地基全天空成像系统云与气溶胶参数反演及其应用研究

【摘要】： 云是气象研究中的重要因子。云的参数化问题目前依然是气象模式研究的重点、难点。在全球与区域云特征以及云与气溶胶关系的研究中,卫星观测与地基观测均具有不可替代的重要作用。全天空可见光云天自动成像观测系统的成功开发与应用,提供了获取高时空分辨率全天空图像资料的手段。针对地基云、气溶胶全天空成像辐射遥感的潜在优越性,充分利用获得的云天成像辐射资料提供定量的云产品数据,当前需要研究并建立一套较好针对全天空图像的云识别模式算法。本论文利用全天空云图像资料结合模式运算,分析并建立了一个最优云识别以及一个有云情况下的气溶胶光学厚度反演算法,为地基云宏观及气溶胶观测提供新的手段和分析工具。论文中主要研究结果如下: 1.对所用全天空数字相机的各项性能进行了标定实验和分析。分别检测了相机的暗电流特征、均匀性特征、线性特征和鱼眼镜头余弦特征,并做了几何标定以及灰度反演辐亮度的反演算式建立工作。从分析结果看,全天空成像系统中数字相机暗电流较小,对白天获取的图像影响不大。相同光源条件下成像灰度值呈现出一定的起伏特征,除去受实验光源影响较大的蓝通道外,红、绿两通道的均匀性在动态范围8 Bit条件下其标准偏差3.0。通过控制相机快门速度、光圈大小以及光源强度变化的组合实验建立了一个由图像灰度反演相对辐亮度的算式,通过用相同时刻观测的全天空图像资料与CIMEL仪器观测结果对算式做了检验工作。结果表明相同时刻(或时间比较接近)的图像数据,经灰度反演算式运算后得到的辐亮度信息与同时刻观测的CIMEL绝对辐亮度值之间的比例值基本稳定,反演关系式较为理想和合理;在鱼眼镜头的余弦特征标定方面,分析得到鱼眼镜头随角度余弦变化的平均衰减系数。 2.利用一维伪球面辐射传输模式LIBRADTRAN对全天空图像云识别阈值法的工作进行了数值模拟和分析。工作中综合分析了有云(云光学厚度逐步变化)和无云条件下的天空辐射亮度和蓝红通道辐射比值分布情况。并且利用数值模拟分析了太阳位置即太阳高度角变化时对于阈值判断的影响以及气溶胶的存在对于云识别阈值法的影响。结果表明,太阳高度角以及气溶胶光学厚度对于云识别的研究工作影响较大。阈值法对于气溶胶光学厚度较低的大气条件其云识别精度较高。而较多的气溶胶则容易引起光学厚度较低的云以及近地平天空的误判。因此,单一阈值法进行云识别具有一定的局限性,云识别算法精度的提高还需要借助其他的手段。 3.利用SHDOM三维辐射传输模式,模拟分析了不同云况条件下的天空辐亮度以及辐射比的分布特征,特别是详细分析了“非云”视场的辐射特征相对无云天空时的变化情况,一方面为云检测算法提供判断经验,另一方面借以了解一维模式运算结果对有云大气的适用范围。有云天空辐亮度分布情况与大气气溶胶光学厚度、云量、云光学厚度,太阳入射方向等参数密切相关。分析结果表明,大气气溶胶光学厚度越大,相同云况条件下所引起的“非云”视场的变化越大;单个单体云情况下,云量越大,变化越大;而当云体遮挡太阳位置时所产生的影响亦较大。就云体对周围空间的影响范围而言,近云体周围的“非云”视场上的变化较远离云体的那些空间大;位于迎向太阳一侧的“非云”视场上辐亮度值明显增加,背向太阳一侧的辐亮度值则有所降低。总体而言,对于那些远离云体的“非云”视场中辐亮度的变化程度主要集中在±5%之间。从辐射比的结果分析来看,相同状况下辐射比的变化程度较辐亮度的变化程度轻。同样地,除靠近云体的那些“非云”视场外,辐射比的变化亦是主要集中在±5%之间。 4.以数值模式模拟分析结果为依据,综合运用FFT算法、对称法以及阈值法为全天空成像系统建立了一个云识别算法。该算法对云与“非云”的识别能力较强,能够对绝大多数的云象元进行准确的区分。在能见度好的大气条件下云的识别精度较高,误差较低。所建综合算法对于霾层较厚或是雾天情况下的云辨别能力明显增强。但该算法对部分天气条件下薄卷云的识别以及能见度低、气溶胶光学厚度较大时近地平天空的识别能力还有待改善。 5.通过数值模拟分析了气溶胶光学厚度(AOD)与全天空图像上不同视场辐射比之间的关系。结果表明,在两种典型气溶胶类型条件下辐射比值随AOD变化都较为敏感。分析发现散射辐射比值与AOD值之间存在着指数(对数)关系。由此建立了一个由辐射比反演AOD的反演算式。并将全天空图像的AOD反演结果与同时刻CIMEL的AOD值进行了比对。受气溶胶类型差异等原因影响反演得到的AOD值相比CIMEL的AOD值存在一定的偏差,但反演结果在一定程度上反映出了实际AOD变化趋势。分析结果亦表明,运用辐射比方法反演AOD具有一定的可行性,并且对于有云天空获取AOD提供了一种新的方法。