基于高光谱卫星数据的HECORA云反演算法开发和应用

发布时间：2020-11-15 15:16

　　 随着我国工业化和城市化进程的加快,大气环境污染问题日益突出,已逐渐超出大气环境承载力。利用卫星遥感技术监测大气痕量气体浓度和时空分布,分析污染物跨区域传输特征已成为大气环境监测的重要手段。下一代大气成分监测仪TROPOMI以7km×3.5km的高空间分辨率可以实现城市间大气痕量气体传输的监测,为分析本地源和外来源对大气污染的贡献提供可靠数据。但在利用卫星遥感技术进行大气监测时,大气中的云因其反照率效应、屏蔽效应和云内吸收效应对痕量气体的反演具有重要的影响。在紫外和可见光波段,为了获得准确的大气痕量气体浓度和时空分布,必须首先反演大气中云的相关信息。本文基于O_2-O_2 477nm吸收带开发了HECORA云反演算法以反演有效云量和云压参数,用于校正云对痕量气体反演的影响。HECORA算法的构建首先是使用VLIDORT辐射传输模型模拟不同场景下460-490nm反射光谱,采用DOAS方法拟合,反演获得O_2-O_2斜柱浓度和连续反射率,利用径向基函数建立有效云量和云压查找表;然后使用QDOAS对星载观测仪器观测光谱进行拟合反演出实际O_2-O_2斜柱浓度和连续反射率,结合处理后的辅助数据完成有效云量和云压的反演。使用VLIDROT模拟光谱对该算法进行验证,模拟中使用朗伯云模型时,HECORA云压与真实云压一致;对于单层散射云,HECORA云压在真实散射云层边界内部,而对于双层散射云,HECORA云压处在双层散射云之间,反演结果符合实际情况。将HECORA算法应用于TROPOMI,并将反演结果与基于O_2 A吸收带的FRESCO+产品进行对比,在地表类型为海洋时两种算法的有效云量和云压相关系数R均超过0.95,具有良好的相关性。和星载激光雷达CALIOP云层产品的比较表明在低云时HECORA云压反演结果优于FRESCO+,而在高云时FRESCO+云压更接近CALIOP云压。在TROPOMI NO_2反演中使用HECORA算法反演的有效云量和云压参数,将TROPOMI对流层NO_2垂直柱浓度和地基MAX-DOAS对流层NO_2垂直柱浓度进行验证,在4个观测站点中,两者的相关系数R均超过0.94,相关性良好,说明采用HECORA算法有效云量和云压可以很好地反演区域NO_2垂直柱浓度,可用于校正云对TROPOMI NO_2反演的影响。HECORA算法在TROPOMI上的成功应用,表明HECORA算法在大气云反演中有很高的准确性和可靠性,能够为大气痕量气体反演的云校正提供有效云量和云压,并为中国同类型卫星载荷的云反演算法提供算法参考。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP79;X87
【部分图文】：

第一章绪?论???振对仪器的影响，有利于观测获得更准确的辐射数据，进而提升大气痕量气体、??和气溶胶等反演精度。??表１．１?ＧＯＭＥ主要仪器参数??通道?光谱范围（ｎｎｉ）光谱分辨率（ｎｍ）?积分时间（ｓ）?＾??￣Ｔａ?２３７－３０７?０２０?１２＂＂??１Ｂ?３０７－３１５?０．２０?１．５??２?３１２－４０６?０．１７?１．５??３?３９７－６０９?０．２９?１．５??４?５７６－７９４?０．３３?１．５??ＰＭＤ１?２９５－３９７?－?０．０９３５??ＰＭＤ２?３９７－５８０?－?０．０９３５??ＰＭＤ３?５８０－７４５?－?０．０９３５??（ａ）?ＧＯＭＥ－２?（ＭＥＴＯＰ－Ｂ）?Ｅｆｆｅｃｔｉｖ＊?Ｃｌｏｕｄ?Ｆｒａｃｔｉｏｎ?ｆｏｒ?０１－０１－２０１９?ＫＮＭＩ／ＥＵＭＥＴＳＡＴ??

?９００．?１０００??图１．３?ＳＣＩＡＭＡＣＨＹ云产品（ａ）有效云量；（ｂ）云压??２００４年７月１５日美国国家航空航天局（ＮＡＳＡ）成功发射ＡＵＲＡ卫星，ＯＭＩ??搭载在该卫星上进入近极地太阳同步轨道进行观测［１４］，该载荷由荷兰和芬兰合??作研制，仪器距离地表７０５ｋｍ，轨道倾角９８．２°，每日轨道数为１４或１５，经过??赤道时间为１３：４０－１３：５０。ＯＭＩ设计有３个通道，光谱范围覆盖２７０－５００ｎｍ，光??谱分辨率为０．４２－０．６３ｎｍ，星下点空间分辨率为１３ｋｍｘ２４ｋｍ，垂直轨道视场角为??１１５°，赤道每日全球覆盖。ＯＭＩ望远镜系统由一个主凸望远镜、一个偏振扰频器??和一个二次凸望远镜，将地球光线成像到光谱仪４４ｍｍｘ〇．３ｍｍ的入口狭缝上。??该仪器具有独立的ＵＶ和ＶＩＳ光学通道

??厚度等参数表征，散射云模型示意图如图２．３所示。除此之外，散射云模型中??还需要使用云的微观物理参数，包括云滴有效半径、云滴有效半径方差、云滴??折射率等参数。在使用散射云模型的算法中，反演的云参数主要包括云量、云??顶压力和云底压力，其中云量一般认为是几何云量。在ＶＬＩＤＯＲＴ辐射传输模??型中，提供了朗伯云模型和散射云模型两种输入，但对于散射云模型，其微观??物理参数由选择的云类型决定，分为水云和冰云。通过ＶＬＩＤＯＲＴ使用两种云??模型进行光谱模拟，为ＨＥＣＯＲＡ算法的验证提供了可靠的模拟光谱。??▲??Ｒ（ｔｃ）????Ｚｃ，ｔ〇ｐ??Ｔｃ?７???乙ｃ
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本文编号：2884903