基于多角度标量和偏振卫星数据的气溶胶光学参数反演研究
发布时间：2020-06-09 20:13
【摘要】：气溶胶造成的大气环境影响已在全球范围获得广泛关注。卫星遥感技术大空间尺度范围的特点使其成为监测气溶胶的有效手段。目前,卫星遥感技术主要通过反演气溶胶的光学参数来对气溶胶进行定量化描述,其中,气溶胶光学厚度这一参数已在大多数卫星平台上实现了反演,但仅凭这一参数已不能满足目前大气环境领域的应用需求。以POLDER传感器为代表的多角度标量和偏振观测能够获取更多的气溶胶信息,是未来气溶胶卫星遥感的发展方向。本研究瞄准气溶胶卫星遥感这一热点研究内容,以POLDER多角度标量和偏振数据为基础,开展了气溶胶光学参数的反演研究。本研究提出了新的气溶胶光学参数反演框架,通过多角度标量观测获得气溶胶总光学厚度,通过多角度偏振观测获得气溶胶细粒子光学厚度,最终二者的比值为气溶胶细粒子比。本研究引入了经验正交函数这一数学工具,解决了POLDER多角度标量观测反演气溶胶总光学厚度时地表反射估算的难题,且该方法具有不受地表类型限制的特点。另外,本研究提出了新的气溶胶细粒子光学厚度反演评价函数方案,有效提高了气溶胶细粒子光学厚度的反演精度。本研究选取了AERONET地基观测数据对反演结果进行验证,验证结果显示本研究得到的三个气溶胶光学参数与地基观测数据具有较好的一致性。三个反演参数与地基观测结果的总体相关系数分别为0.898,0.921,0.759;平均绝对误差分别为0.111,0.083,0.140;均方根误差分别为0.151,0.115,0.171;落入期望误差范围内的结果占比分别为74.83%,70.19%,71.88%。在冬季亮地表条件下,气溶胶总光学厚度反演结果与地基观测结果的相关系数为0.901,平均绝对误差为0.104,均方根误差为0.138,落入期望误差范围内的结果占比为71.96%。在高气溶胶负载时,本研究得到的气溶胶细粒子光学厚度反演结果和LOA(Laboratoire d'Optique Atmospherique)官方产品相比,与地基观测结果的相关系数从0.499提升到了0.881,平均绝对误差从0.119降低到了0.044,均方根误差从0.142降低到了0.056,落入期望误差内结果占比从32.43%提高到了91.89%。通过与MODIS现有气溶胶细粒子比产品的比较表明,本研究的结果与地基观测结果的相关系数从0.595提高到了0.859,平均绝对误差从0.363降低到了0.106,均方根误差从0.432降低到了0.137,落入期望误差内结果占比从22.08%提高到了81.81%。基于本研究提出的气溶胶光学参数反演框架,本研究基于IDL语言开发了用于POLDER数据的气溶胶光学参数反演系统,并用该系统获得了中国区域的气溶胶光学参数时空分布特征。本研究得到的中国区域气溶胶光学参数时空分布特征结果表明,中国的华北平原、长三角、珠三角、川渝经济区、北疆、南疆、内蒙古部分地区均是气溶胶总光学厚度的高值区域;华北平原、长三角、珠三角、川渝经济区是气溶胶细粒子光学厚度和细粒子比的高值区域。通过进一步分析中国典型区域的长时序气溶胶光学参数结果表明,华北平原、长三角、珠三角、川渝经济区的气溶胶细粒子比从2009-2013年呈现逐年上升的趋势,且在冬季达到最高。
【图文】：
23图 2.1 6SV 输出的大气辐射参数示例Figure 2.1 The output example of the 6SV calculated atmospheric parameters2.1.3 气溶胶模型参数气溶胶模型实际上是对气溶胶粒子谱分布的描述，一个地区的气溶胶粒子谱分布参数一般可以通过长期的地基观测数据统计得到，并用特定的数学模型参数来描述。由于气溶胶模型直接决定了米散射的计算结果，即决定了大气辐射参数的计算结果，，最终也决定了气溶胶反演查找表对于特定区域的适用性。因此，气溶胶模型直接影响了区域气溶胶光学参数的反演精度，选择恰当的气溶胶模型参数尤为重要。
图 2.3 POLDER 图像扫描示意图（源自 http://cnes.fr/）Figure 2.3 The schematic diagram of POLDER observation最新的 POLDER-3 传感器具体参数设置如表 2.8 所示，其具体通道上的光谱响应函数可以在 http://www.icare.univ-lille1.fr/parasol/mission 网页上末尾处得到。对于短波段（<565nm），POLDER 最初的绝对定标期望精度为 2%，长波段为 3%(Deschamps 等, 1994)。CNES 官方会不定期对 POLDER 的定标系数进行更新，最近一次更新是 POLDER 结束探测任务后的 2014 年，对应数据版本号为 3.02。表 2.8 POLDER-3 传感器参数 (Bréon, 2006)Table 2.8 The Sensor parameter of POLDER-3POLDER-3通道中心波长 (nm) 带宽 (nm) 是否偏振 空间分辨率 (km)最大扫描角度数443 443.9 13.5 No
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院遥感与数字地球研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X513;X87
本文编号：2705191
【图文】：
23图 2.1 6SV 输出的大气辐射参数示例Figure 2.1 The output example of the 6SV calculated atmospheric parameters2.1.3 气溶胶模型参数气溶胶模型实际上是对气溶胶粒子谱分布的描述，一个地区的气溶胶粒子谱分布参数一般可以通过长期的地基观测数据统计得到，并用特定的数学模型参数来描述。由于气溶胶模型直接决定了米散射的计算结果，即决定了大气辐射参数的计算结果，，最终也决定了气溶胶反演查找表对于特定区域的适用性。因此，气溶胶模型直接影响了区域气溶胶光学参数的反演精度，选择恰当的气溶胶模型参数尤为重要。
图 2.3 POLDER 图像扫描示意图（源自 http://cnes.fr/）Figure 2.3 The schematic diagram of POLDER observation最新的 POLDER-3 传感器具体参数设置如表 2.8 所示，其具体通道上的光谱响应函数可以在 http://www.icare.univ-lille1.fr/parasol/mission 网页上末尾处得到。对于短波段（<565nm），POLDER 最初的绝对定标期望精度为 2%，长波段为 3%(Deschamps 等, 1994)。CNES 官方会不定期对 POLDER 的定标系数进行更新，最近一次更新是 POLDER 结束探测任务后的 2014 年，对应数据版本号为 3.02。表 2.8 POLDER-3 传感器参数 (Bréon, 2006)Table 2.8 The Sensor parameter of POLDER-3POLDER-3通道中心波长 (nm) 带宽 (nm) 是否偏振 空间分辨率 (km)最大扫描角度数443 443.9 13.5 No
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院遥感与数字地球研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X513;X87
【参考文献】
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本文编号：2705191
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