粒子形状的影响显著。研究证实了正确选择冰晶模型对卫星反演卷云微物理和光学参数的反演及计算地表光通量的重要性。该结果对于云微物理参数的反演及地表向下辐射通量的模拟具有参考价值。     

利用地基红外高光谱发射率数据进行云参数反演(2): 云滴有效半径和云水路径反演

云滴有效半径和云水路径等微物理参数是了解云的形成过程、辐射效应以及云、气溶胶和降水相互作用等问题的重要数据。利用地基红外高光谱辐射数据开展了云微物理参数反演方法研究。针对光谱数据的特点,进行了基于云层发射率光谱和辐射光谱的敏感性分析,在此基础上建立了云微物理参数与云发射率光谱差值和斜率等特征参数有关的查找表关系。具体特征参数包括：热红外波段862.1和934.9 cm-1的云层发射率之差、中红外波段1 900.1和2 170.1 cm-1的云层发射率之差、热红外波段900～1 000 cm-1区间的发射率光谱斜率和辐射值光谱斜率、1 100～1 200 cm-1区间的发射率光谱斜率和辐射值光谱斜率等。研究了臭氧波段云层透过率的计算方法及对查找关系的约束性,选择了1 050～1 060 cm-1区间的云层透过率平均值作为约束特征参数。实现了基于逐步搜索法的多重查找反演云滴有效半径和光学厚度,并可通过经验关系计算云水路径。研究表明,该算法得到的水云的云滴有效半径与ARM计划中的MICROBASE产品基本相当,冰云的云滴有效半径相对偏小,两者的云水路径反演结果差异较大。该反演算法较适合于光学厚度小于6的薄云。     

Adding constraints by in situ informations to optimal estimation retrievals of tropospheric water vapour profiles from microwave radiometry

The optimal estimation method is a widely used method to invert species profiles from spectra observed by a microwave radiometer. The classical retrieval is constrained by the a priori profile and the corresponding covariance matrix, which is a “soft” constraining of the retrieved profile to a certain range of values. However, in some cases a “hard” constraining of the profile to a fixed value known from other measurements would be desirable.This work presents an approach to introduce such “hard” retrieval constraints (fixed-points) into optimal estimation retrievals by adapting the a priori covariance matrix.Its application is tested on the example of the retrieval of tropospheric water vapour volume mixing ratio (vmr) profiles from spectra of the MIAWARA radiometer operated by the Institute of Applied Physics, University of Bern. Thereby the cloud base height is one candidate to deliver a fixed-point, as the corresponding vmr value can be determined by assuming a relative humidity of 100%.As a test, the approach is applied to spectra simulated from balloon soundings. The cloud base height is derived from these same balloon soundings. The results show a significant improvement of the retrieval performance for all cases with liquid clouds except for fog.Afterwards the approach is also applied to real MIAWARA data. Thereby the measurements of a ceilometer and an infrared sensor (both installed close to the instrument) are used to derive a fixed-point.In principle, the application on real data also works. However the retrieval performance is limited, because we are currently not able to determine the vmr value at fixed-point altitude with suitable precision. The cloud base temperature, needed for the calculation of the vmr value at fixed-point altitude, is determined indirectly from measurements of an infrared sensor attached to the instruments or by for example interpolating data from ECMWF-reanalysis. In both cases the precision is not very high, with there being a significant uncertainty in the resulting vmr-value at cloud base. However, our new radiometer TEMPERA has the capability to deliver more reliable estimates of the cloud base temperature in near future.     

相态对冰水混合云微观特性反演的影响研究

当云层的温度在－40℃~0℃之间时, 云层中会存在冰和水两种相态的云滴, 其散射特性与纯水云以及纯冰云特性有较大差异, 因此遥感反演混合相云层的微观和宏观物理特性具有重要的意义。本文采用冰水双层球模型模拟了冰水混合云中的云滴, 利用Mie理论计算了纯水、纯冰和冰水颗粒的单次散射特性, 分析了单次散射相函数, 不对称因子, 单次散射反照率等随着有效半径、相态、内外半径比等的变化特性。利用离散纵标法(DISORT)计算了水云和冰云对0.75 μm、2.16 μm和3.3 μm的双向反射函数, 讨论了利用纯水滴和纯冰滴反演冰水混合云滴的误差。分析结果表明, 利用0.75 μm和2.16 μm的太阳光反演冰水混合云的光学厚度和有效半径时, 光学厚度误差较大, 有效半径误差较小; 结合0.75 μm和3.3 μm的太阳光反演冰水混合云的光学厚度和有效半径时, 光学厚度误差较小, 有效半径误差较大, 其会高估其有效半径; 另外结合0.75 μm和3.3 μm这两个波长的反射函数反演冰水云的冰水混合比更为有效。     

The impact of ice cloud particle microphysics on the uncertainty of ice water content retrievals

Ice water content (IWC) is a standard product of cloud radar measurements. In this work, cloud radar cross-sections of various ice clouds are modeled to examine the relationship between the radar signal and the IWC. We report that using backscatter signal at cloud radar wavelength to retrieve IWC results in large uncertainties. Particle size distribution is the primary cause for the uncertainty in the retrieved IWC at radar wavelengths, though particle shape and orientation also play significant roles. Particularly in this study, we demonstrate that using both transmitted waves through the clouds (extinction) and backscattered waves from the clouds to retrieve the mean particle size and then using the mean particle size for IWC retrieval reduces the uncertainty. IWC retrieval can be improved with size distribution derived from dual wavelength cloud radar.     

高分五号卫星多角度偏振相机最优化估计反演:角度依赖与后验误差分析

多角度偏振相机(directional polarimetric camera, DPC)随高分五号卫星已经成功发射并持续获取全球观测数据.针对DPC在陆地气溶胶反演领域的应用需求,本研究基于多参数最优化估计反演框架,引入信息量和后验误差分析工具,讨论了DPC观测信息量对角度的依赖,给出了地表和气溶胶参数的后验误差,并分析了后验误差的影响因素.研究表明:1)卫星观测信息量随观测角度个数的增加显著提升, DPC多角度观测比单角度观测的总DFS(degree of freedom for signal)平均提高了5.45; 2)气溶胶反演比地表更依赖于卫星观测几何,散射角覆盖范围越大,观测包含的气溶胶信息量越多; 3)反演参数的后验误差随观测角度个数的增加显著降低,而气溶胶模型误差对后验误差的影响并不显著.总体来说,观测误差是影响反演结果不确定性的主要因素.本研究对DPC多角度偏振观测的反演能力以及反演不确定性进行了系统的定量评估,为DPC在轨测试及反演算法开发提供参考.