大气温度廓线高光谱微波探测技术研究.pdf

摘要

大气温度廓线即大气中温度随高度垂直分布，是大气状态参数十分重要的组

成部分，是研究其他大气参数的基础，在数值气象预报、极端天气预警和气象分析

等研究领域有着重要作用。随着气象数值预报的高速发展，对星载微波辐射计提出

了更高的需求，现今在轨的星载微波辐射计的垂直探测精度已经逐渐不能满足科

研和实际应用的需求。目前的微波温度辐射计一般只有十几个通道，想要进行精细

的大气垂直探测几乎不可能实现。在此背景下，发展高光谱微波辐射计成为必然趋

势。

本文开展了对高光谱微波仿真亮温数据的研究，包括对高光谱数据的处理和

使用处理后的数据进行大气温度廓线反演，主要的研究工作包括：

一、详细分析了大气辐射传输理论，使用MPM93模型计算吸收系数来搭建正

演模型，使用此正演模型产生后续实验需要的仿真亮温数据。同时，对根据辐射计

观测辐射亮温的大气温度廓线反演方法的原理进行了论述，为后续的反演实验提

供理论基础。

二、详细介绍了权重函数的定义和意义，对比了高光谱数据与MWTS-II观测

数据在权重函数上的区别，说明了高光谱数据在大气垂直探测方面的优势。同时，

使用两种方法对高光谱数据进行预处理，分别是主成分分析法和通道选择方法，对

两种方法的原理进行了较详细的推导，并对其预处理效果进行了分析。

三、对统计反演、神经网络反演和物理反演的具体实施和效果进行了分析。并

使用MWTS-II型微波温度辐射计的观测数据进行了反演方法验证试验，其结果表

明反演方法有效。使用单一观测点的高光谱仿真亮温数据和MWTS-II仿真亮温数

据进行了不同反演方法的对比实验，高光谱仿真亮温数据的反演精度明显要比

MWTS-II仿真亮温数据的反演精度高。

四、通道数实验表明增加通道数目可以减小反演误差，当通道数大于200后，

反演误差对通道数的增加不敏感。亮温噪声会对反演精度产生影响，噪声实验表明

添加较小的亮温噪声就会使反演产生较大的误差。非大气状态因子实验表明增加

纬度、地势高度和表面温度等非大气状态因子可以有效提高反演精度。

本文的研究工作为今后微波辐射计设计和使用微波波段的高光谱探测数据打

下基础。

关键词：高光谱，微波，反演，大气温度廓线

ABSTRACT

Atmospherictemperatureprofileistheverticaldistributionofatmospheric

temperaturewithheight,whichisaveryimportantpartofatmosphericstateparameters.

Temperatureprofileisthebasisofstudyingotheratmosphericparameters,andplaysan

importantroleintheresearchfieldsofnumericalweatherforecast,extremeweather

warningandmeteorologicalanalysis.Withtherapiddevelopmentofnumericalweather

prediction,thereisahigherdemandforspacebornemicrowaveradiometer.Nowadays,

theverticaldetectionaccuracyofmicrowaveradiometerinorbitsatellitecan’tmeetthe

demandofscientificresearchandpracticalapplication.Atpresent,themicrowave

temperatureradiometergenerallyhasmorethantenchannels,soitisimpossibletocarry

outfineatmosphericverticaldetection.Inthiscontext,thedevelopmentofhyperspectral

microw