地基微波辐射计的一维变分反演算法研究

摘要

大气状态廓线是人类用以研究预测气象的重要参数，在过去的时间里，大气状态的获得往往来自一天发射两次的无线探空气球。由于探空气球不可回收、成本较高、探空扩线不垂直等缺点，人类逐渐由直接探空转向遥感观测，而地基微波辐射计系统作为一种大气遥感观测的重要途径，越来越多的机构在研发使用地基微波辐射计系统，用以观测大气状态。
　　地基微波辐射计系统通过在地面观测大气向下辐射亮温，将观测亮温输入反演模型中，进而求得大气状态的反演分析结果。本文重点介绍地基微波辐射计的一维变分反演算法，并验证其反演性能。
　　本文以大气辐射传输理论为基础，先介绍大气衰减模型，仿真出微波波段大气辐射主要成分的吸收系数，得出辐射计频段选择的依据，然后介绍大气向下传输方程，阐述其物理含义，从而引申出大气分层，将辐射传输正向模型离散化，使积分方程组变成多元一次方程组，将反演问题归结为方程组的解法。
　　接着本文介绍了几种地基微波辐射计的反演算法，以线性回归和神经网络为主，并包括正则化法、光滑化法、贝叶斯最大概率法和迭代法，给出各反演算法的数学公式。
　　本文重点介绍一维变分反演算法的理论原理和实验结果分析，以资料同化方法为基础，引出一维变分算法，详细阐述一维变分的数学原理，并对一维变分中背景误差和观测误差、雅可比矩阵、共轭梯度法的意义与求法作出说明。最后给出反演实验中仿真数据分析与仿真结果对比。

目录

声明

第1章 引言

1.1 本文的目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要内容

第2章地基微波辐射计的观测原理

2.1 普朗克黑体辐射定律

2.2 大气辐射传输理论

2.3 大气衰减模型

2.4 大气向下亮温方程

2.5 地基微波辐射计的通道频点选择

第3章 地基微波辐射计的大气反演算法

3.1 辐射传输积分方程的病态性及解法

3.2 统计回归反演算法

3.3 神经网络反演算法

3.4 其他反演算法

第4章 一维变分反演算法

4.1 资料同化方法简介

4.2一维变分反演算法的数学原理

4.3 背景场与背景误差

4.4 观测场与观测误差

4.5 雅可比矩阵

4.6目标函数的共轭梯度解法

第5章 一维变分反演实验处理与分析

5.1 探空数据、模式数据和观测数据来源

5.2 数据的偏差订正

5.3 雅可比矩阵的数值解

5.4 目标函数的线性近似

5.4 误差协方差矩阵B与R

5.5 有云天气条件下的数据处理

5.6一维变分实验结果分析

5.7一维变分与RPG辐射计产品对比分析

第6章 总结与展望

致谢

参考文献