本技術(shù)涉及氣象探測，特別是涉及一種主動和被動聯(lián)合觀測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)確評估二氧化碳對提高我們對碳循環(huán)和氣候變化的預(yù)測至關(guān)重要。常見的二氧化碳反演方法有兩種：經(jīng)驗算法和物理反演算法。

2、經(jīng)驗算法指通過建立衛(wèi)星觀測值與待反演目標(biāo)參數(shù)之間的統(tǒng)計回歸模型來進行二氧化碳柱濃度的反演，反演不涉及輻射傳輸過程，具有反演原理簡單，計算效率高的優(yōu)勢。具體地，經(jīng)驗算法的典型方法包括統(tǒng)計回歸方法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。目前這種經(jīng)驗算法在近紅外天底探測傳感器中得以運用。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，反演結(jié)果會偏離真實值。由于上述缺陷，使得現(xiàn)有經(jīng)驗算法的應(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廓線對反演結(jié)果進行約束，先驗廓線的準(zhǔn)確性對最終二氧化碳柱濃度精度起決定性作用。若先驗信息偏離實際二氧化碳的分布狀態(tài)，則反演結(jié)果較差。

4、因此，針對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)實現(xiàn)思路

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

2、為實現(xiàn)上述目的，本技術(shù)提供了如下方案。

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

4、獲取主動激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)集、廓線數(shù)據(jù)集和被動觀測信息；所述主動激光雷達(dá)觀測數(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；所述主動激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)集包括：online主動激光雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)、offline主動激光雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)、online主動激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)和offline主動激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)；所述廓線數(shù)據(jù)集包括：壓強廓線和二氧化碳廓線數(shù)據(jù)；所述被動觀測信息包括：oco-2觀測數(shù)據(jù)。

5、根據(jù)所述被動觀測信息，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)作為先驗廓線數(shù)據(jù)。

6、根據(jù)所述被動觀測信息，從主動激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)集中提取出相應(yīng)格網(wǎng)的數(shù)據(jù)作為先驗主動激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)。

7、根據(jù)所述先驗主動激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)，基于雷達(dá)方程，計算得到差分光學(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，計算得到先驗廓線的校正系數(shù)矩陣以及校正后先驗廓線數(shù)據(jù)。

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

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

12、獲取主動激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)。

13、對所述主動激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)進行篩選，剔除云上的主動激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)，只保留晴空的主動激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)，得到主動激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)集。

14、可選地，所述先驗主動激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的計算公式如下所示。

15、；

16、其中，為提取出的先驗主動激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)；為online主動激光雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)；為online主動激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)；為offline主動激光雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)；為offline主動激光雷達(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主動激光雷達(dá)監(jiān)測脈沖信號的峰值；為online主動激光雷達(dá)回波脈沖信號的峰值；為offline主動激光雷達(dá)監(jiān)測脈沖信號的峰值；為offline主動激光雷達(dá)回波脈沖信號的峰值。

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，計算不同溫度、濕度、壓強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，計算得到先驗廓線的校正系數(shù)矩陣以及校正后先驗廓線數(shù)據(jù)，具體包括以下內(nèi)容。

22、對所述差分光學(xué)厚度進行高斯擬合，計算得到均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

23、根據(jù)所述均值和標(biāo)準(zhǔn)差，采用3σ原則對所述差分光學(xué)厚度進行質(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，計算得到先驗廓線的校正系數(shù)矩陣以及校正后先驗廓線數(shù)據(jù)。

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

26、計算質(zhì)量控制后先驗主動激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的多普勒頻移，具體計算公式如下所示。

27、；

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

29、可選地，所述先驗廓線的校正系數(shù)矩陣的計算公式如下所示。

30、；

31、；

32、其中，為先驗廓線的校正系數(shù)矩陣；為質(zhì)量控制后的差分光學(xué)厚度；為壓力為時的二氧化碳體積混合比；為壓力為時的權(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，所述校正后先驗廓線數(shù)據(jù)的計算公式如下所示。

34、；

35、；

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

37、可選地，所述二氧化碳柱濃度的計算公式如下所示。

38、；

39、其中，為第次迭代的二氧化碳廓線；為校正后先驗廓線數(shù)據(jù)；為第次迭代的雅各比矩陣；為觀測模型的誤差協(xié)方差矩陣；為平滑因子；為校正后先驗廓線數(shù)據(jù)的誤差協(xié)方差矩陣；為被動觀測數(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)提供了一種主動和被動聯(lián)合觀測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，整理得到主動激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)集，依據(jù)先驗主動激光雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)，基于雷達(dá)方程，計算得到差分光學(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)合先驗廓線數(shù)據(jù)和差分光學(xué)厚度，計算得到先驗廓線的校正系數(shù)矩陣以及校正后先驗廓線數(shù)據(jù)，依據(jù)最優(yōu)化算法原理，以校正后先驗廓線數(shù)據(jù)作為約束，基于被動觀測數(shù)據(jù)計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激光雷達(dá)觀測，又包含了被動觀測數(shù)據(jù)，有效地將主動和被動觀測聯(lián)合起來，具有更準(zhǔn)確的先驗廓線信息，彌補了現(xiàn)有的物理反演算法的先驗廓線信息不準(zhǔn)確的缺陷，且解決了現(xiàn)有經(jīng)驗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，從而加快了先驗廓線的校正系數(shù)矩陣以及校正后先驗廓線數(shù)據(jù)的計算速度，提高了二氧化碳柱濃度反演效率。