衛(wèi)星偏振遙感的云光學(xué)特性分析及主要參數(shù)反演研究.pdf

1、云對氣候變化有重要影響，但目前對云影響氣候的機(jī)制的認(rèn)識還很不足。云參數(shù)的準(zhǔn)確反演能為大氣環(huán)流模式(General Circulation Models，GCM)提供可靠的輸入?yún)?shù)，有助于準(zhǔn)確了解云在氣候變化中的作用。中國已經(jīng)成功發(fā)射的高分5號衛(wèi)星(GF-5)搭載有大氣氣溶膠多角度偏振成像儀(Directional Polarization Camera，DPC)。DPC可以對云進(jìn)行多角度觀測，同時獲取云的強(qiáng)度輻射和偏振輻射，為云參數(shù)反演

2、提供更多有效信息，提高云參數(shù)反演能力。論文基于DPC載荷自身特點(diǎn)，開展云光學(xué)厚度、云頂高度反演研究。主要完成以下幾方面工作:
　　(1)利用670nm和865nm波段反演云光學(xué)厚度
　　利用矢量輻射傳輸模式RT3，模擬分析有云（冰云和水云）大氣頂670nm和865nm波段的反射率和偏振反射對云光學(xué)厚度變化的敏感性。結(jié)果表明，可以采用此兩個波段反射率反演云光學(xué)厚度。模擬分析地表反射率、氣溶膠光學(xué)厚度、云散射模型及有效粒子半徑對

3、云光學(xué)厚度反演結(jié)果的影響，其中冰云散射模型分別采用GHM(General Habit Mixture)、SC（Solid Columns）、ASC(Aggregates of Solid Columns)三種模型，水云散射模型假設(shè)為水滴模型。結(jié)果顯示:地表反射率對云光學(xué)厚度反演結(jié)果影響較大;氣溶膠模式對云光學(xué)厚度反演結(jié)果影響很小;氣溶膠光學(xué)厚度對薄云光學(xué)厚度反演結(jié)果影響較大，對厚云影響較小;云散射模型及有效粒子半徑的變化均會影響云光學(xué)厚

4、度的反演結(jié)果。
　　構(gòu)建了云光學(xué)厚度查找表，并設(shè)計(jì)基于查找表的云光學(xué)厚度反演算法，其中670nm波段用于反演陸地上的云光學(xué)厚度、865nm波段用于海洋上空的云光學(xué)厚度。利用法國POLDER3載荷數(shù)據(jù)，基于GHM、SC、ASC三種模型進(jìn)行冰云光學(xué)厚度反演試驗(yàn)，將反演結(jié)果與POLDER3產(chǎn)品進(jìn)行比較。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，ASC模型的反演結(jié)果與POLDER3產(chǎn)品有很好的一致性，而且ASC模型的反演結(jié)果基本不受有效粒子半徑變化的影響。建議采用A

5、SC模型作為DPC冰云的散射模型反演冰云光學(xué)厚度。對陸地上空和海洋上空的冰云及水云開展光學(xué)厚度反演試驗(yàn)，并將反演結(jié)果與POLDER3產(chǎn)品進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，陸地上空和海洋上空的冰云和水云的云光學(xué)厚度反演結(jié)果均與POLDER3產(chǎn)品有很好的一致性。
　　(2)利用490nm和865nm波段的偏振反射率差反演云頂高度
　　通過理論分析490nm和865nm波段大氣頂?shù)钠裉匦圆町?，說明可以利用此兩波段偏振反射率差反演云頂高度。

6、利用RT3模擬分析大氣頂490nm和865nm波段偏振反射率差對云有效粒子半徑、云光學(xué)厚度、云層上方氣溶膠光學(xué)厚度以及云頂壓強(qiáng)變化的敏感性。結(jié)果顯示，當(dāng)云光學(xué)厚度大于3時，水云在80°～120°散射角范圍內(nèi)，冰云（GHM模型）在80°～140°散射角范圍內(nèi)，偏振反射率差對云有效粒子半徑、云光學(xué)厚度和云層上方氣溶膠光學(xué)厚度的變化不敏感，對云頂壓強(qiáng)變化敏感。根據(jù)敏感性分析結(jié)果，提出基于偏振反射率差查找表的云頂高度反演算法，并選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)構(gòu)

7、建偏振反射率差查找表。利用POLDER3數(shù)據(jù)進(jìn)行云頂高度反演試驗(yàn)，將反演結(jié)果與POLDER3瑞利壓強(qiáng)產(chǎn)品和MODIS云頂壓強(qiáng)產(chǎn)品進(jìn)行對比。結(jié)果表明，與POLDER3的官方算法相比，使用本研究提出的偏振反射率差查找表法的云頂高度反演結(jié)果與MODIS產(chǎn)品有更好的一致性，且對冰云有更寬的散射角適用范圍，能獲取更多冰云云頂高度數(shù)據(jù)。
　　(3)利用763nm和765nm波段反演云頂高度
　　利用MODTRAN5模擬計(jì)算763nm和7

8、65nm波段的氧氣透過率比與壓強(qiáng)的關(guān)系，通過模擬數(shù)據(jù)給出擬合公式，并分析不同大氣模式對使用該式計(jì)算壓強(qiáng)的影響。結(jié)合RT3模擬分析，云層上方氣溶膠對使用該式反演表觀壓強(qiáng)的影響。結(jié)果顯示，云層反射率較小時，云層上方大氣分子和氣溶膠的散射使得表觀壓強(qiáng)反演結(jié)果有較大誤差。因此，建議在云光學(xué)厚度大于3時，采用763nm和765nm波段反射率反演表觀壓強(qiáng)。理論分析地表貢獻(xiàn)對表觀壓強(qiáng)反演結(jié)果的影響，給出獲取云頂壓強(qiáng)的校正方法。設(shè)計(jì)基于763nm和76

9、5nm波段反射率的云頂高度反演算法，利用POLDER3數(shù)據(jù)進(jìn)行反演試驗(yàn)，并將反演結(jié)果與基于偏振反射率差方法的反演結(jié)果和MODIS產(chǎn)品進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，相比基于偏振反射率差方法的云頂高度反演結(jié)果，基于763nm和765nm波段反射率方法的云頂高度反演結(jié)果與MODIS產(chǎn)品的一致性更好，能獲取更多區(qū)域的云頂高度產(chǎn)品，但反演精度較差。
　　通過論文的研究工作，可以為中國GF-5號衛(wèi)星DPC載荷的云光學(xué)厚度及云頂高度反演的反演方法、反