一种星载微波高光谱温湿度廓线反演精度评估方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种星载微波高光谱温湿度廓线反演精度评估方法及系统，该方法包括下述步骤：获取地基探空观测数据，筛选得到晴空探空廓线，对晴空探空廓线进行线性插值；构建温度廓线和湿度廓线的先验误差协方差矩阵；计算中心频率和谱响应函数误差导致观测亮温与理想亮温存在的偏差，得到观测误差，基于仪器误差和观测误差构建仪器观测误差协方差矩阵；计算温度雅可比矩阵和湿度雅可比矩阵；构建温度廓线和湿度廓线的后验误差协方差矩阵；比较温度廓线和湿度廓线的后验误差与先验误差协方差矩阵，获得高光谱微波反演温湿度廓线的精度。本发明专利技术解决了星载高光谱通道分辨率对反演精度的影响，为天气预报引入高质量参考，有助于提高天气预报准确率。于提高天气预报准确率。于提高天气预报准确率。

【技术实现步骤摘要】
一种星载微波高光谱温湿度廓线反演精度评估方法及系统


[0001]本专利技术涉及微波遥感数据反演精度评估
，具体涉及一种星载微波高光谱温湿度廓线反演精度评估方法及系统。

技术介绍

[0002]大气温度和湿度是两个最基本的气象要素。准确的温度和湿度廓线反演可以有效提高天气预报精度，不管是对气候变化，还是环境变化等相关研究均具有重要意义。
[0003]星载微波辐射计在全球大气温度和湿度垂直分布研究方面一直发挥着非常重要的作用。由于微波辐射计不同通道对不同高度大气的敏感度，可提供来自不同大气层高度的温湿度信息。目前主流的微波大气温湿度探测均是采用具备几个或者十几个通道的微波辐射计，通道带宽一般为几百MHz或者几个GHz不等。因此，微波辐射计有限的几个或者十几个通道限制了其观测数据的垂直分辨率。
[0004]随着微波辐射探测技术的不断发展，高光谱微波技术的日趋成熟，微波辐射计逐渐可以实现频谱细分功能，微波辐射计的通道数目成倍增加，甚至有多达成百上千的通道数目，甚至实现几MHz或者十几MHz通道带宽获得精细垂直分辨率的大气层信息。高光谱微波辐射计的发展，在提高温湿度廓线的垂直分辨率方面带来巨大潜力，但是针对精细高光谱微波辐射计观测结果的应用效果和精度评估，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本专利技术提供一种星载微波高光谱温湿度廓线反演精度评估方法，本专利技术针对星载高光谱微波辐射计的亮温观测结果、与通道分辨率相关的灵敏度，实时评估温湿度廓线反演精度，解决了星载高光谱通道分辨率对反演精度的影响，为天气预报引入高质量参考，有助于提高天气预报准确率。
[0006]本专利技术第二目的在于提供一种星载微波高光谱温湿度廓线反演精度评估系统；
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]本专利技术提供一种星载微波高光谱温湿度廓线反演精度评估方法，包括下述步骤：
[0009]获取地基探空观测数据，筛选得到晴空探空廓线，对晴空探空廓线进行线性插值；
[0010]基于晴空探空廓线构建温度廓线和湿度廓线的先验误差协方差矩阵；
[0011]计算理想中心频率和矩形谱响应函数所对应的理想亮温，计算中心频率漂移和实际测量的非理想通道谱响应函数所对应的实际亮温，比较理想亮温和实际亮温的差值得到观测误差，基于仪器误差和观测误差构建仪器观测误差协方差矩阵；
[0012]基于大气辐射传输计算温度雅可比矩阵和湿度雅可比矩阵；
[0013]基于温度雅可比矩阵、仪器观测误差协方差矩阵和温度廓线的先验误差协方差矩阵构建温度廓线后验误差协方差矩阵；
[0014]基于湿度雅可比矩阵、仪器观测误差协方差矩阵和湿度廓线的先验误差协方差矩阵构建湿度廓线后验误差协方差矩阵；
[0015]比较温度廓线和湿度廓线的后验误差与先验误差协方差矩阵，获得高光谱微波反演温湿度廓线的精度。
[0016]作为优选的技术方案，筛选出晴空探空廓线，具体步骤包括：
[0017]当地基探空观测数据的廓线中存在相对湿度大于设定比例的大气层时，判定当前地基探空观测数据对应廓线中有云或降水，在地基探空观测数据中剔除对应廓线，筛选得到晴空探空廓线；
[0018]根据大气气压对晴空探空廓线进行线性插值，设定廓线中的气压最小值，划分多层大气气压值，在预设的气压范围内选择探空廓线插值或利用标准大气廓线线性插值补充晴空探空廓线中缺失的高层大气。
[0019]作为优选的技术方案，所述基于晴空探空廓线构建温度廓线和湿度廓线的先验误差协方差矩阵，具体包括：
[0020]构建温度廓线的先验误差协方差矩阵，所述温度廓线的先验误差协方差矩阵沿对角线对称，表示为：
[0021][0022]其中，S
TP，a
表示温度廓线的先验误差协方差矩阵，T表示大气温度，下标表示廓线对应大气层的层数，var表示方差，cov表示协方差；
[0023]构建湿度廓线的先验误差协方差矩阵，所述湿度廓线的先验误差协方差矩阵沿对角线对称，表示为：
[0024][0025]其中，S
RH，a
表示湿度廓线的先验误差协方差矩阵，RH表示大气湿度，下标表示廓线对应大气层的层数。
[0026]作为优选的技术方案，仪器误差为仪器的通道灵敏度，具体表示为：
[0027][0028]其中，NEDT表示通道灵敏度，ΔBW表示通道带宽，T
sys
表示系统噪声温度，τ表示高光谱微波辐射计积分时间。
[0029]作为优选的技术方案，计算理想中心频率和矩形谱响应函数所对应的理想亮温，具体表示为：
[0030][0031]其中，TB
ideal
表示理想亮温，f1和f2分别为通道的起始频率和终止频率，ΔBW表示带宽，Δb表示设定的频率，TB
k
表示带宽内对应的辐射亮温。
[0032]作为优选的技术方案，计算中心频率漂移和实际测量的非理想通道谱响应函数所对应的实际亮温，具体表示为：
[0033][0034]其中，TB
real
表示实际亮温，f1和f2分别为通道的起始频率和终止频率，TB
k
表示带宽内对应的辐射亮温，Δf表示中心频率漂移，SRF表示非理想通道谱响应函数，ΔBW表示带宽。
[0035]作为优选的技术方案，基于仪器误差和观测误差构建仪器观测误差协方差矩阵，具体表示为：
[0036][0037]其中，S
e
表示仪器观测误差协方差矩阵，sqrt表示平方根计算，NEDT表示通道灵敏度，即仪器误差，ΔTB表示观测误差。
[0038]作为优选的技术方案，基于大气辐射传输计算温度雅可比矩阵，具体表示为：
[0039][0040]其中，K
TP，jl
表示温度雅可比矩阵，j表示大气层的层数，l表示高光谱微波辐射计的通道数，TB1表示高光谱微波辐射计第l个通道亮温，TB2表示在大气廓线中第j层温度扰动下计算得到的对应亮温，表示温度扰动；
[0041]基于大气辐射传输计算湿度雅可比矩阵，具体表示为：
[0042][0043]其中，K
RH，jl
表示湿度雅可比矩阵，TB3表示在大气廓线中第j层湿度扰动下计算得到的对应亮温，表示湿度扰动。
[0044]作为优选的技术方案，温度廓线后验误差协方差矩阵表示为：
[0045][0046]其中，K
TP
为温度雅可比矩阵，S
e
为仪器观测误差协方差矩阵，S
TP，a
为温度廓线的先验误差协方差矩阵；
[0047]湿度廓线后验误差协方差矩阵表示为：
[0048][0049]其中，K
RH
为湿度雅可比矩阵，S
e
为仪器观测误差协方差矩阵，S
RH，a
为湿度先验误差本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种星载微波高光谱温湿度廓线反演精度评估方法，其特征在于，包括下述步骤：获取地基探空观测数据，筛选得到晴空探空廓线，对晴空探空廓线进行线性插值；基于晴空探空廓线构建温度廓线和湿度廓线的先验误差协方差矩阵；计算理想中心频率和矩形谱响应函数所对应的理想亮温，计算中心频率漂移和实际测量的非理想通道谱响应函数所对应的实际亮温，比较理想亮温和实际亮温的差值得到观测误差，基于仪器误差和观测误差构建仪器观测误差协方差矩阵；基于大气辐射传输计算温度雅可比矩阵和湿度雅可比矩阵；基于温度雅可比矩阵、仪器观测误差协方差矩阵和温度廓线的先验误差协方差矩阵构建温度廓线后验误差协方差矩阵；基于湿度雅可比矩阵、仪器观测误差协方差矩阵和湿度廓线的先验误差协方差矩阵构建湿度廓线后验误差协方差矩阵；比较温度廓线和湿度廓线的后验误差与先验误差协方差矩阵，获得高光谱微波反演温湿度廓线的精度。2.根据权利要求1所述的星载微波高光谱温湿度廓线反演精度评估方法，其特征在于，筛选出晴空探空廓线，具体步骤包括：当地基探空观测数据的廓线中存在相对湿度大于设定比例的大气层时，判定当前地基探空观测数据对应廓线中有云或降水，在地基探空观测数据中剔除对应廓线，筛选得到晴空探空廓线；根据大气气压对晴空探空廓线进行线性插值，设定廓线中的气压最小值，划分多层大气气压值，在预设的气压范围内选择探空廓线插值或利用标准大气廓线线性插值补充晴空探空廓线中缺失的高层大气。3.根据权利要求1所述的星载微波高光谱温湿度廓线反演精度评估方法，其特征在于，所述基于晴空探空廓线构建温度廓线和湿度廓线的先验误差协方差矩阵，具体包括：构建温度廓线的先验误差协方差矩阵，所述温度廓线的先验误差协方差矩阵沿对角线对称，表示为：其中，S
TP，a
表示温度廓线的先验误差协方差矩阵，T表示大气温度，下标表示廓线对应大气层的层数，var表示方差，cov表示协方差；构建湿度廓线的先验误差协方差矩阵，所述湿度廓线的先验误差协方差矩阵沿对角线对称，表示为：其中，S
RH，a
表示湿度廓线的先验误差协方差矩阵，RH表示大气湿度，下标表示廓线对应大气层的层数。4.根据权利要求1所述的星载微波高光谱温湿度廓线反演精度评估方法，其特征在于，仪器误差为仪器的通道灵敏度，具体表示为：
其中，NEDT表示通道灵敏度，ΔBW表示通道带宽，T
sys
表示系统噪声温度，τ表示高光谱微波辐射计积分时间。5.根据权利要求1所述的星载微波高光谱温湿度廓线反演精度评估方法，其特征在于，计算理想中心频率和矩形谱响应函数所对应的理想亮温，具体表示为：其中，TB
ideal
表示理想亮温，f1和f2分别为通道的起始频率和终止频率，ΔBW表示带宽，Δb表示设定的频率，TB
k
表示带宽内对应的辐射亮温。6.根据权利要求1所述的星载微波高光谱温湿度廓线反演精度评估方法，其特征在于，计算中心频率漂移和实际测量的非理想通道谱响应函数所对应的实际亮温，具体表示为：其中，TB
real
表示实际亮温，f1和f2分别为通道的起始频率和终止频率，TB
k
表示带宽内对应的辐射亮温，Δf表示中心频率漂移，SRF表示非理想通道谱响应函数，ΔBW表示带宽。7.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢鑫新，周羽，于潇禹，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：