本技術(shù)涉及氣象探測(cè)，特別是涉及一種主動(dòng)和被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)的二氧化碳柱濃度反演方法。

背景技術(shù)：

1、二氧化碳作為溫室氣體的重要組成部分在全球變暖的過程中擔(dān)任重要作用。因此，準(zhǔn)確評(píng)估二氧化碳對(duì)提高我們對(duì)碳循環(huán)和氣候變化的預(yù)測(cè)至關(guān)重要。常見的二氧化碳反演方法有兩種：經(jīng)驗(yàn)算法和物理反演算法。

2、經(jīng)驗(yàn)算法指通過建立衛(wèi)星觀測(cè)值與待反演目標(biāo)參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)回歸模型來進(jìn)行二氧化碳柱濃度的反演，反演不涉及輻射傳輸過程，具有反演原理簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高的優(yōu)勢(shì)。具體地，經(jīng)驗(yàn)算法的典型方法包括統(tǒng)計(jì)回歸方法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。目前這種經(jīng)驗(yàn)算法在近紅外天底探測(cè)傳感器中得以運(yùn)用。但該類算法反演結(jié)果的可靠性主要由回歸模型構(gòu)建的樣本集的質(zhì)量所決定，當(dāng)樣本集中的樣本總量較少或不具備代表性時(shí)，反演結(jié)果會(huì)偏離真實(shí)值。由于上述缺陷，使得現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)算法的應(yīng)用受到限制。

3、物理反演算法采用了正向輻射傳輸模型，求解待反演目標(biāo)參數(shù)，具有明確的物理意義。具體地，物理反演方法包括最優(yōu)化算法和doas算法。但是，需要以二氧化碳廓線作為先驗(yàn)廓線對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行約束，先驗(yàn)廓線的準(zhǔn)確性對(duì)最終二氧化碳柱濃度精度起決定性作用。若先驗(yàn)信息偏離實(shí)際二氧化碳的分布狀態(tài)，則反演結(jié)果較差。

4、因此，針對(duì)上述反演方法存在的缺陷，需要一種新的反演方法以解決上述現(xiàn)有的反演方法所存在的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)的目的是提供一種主動(dòng)和被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)的二氧化碳柱濃度反演方法，可有效地將主動(dòng)和被動(dòng)觀測(cè)聯(lián)合起來，具有更準(zhǔn)確的先驗(yàn)廓線信息，彌補(bǔ)了現(xiàn)有的物理反演算法的先驗(yàn)廓線信息不準(zhǔn)確的缺陷，且解決了現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)算法反演精度低的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本技術(shù)提供了如下方案。

3、本技術(shù)提供了一種主動(dòng)和被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)的二氧化碳柱濃度反演方法，所述主動(dòng)和被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)的二氧化碳柱濃度反演方法包括以下步驟。

4、獲取主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)集、廓線數(shù)據(jù)集和被動(dòng)觀測(cè)信息；所述主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)集為基于月份信息和經(jīng)緯度信息整理得到的數(shù)據(jù)集；所述主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)集包括：online主動(dòng)激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、offline主動(dòng)激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、online主動(dòng)激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)和offline主動(dòng)激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)；所述廓線數(shù)據(jù)集包括：壓強(qiáng)廓線和二氧化碳廓線數(shù)據(jù)；所述被動(dòng)觀測(cè)信息包括：oco-2觀測(cè)數(shù)據(jù)。

5、根據(jù)所述被動(dòng)觀測(cè)信息，從所述廓線數(shù)據(jù)集中提取出相應(yīng)格網(wǎng)的數(shù)據(jù)作為先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)。

6、根據(jù)所述被動(dòng)觀測(cè)信息，從主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)集中提取出相應(yīng)格網(wǎng)的數(shù)據(jù)作為先驗(yàn)主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

7、根據(jù)所述先驗(yàn)主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，基于雷達(dá)方程，計(jì)算得到差分光學(xué)厚度。

8、根據(jù)逐線積分原理，構(gòu)建二氧化碳吸收截面查找表。

9、根據(jù)所述先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)、所述差分光學(xué)厚度和所述二氧化碳吸收截面查找表，計(jì)算得到先驗(yàn)廓線的校正系數(shù)矩陣以及校正后先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)。

10、根據(jù)最優(yōu)化算法原理，以所述校正后先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)作為約束，基于所述被動(dòng)觀測(cè)信息，計(jì)算得到二氧化碳柱濃度。

11、可選地，獲取主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)集，具體包括以下內(nèi)容。

12、獲取主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

13、對(duì)所述主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除云上的主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，只保留晴空的主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)集。

14、可選地，所述先驗(yàn)主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算公式如下所示。

15、；

16、其中，為提取出的先驗(yàn)主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)；為online主動(dòng)激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；為online主動(dòng)激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)；為offline主動(dòng)激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；為offline主動(dòng)激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)。

17、可選地，所述差分光學(xué)厚度的計(jì)算公式公式如下所示。

18、；

19、其中，為差分光學(xué)厚度；為online主動(dòng)激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)脈沖信號(hào)的峰值；為online主動(dòng)激光雷達(dá)回波脈沖信號(hào)的峰值；為offline主動(dòng)激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)脈沖信號(hào)的峰值；為offline主動(dòng)激光雷達(dá)回波脈沖信號(hào)的峰值。

20、可選地，根據(jù)逐線積分原理，構(gòu)建二氧化碳吸收截面查找表，具體包括：以預(yù)設(shè)間隔，采用逐線積分的方法，計(jì)算不同溫度、濕度、壓強(qiáng)及頻率下的二氧化碳吸收截面，并考慮二氧化碳和水汽吸收線混疊的影響，構(gòu)建得到四維二氧化碳吸收截面查找表。

21、可選地，根據(jù)所述先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)、所述差分光學(xué)厚度和所述二氧化碳吸收截面查找表，計(jì)算得到先驗(yàn)廓線的校正系數(shù)矩陣以及校正后先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)，具體包括以下內(nèi)容。

22、對(duì)所述差分光學(xué)厚度進(jìn)行高斯擬合，計(jì)算得到均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

23、根據(jù)所述均值和標(biāo)準(zhǔn)差，采用3σ原則對(duì)所述差分光學(xué)厚度進(jìn)行質(zhì)量控制，得到質(zhì)量控制后的差分光學(xué)厚度。

24、根據(jù)所述先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)、所述質(zhì)量控制后的差分光學(xué)厚度和所述二氧化碳吸收截面查找表，計(jì)算得到先驗(yàn)廓線的校正系數(shù)矩陣以及校正后先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)。

25、可選地，在計(jì)算得到先驗(yàn)廓線的校正系數(shù)矩陣以及校正后先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)之前，所述主動(dòng)和被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)的二氧化碳柱濃度反演方法還包括以下內(nèi)容。

26、計(jì)算質(zhì)量控制后先驗(yàn)主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)的多普勒頻移，具體計(jì)算公式如下所示。

27、；

28、其中，為質(zhì)量控制后先驗(yàn)主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)的多普勒頻移；為主動(dòng)激光雷達(dá)的原始發(fā)射頻率；為主動(dòng)激光雷達(dá)飛行速度；為主動(dòng)激光雷達(dá)飛行速度與發(fā)射/接收脈沖回波信號(hào)的夾角；為光速。

29、可選地，所述先驗(yàn)廓線的校正系數(shù)矩陣的計(jì)算公式如下所示。

30、；

31、；

32、其中，為先驗(yàn)廓線的校正系數(shù)矩陣；為質(zhì)量控制后的差分光學(xué)厚度；為壓力為時(shí)的二氧化碳體積混合比；為壓力為時(shí)的權(quán)重函數(shù)；為壓力為，多普勒頻移為的online波段的二氧化碳吸收截面；為壓力為，多普勒頻移為的offline波段的二氧化碳吸收截面；為水汽分子質(zhì)量；為干空氣分子質(zhì)量；為水汽體積混合比，為重力加速度。

33、可選地，所述校正后先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)的計(jì)算公式如下所示。

34、；

35、；

36、其中，為校正后先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)；為提取出的先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)；為平均先驗(yàn)廓線的校正系數(shù)；為第個(gè)激光雷達(dá)足跡的先驗(yàn)廓線的校正系數(shù)；為第個(gè)激光雷達(dá)足跡的online主動(dòng)激光雷達(dá)回波脈沖信號(hào)峰值。

37、可選地，所述二氧化碳柱濃度的計(jì)算公式如下所示。

38、；

39、其中，為第次迭代的二氧化碳廓線；為校正后先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)；為第次迭代的雅各比矩陣；為觀測(cè)模型的誤差協(xié)方差矩陣；為平滑因子；為校正后先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)的誤差協(xié)方差矩陣；為被動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)；為正向模型；為第次迭代的二氧化碳廓線。

40、根據(jù)本技術(shù)提供的具體實(shí)施例，本技術(shù)公開了以下技術(shù)效果。

41、本技術(shù)提供了一種主動(dòng)和被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)的二氧化碳柱濃度反演方法，根據(jù)月份信息和經(jīng)緯度信息，整理得到主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)集，依據(jù)先驗(yàn)主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，基于雷達(dá)方程，計(jì)算得到差分光學(xué)厚度，依據(jù)逐線積分原理，構(gòu)建得到二氧化碳吸收截面查找表，結(jié)合先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)和差分光學(xué)厚度，計(jì)算得到先驗(yàn)廓線的校正系數(shù)矩陣以及校正后先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)，依據(jù)最優(yōu)化算法原理，以校正后先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)作為約束，基于被動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到二氧化碳柱濃度，從而使得本技術(shù)提供的二氧化碳柱濃度的反演方法既包含了主動(dòng)激光雷達(dá)觀測(cè)，又包含了被動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，有效地將主動(dòng)和被動(dòng)觀測(cè)聯(lián)合起來，具有更準(zhǔn)確的先驗(yàn)廓線信息，彌補(bǔ)了現(xiàn)有的物理反演算法的先驗(yàn)廓線信息不準(zhǔn)確的缺陷，且解決了現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)算法反演精度低的問題。此外，依據(jù)逐線積分原理，構(gòu)建得到二氧化碳吸收截面查找表，從而加快了先驗(yàn)廓線的校正系數(shù)矩陣以及校正后先驗(yàn)廓線數(shù)據(jù)的計(jì)算速度，提高了二氧化碳柱濃度反演效率。