利用POLDER数据反演气溶胶光学厚度

论文总字数：16536字

目 录

1.绪论 5

1.1 国内外研究的进展 5

1.2 问题的提出 6

2.气溶胶光学厚度反演的理论与方法 6

2.1 矢量辐射传输方程 6

2.2 矢量6s 7

2.3 POLDER资料简介 8

2.4 POLDER数据的读取 9

3.气溶胶光学厚度的反演 10

3.1 参数的敏感性分析 10

3.1.1 总反射率的影响 11

3.1.2 偏振反射率的影响 12

3.2 反演流程 13

3.3反演结果及验证 13

3.3.1 反演结果与AERONET的比较 13

3.3.2 反演结果与MODIS产品比较 14

4.总结与展望 14

4.1 总结 14

4.2 展望 15

参考文献 15

致谢 17

利用POLDER资料反演气溶胶光学厚度

许文龙

,China

Abstract:Atmospheric aerosol is not only an important role in global climate and quantitative remote sensing, but also has a great influence on the quality of atmospheric environment，which is

increasingly important to people.Therefore，it is imperative to do some research with aerosol physical properties，especially optical properties. Based on scalar radiance observed by satellite is sensitive to both atmosphere aerosol and land surface,but polarized radiance can distinguish atmosphere aerosol scattering from land surface reflection，the intention of this paper is to study aerosol optical thickness.According to Shao Pei’s method,we can extract total reflection and polarized reflection in POLDER(Polarization and Directionality of Earth’s reflectance) L-1B data to retrieval aerosol optical thickness,combined with 6SV radiation transfer model.In addition,I compared aerosol optical thickness with both products provided by AERONET and MODIS.The results verify this method and show a great potential in the future.

Keywords：POLDRE；Aerosol； Optical Thickness；6SV ；Retrieval

1.绪论

1.1 国内外研究的进展

气溶胶（aerosol）是由液体或固体小质点悬浮并分散在气体介质中形成的胶体分散体系，又称气体分散体系，是悬浮在大气中的固态和液态粒子，其大小变化范围从0.001到100微米，天空中的云、雾、尘埃都是气溶胶的具体实例。

由于气溶胶能改变能量的循环方式，因此对地球的辐射收支有着非常重要的影响，会造成地方区域甚至全球的气候变化^[1-2]；气溶胶信息是卫星遥感图像重要参数之一^[3-4]；气溶胶在大气污染状况的研究中也起着重要的作用，大气气溶胶粒子是空气中的主要污染物，由于气溶胶悬浮在大气之中，空间变化性大，很容易造成大范围内的大气污染；气溶胶粒子是形成一些大气污染烟雾的主要原因^[5]，它通过对可见光的散射和吸收作用使地表能见度降低，直接影响到正常的交通运行及人们的生产生活活动；而一些较小的气溶胶粒子能够随着人的呼吸道进入体内，特别是近来备受关注的PM2.5，与粒径较大的颗粒物相比，PM2.5对人体健康影响更大。另外，气溶胶在云降水物理方面也起着重要的作用^[6]。当大气中气溶胶粒子较多时，水汽的凝结核增多，空气中的水汽容易依附气溶胶上形成雨滴，从而形成降水。但是，气溶胶的相关特性反演却是是大气参数中最难反演的参数之一，尤其是气溶胶光学厚度。

气溶胶光学厚度( Aerosol Optical Depth/Thickness，简称AOD或AOT) 是气溶胶消光系数从地面到大气层顶整层的积分，一般用550nm处的气溶胶光学厚度代表整层大气的气溶胶光学厚度，一般在气溶胶反演中提到的光学厚度并不是在观测波段得到的，而是550nm处的，可以进行相互比较。目前，针对气溶胶光学特性的研究已经有很多了,遥感测量是目前最有效的方法之一，而利用遥感研究气溶胶特性的方法主要分为地基遥感和空基遥感。

美国NASA采用太阳分光光度计(CE-318)在全球建立了一个气溶胶地面自动观测网(AERONET)，能够得到较为精确的观测值。虽然地面观测站的数据能够得到较为准确的气溶胶光学厚度及其他物理特性，但由于气溶胶的特性随时空变化较快，再加上地面监测站点的分布较为稀疏，使得常规的地面监测很难满足实际的需求，因而利用卫星数据遥感大气气溶胶的光学特性就成为目前不可替代的气溶胶监测手段^[7]。卫星观测得到的数据相较于地面观测站，虽然精度不高，但是在地面观测没有覆盖的地区，还是有很高的研究价值的。并且卫星观测能及时获得大范围的气溶胶特性的分布情况，这在科研中有很重要的影响。

目前开发出来反演陆地上空气溶胶的算法主要是针对特定地表状况下的反演，如对低地表反射率的暗像元（DDV）算法，因其条件的苛刻，在反演一般地表上空的气溶胶时不适用。而利用卫星数据反演气溶胶特性大都是先假设特定的气溶胶模式和大气模式，然后对特定情况下的大气散射情况和地表情况进行模拟，得到各个通道的反射率，辐射强度值等一系列参数，再将输出参数与输入的模拟参数构建查找表，最后根据卫星观测到的实际数据进行反向查询，从而得到气溶胶的特性。

在陆地上空进行气溶胶反演，卫星接收到的大气层顶的辐射包含地表的反射、大气分子及气溶胶的散射和大气—地表的相互作用，这三部分要相互区分，因为每一部分都是大量参数构成的函数。在实际反演中，地气的相互作用常常被忽略，因此，用来反演气溶胶特性的总辐射由地表的反射和大气分子及气溶胶的散射组成。由于陆地上空气溶胶的散射辐射相对于地表的反射辐射要小的多，这使得陆地上空气溶胶的提取变得十分困难。标量辐射对地表和气溶胶、大气分子都很敏感，因此利用标量辐射反演的方法并不能区分这两种辐射，不能从总辐射中提取处大气分子及气溶胶的贡献，标量辐射反演出来的结果其实是地表和大气共同作用的。在气溶胶的反演中，精确的估计陆地表面和气溶胶的反射率非常重要，并且这在强度测量中也是一项具有挑战性的任务。但是，偏振测量能很好地解决这个问题。较低的相对贡献，对光谱依赖性较小，空间对比度较小，是使用偏振测量来估计地表贡献的三个明显的优点^[8]。此外，许多实验性和理论性的研究表明，相对于地表面，偏振测量对气溶胶的特性更为敏感^[9-10]。

自从1996年法国空间局研制的POLDER传感器搭载卫星发射成功，利用偏振遥感来观测气溶胶的特性就发展起来了，并逐渐被越来越多的人所关注和重视。邵培基于POLDER卫星资料反演了北京市上空气溶胶光学厚度，并生成了区域分布图，通过与法国空间局提供的气溶胶产品中的气溶胶光学厚度和地基观测结果对比，发现反演得到的结果相当准确。张海波^[11]利用POLDER数据反演了叶绿素a的浓度,利用POLDER自带的海色算法，将反演的结果与POLDER自带的海色产品作比较，结果证实了该方法的可行性。孙夏等^[12-13]根据RT3（倍加累加法矢量辐射传输方程）构建查找表，反演陆地上空气溶胶光学厚度和地表反照率，并用CNES提供的POLDER产品对反演结果做验证，结果表明该方法能够得到较为合理的反演结果。段民征等^[14-15]基于RT3建立了半参数化数值表，联合利用670nm和865nm通道反演气溶胶光学厚度和地表反照率，再利用标量辐射对偏振反演结果做进一步的筛选和订正，反演值与真实值的相关系数达到0.99。

1.2 问题的提出

随着近几十年来中国经济的迅猛发展，中国的大气污染状况令人日益担忧。气溶胶不仅是研究全球气候变化和定量遥感的重要参数，在大气污染状况中也起着重要的因素。因此，大气污染监测与治理已刻不容缓．研究气溶胶的物理特性，尤其是光学特性及其他一些物理量便对科学研究进展以及人们的生产生活具有重要的意义。

虽然地基遥感能够准确的测量气溶胶的物理特性，但是测量范围比较小，同时由于气溶胶的时空变化性大的特点使得地基遥感对大范围区域的气溶胶特性的监测略显不足，观测数据缺乏代表性。而卫星监测范围大，可以实现近乎包含极地的全球观测，及时性较好，得到的气溶胶有关参数能够很好地弥补地基观测没有覆盖区域的数据不足。

近年来气溶胶的研究主要是采用MODIS传感器为主的多光谱信息,而POLDER传感器凭借其偏振、多角度观测等优势，反演陆地气溶胶精度更高。同时，利用POLDER，MODIS等不同传感器对同一地区的气溶胶特性进行反演，并将反演的结果相互对比。结合二者各自的优势，对反演的算法进行探索改进以减小反演误差，并与地基观测提供的相对应测量值作对比^[18-20]，不断提高反演的精度。

2.气溶胶光学厚度反演的理论与方法

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