基于卫星紫外光谱信息的吸收性气溶胶定量遥感反演

【摘要】：吸收性气溶胶成份复杂多变,是目前气候模拟和预测中一个极不确定因素,也是水色遥感中大气校正的一个难点。经过了前人几十年的研究,对吸收性气溶胶的遥感研究已经从定性、半定量发展到定量水平;不过目前常见的是用激光雷达等主动遥感手段来实现其定量反演,而利用被动卫星遥感手段定量反演吸收性气溶胶是一大挑战。尽管如此,应用卫星遥感技术大范围地反演吸收性气溶胶能够带来诸多好处,例如降低预测全球气候变化的不确定性、更加准确地对污染气体进行监测,以及提高水色卫星遥感中的大气校正精度。由于某些类型吸收性气溶胶在可见光波段与散射性气溶胶的光学特性相近,而在紫外波长呈现出明显的差别,因此利用卫星紫外光谱信息在大范围观测和估算吸收性气溶胶方面表现出巨大的应用潜力。本论文以定量遥感反演海洋上空的吸收性气溶胶为目的,在海洋-大气辐射传输机理和吸收性气溶胶光学特性分析的基础上,构建了4种吸收性气溶胶的光学特性查找表,开发了定量反演吸收性气溶胶的紫外算法,并将该算法应用于沙尘和火山喷发的监测。主要研究成果如下:(1)对已有的海洋-大气耦合辐射传输模式OSOAA进行合理修订,使得其瑞利计算精度优于0.5%,气溶胶的计算精度优于10%,漫射透过率的计算精度优于5%;(2)依据OPAC气溶胶基础数据集,利用修订的海洋-大气耦合辐射传输模式,建立了4种吸收性气溶胶光学参数查找表,并计算生成了4种吸收性气溶胶条件时不同方位时的漫射透过率查找表;(3)建立了基于卫星紫外光谱信息的定量反演吸收性气溶胶的反演算法(UVAA算法),与标准算法NSAC相比,本研究的UVAA算法在反演气溶胶光学厚度时表现出更高的精确度。以地面实测数据AERONET-OC为参考,UVAA算法反演412、443、490、532、551和667 nm气溶胶光学厚度时,拟合系数分别达到了0.872、0.865、0.897、0.930、0.919和0.946,高于NSAC算法的0.586、0.611、0.685、0.753、0.769和0.927;均方根误差RMSE分别是0.034、0.032、0.024、0.018、0.017和0.010,低于NSAC算法的0.056、0.050、0.040、0.032、0.030和0.015;(4)利用UVAA算法也可以得到更为合理的气溶胶Angstrom指数和遥感反射率产品。由于UVAA算法考虑了吸收性的气溶胶类型,可以计算得到吸收性气溶胶的Angstrom指数,同时克服了NSAC算法在短波和紫外波段对气溶胶散射“过度校正”而得到小于0的遥感反射率问题,使得蓝紫光和紫外波段的遥感反射率产品更为合理;(5)本研究中,UVAA算法原本是针对HICO影像提出的,用到的特征波段是393 nm和510 nm。此外,更多结果表明将UVAA算法应用于OLCI影像也有较好的结果,因此该算法表现出适用于紫外水色遥感器数据的应用潜力。