新一代卫星成像仪多层云识别算法研发

发布时间：2020-11-11 01:14

　　 多层云既会对全球云辐射效应造成影响,也会使云特性反演产生误差。云具有大空间范围和长时间序列的分布特征,所以卫星遥感是获取全球云参数最重要的手段之一。随着国内外新一代气象卫星的相继入轨运行,其搭载的光谱成像仪时空分辨率和观测质量得到了很大的提升,极大地改善了气象卫星对云的探测水平。本文根据新一代卫星成像仪通道设计特点,开发了一套新的多层云识别算法。该算法建立在可见光红外成像辐射仪(VIIRS)的三个短波红外(1.38,1.6和2.25μm)和两个长波红外(8.5和11μm)通道的基础上。首先,通过辐射传输模拟分析上述通道对不同云(多层云和单层云)的敏感性,发现1.6和2.25μm通道对位于冰云下方的水云仍有一定的探测能力,并以此为基础创新性地提出了一种新的多层云(上层冰云,下层水云)识别算法;然后利用VIIRS的一级数据(各通道反射率和亮度温度)进行算法开发,得到相应多层云识别结果;最后利用MODIS多层云产品以及主动遥感仪器CALIOP的观测结果进行算法的验证与评估。测试结果表明,该算法可以有效识别多层云。本文假设CALIOP的云产品作为准确的“真值”,与相匹配的CALIOP结果对比发现,该算法识别多层云和单层云的准确率分别达到60%和80%,这与当前业务上的MODIS多层云产品的准确性相近。而造成该算法准确率下降的主要原因之一是长波红外通道很难探测到上层薄冰云。搭载在葵花8号(H8)和风云四号A星(FY-4A)等静止卫星上的多通道光谱成像仪,也设计有相同或相近的通道,通过测试分析发现,该算法有应用到H8号和FY-4A的多层云算法研发中的可行性。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P407
【部分图文】：

DISORT+CKD辐射传输算法结构示意图

图 3.3 三个短波红外通道(a)冰云和(b)水云体散射特性分析。图 3.3(a)和(b)分别比较了冰云和水云在三个短波红外通道的单次散射反照率(SSA ,SSA , and SSA )。单次散射反照率表示云的吸收和散射特性（当消光效率相近时），直接影响着后面相应通道反射率(定义为 Ref , Ref 和Ref )的大小。对于水云来说SSA > SSA > SSA ，且SSA 和SSA 之间相差很小。然而，冰云的单次散射反照率相差较大，SSA > SSA > SSA ，所以相对于水云，冰云在 2.25 μm 通道的吸收比在 1.6 μm 通道小。3.2.2 对云特性反演影响光学厚度(COT)和有效粒子半径(CER)是云光学和微物理特性的两个重要参数，对云的辐射特性有重要影响[10]。目前，经典的云特性反演算法是假设云具有单层且均匀的结构，在平行-平面辐射传输模拟中，用光学厚度和有效粒子半径两个参数表征。该算

17图 3.4 表示双光谱算法的查找表，该表对比了 2.25 μm 通道（红色）和 2.13 μm 通道（蓝色）对云特性不同参数的敏感性。图中，实线表示等有效粒子半径的结果，虚线表示了等光学厚度的结果。通过前面计算得到的各个通道体散射特性，我们利用 DISORT 结合 CKD 方法模拟卫星观测得到的反射率。其中，DISORT 是 Stamnes [68] 与 Thomas 和 Stamnes [69]等人开发的公开的辐射传输软件包，前面已有介绍。CKD 方法是 Liu 等人[72]根据 VIIRS的通道设计特点而开发的，该算法已经用于 VIIRS 并实现业务化。模型中假设大气廓线使用的是美国标准大气廓线，云类型设置为单层冰云和水云，地表假设为朗伯面。图 3.4 表示云特性双光谱反演算法的查找表，该表对比了 2.25 和 2.13μm 通道对云特性不同参数的敏感性。其中，红色和蓝色分别表示 0.87 与 2.13 μm 通道（在文中表示为 0.87-2.13）、0.87 与 2.25 μm 通道（在文表示为 0.87-2.25）的组合。上下两排分别表
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本文编号：2878549