發(fā)布時(shí)間：2020-08-14 11:35

【摘要】：遙感衛(wèi)星臭氧產(chǎn)品對(duì)于監(jiān)測(cè)大氣臭氧的時(shí)空分布及變化規(guī)律有著十分重要的作用。但是由于軌道幅寬限制和傳感器異常等因素影響,現(xiàn)有的大氣臭氧總量產(chǎn)品中經(jīng)常出現(xiàn)大量信息丟失的現(xiàn)象,使得遙感時(shí)間序列臭氧總量產(chǎn)品呈現(xiàn)時(shí)間不連續(xù)、空間不完整的狀態(tài),嚴(yán)重影響了其后續(xù)應(yīng)用與分析。搭載于Aura衛(wèi)星上的臭氧監(jiān)測(cè)儀器提供的臭氧總量產(chǎn)品 OMTO3e(ozone monitoring total ozone level 3 expanded),自 2006年末開始出現(xiàn)信息缺失問題,每個(gè)數(shù)據(jù)的缺失區(qū)域占到三分之一甚至更多,嚴(yán)重阻礙了該產(chǎn)品的正常使用。Earth Probe衛(wèi)星上搭載的TOMS傳感器反演的臭氧總量產(chǎn)品TOMSM3L3,在赤道位置處存在條帶狀缺失。這主要是由于衛(wèi)星的軌道高度較低,導(dǎo)致軌道的空間覆蓋面積不夠,從而在赤道附近出現(xiàn)了條帶狀的缺失現(xiàn)象。因此,針對(duì)衛(wèi)星臭氧產(chǎn)品普遍存在的信息缺失現(xiàn)象,發(fā)展一套可行高效的重建技術(shù),進(jìn)而生成一套高精度、長時(shí)序、連續(xù)的時(shí)空覆蓋全球臭氧產(chǎn)品具有重要意義。本文主要工作總結(jié)為以下幾方面:(1)針對(duì)全球衛(wèi)星臭氧總量產(chǎn)品在赤道附近普遍存在的條帶狀缺失現(xiàn)象,以重建缺失信息,生成長時(shí)序、高精度的臭氧總量數(shù)據(jù)集為主線,介紹了幾種遙感影像缺失信息重建基礎(chǔ)方法以及歸納總結(jié)了它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的不足。(2)提出基于時(shí)空加權(quán)回歸的重建方法,該方法針對(duì)OMI傳感器反演的三級(jí)臭氧總量數(shù)據(jù)OMTO3e的數(shù)據(jù)缺失情況進(jìn)行信息重建,研究區(qū)域是包括中國大陸在內(nèi)的矩形區(qū)域。為了保證臭氧總量數(shù)據(jù)的時(shí)空自相關(guān)性和非平穩(wěn)性,利用局部時(shí)空加權(quán)回歸方法,建立目標(biāo)數(shù)據(jù)與多時(shí)相輔助數(shù)據(jù)的時(shí)空關(guān)系模型,實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星臭氧總量產(chǎn)品時(shí)空無縫。該方法采用逐像元的策略對(duì)缺失像元進(jìn)行缺失重建,首先將目標(biāo)數(shù)據(jù)前一天和后一天的數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù),然后建立輔助數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)在目標(biāo)像元位置處的線性回歸關(guān)系,通過選取合適的參考像元,求得回歸關(guān)系的方程系數(shù)。最后通過加權(quán)求和得到目標(biāo)像元的預(yù)測(cè)值。經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)證明,相對(duì)于傳統(tǒng)方法,該方法具有更高的修復(fù)精度。(3)提出顧及臭氧異質(zhì)性分布特征的殘差校正方法,該方法是在基于時(shí)空加權(quán)回歸重建方法的基礎(chǔ)上,顧及臭氧總量在沿緯度和經(jīng)度方向具有不同變化率的特點(diǎn),建立殘差校正模型,對(duì)上述時(shí)空重建方法的預(yù)測(cè)值進(jìn)行校正。研究對(duì)象是全球范圍的OMTO3e數(shù)據(jù),主要思想是首先利用基于時(shí)空加權(quán)回歸重建方法對(duì)全球區(qū)域的臭氧總量缺失進(jìn)行信息重建;然后將時(shí)空重建模型應(yīng)用到目標(biāo)像元的參考像元上,并求取各個(gè)參考像元的預(yù)測(cè)殘差值;接著通過建立參考像元?dú)埐畹母飨虍愋宰儾詈瘮?shù),利用克里金插值法來估計(jì)目標(biāo)像元的預(yù)測(cè)殘差。模擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明該方法能夠重建出全球覆蓋、高精度、時(shí)空連續(xù)的臭氧總量數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上,生成了一套2004年～2014年每日的、時(shí)空連續(xù)的全球臭氧總量產(chǎn)品。(4)提出基于多傳感器的長時(shí)序臭氧產(chǎn)品重建與校正方法,由于監(jiān)測(cè)臭氧總量的時(shí)空變化趨勢(shì)往往需要長時(shí)序的臭氧數(shù)據(jù)作為支撐,單個(gè)衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)通常具有一定的時(shí)間局限性,聯(lián)合多個(gè)傳感器的臭氧總量數(shù)據(jù)是一條有效的途徑。但是,不同傳感器由于觀測(cè)方式以及反演算法不同,造成了不同傳感器反演的臭氧總量產(chǎn)品之間存在相對(duì)差異。而衛(wèi)星光學(xué)臭氧反演過程中,通常使用標(biāo)準(zhǔn)有效臭氧溫度計(jì)算得到臭氧吸收系數(shù),使得臭氧吸收系數(shù)不具地域性和季節(jié)性。忽略臭氧吸收系數(shù)對(duì)于溫度的響應(yīng)關(guān)系,導(dǎo)致最終反演的臭氧總量存在較大誤差。本研究嘗試建立多傳感器臭氧數(shù)據(jù)的歸一化模型,利用M估計(jì)求解模型系數(shù)保證模型的穩(wěn)健性,以消除不同傳感器之間的相對(duì)誤差;并且顧及臭氧光學(xué)反演中臭氧吸收系數(shù)對(duì)溫度的依賴關(guān)系,引入有效臭氧溫度數(shù)據(jù),利用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN)構(gòu)建校正模型,從而提升衛(wèi)星臭氧數(shù)據(jù)的反演精度。實(shí)驗(yàn)證明,M估計(jì)穩(wěn)健回歸方法大大削弱了離群點(diǎn)對(duì)回歸系數(shù)的影響,克服了傳統(tǒng)最小二乘法對(duì)異常數(shù)據(jù)敏感及評(píng)估精度低的缺點(diǎn)。使用十字交叉法驗(yàn)證GRNN模型,結(jié)果表明衛(wèi)星臭氧總量數(shù)據(jù)的反演精度有了較大的提升。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P407
【圖文】：

Ｏｚｏｎｅ邋Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋邐？逡逑氧濃度在大氣層中垂直分布特征示意圖（Ｗｏｒｌｄ邋Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ邋Ｏｒｇａｎｉｚａｔ極臭氧層空洞的出現(xiàn)，北極與青藏高原上空隨即出現(xiàn)了大面積部出現(xiàn)的臭氧低值現(xiàn)象也對(duì)區(qū)域氣候造成了影響（周秀dサ齲保插義

本文編號(hào)：2792977