大气气溶胶光学厚度的卫星双通道遥感方法

提出了一种在晴空条件下,均匀下垫面上利用ＮＯＡＡ－１４极轨卫星甚高分辨率辐射计（ＡＶＨＲＲ）可见光和近红外两个通道观测的反射率资料,遥感整层大气气溶胶光学厚度的双通道方法,该方法把气溶胶散射的波长关系加以推广,把近红外通道的光学厚度均值引入了可见通道,使单个通道中地表反射率和大气因子参数化的误差得以抵消,从而极大地提高了反演精度（〉９０％）。     

用于空间对地遥感的一个参数化辐射传输计算模式

一个足够精度的参数化向上亮度模式对空间对地遥感的大气订正应用是很有意义的。依据向上天空亮度对大气散射相函数、光学厚度、太阳天顶角、空间方位和天顶角等有关参数的依赖特性,基于大量的天空亮度数值模拟计算资料,本文发展了一个关于向上天空亮度的参数化模式。39440组的数值模拟对比资料表明,在气溶胶光学厚度#Aτt≤1,太阳天顶角小于72°,μ≤0.432 （天顶角小于65°）以及无云的条件下,由现在的参数化的模式所计算的向上亮度的误差一般小于6%。地表反射率越大,参数化模式的精度越高。参数化模式的精度一般随着光学厚度和太阳天顶角的增大而变差。     

计算非均一大气条件下太阳辐射通量的一个简单而又精确的模式

发展了一个计算非均一大气条件下太阳辐射通量的一个简单而又精确的模式，其中包括关于大气球反射率与透过率的一个参数化表达式，并引入加权一次散射反照率和加权不对称因子，用于拟合非均一大气条件下计算辐射通量的四个经验订正因子。对清洁和浑浊的两类大气，都具有120060组的辐射通量模拟试验，以检验本模式的精度。这些模拟试验覆盖0－50的云光学厚度、0－0．8地表反射率、Junge和对数正态的气溶胶谱分布、－0．05气溶胶折射率虚部。在均一大气条件下，由本模式计算的120060组向上通量的标准差对清洁和浑浊两类大气分别为1．08％和1．04％；而向下通量的标准差分别为4.12%和3．31％。在非均一大气条件下，由本模式计算的向上通量的标准差对清洁和浑浊两类大气分别为3．01％和3．48％；而向下通量的标准差分别为4．54％和4．89％，其精度远优于均一假设下的计算结果。     

卫星遥感地面紫外辐射的参数化方法

提出了一个从卫星观测推算地面UVB辐射通量密度和红斑生物紫外辐射剂量的新的参数化方法。该方法基于一个简单的模式:大气辐射传输介质被简化成三个等效层:臭氧单独构成的吸收层，空气分子、云和气溶胶粒子组成的散射层，以及地面反射层。地面紫外辐射通量密度和生物紫外辐射剂量可以由臭氧层的等效透过率、散射层和地面的联合反射率计算。臭氧层的等效透过率可由大气臭氧总量计算。散射层和地面的联合反射率可由不存在臭氧吸收的紫外或可见光通道的反射辐射强度测量得到。该反演算法形式简单，只包含很少几个可从卫星测量获得的参数。它通过了一个可靠而相对复杂的基于DISORT的紫外辐射传输模式的检验。在广泛的计算条件下，包括晴天、云天、以及混浊大气，用这个简单算法计算的地面紫外辐射通量密度和红斑生物紫外辐射剂量与精确算法的结果相差无几。另外，还实际运用这个算法利用卫星观测资料反演地面紫外辐射通量密度，与地面实际观测资料做了比较，符合较好。     

利用多角度POLDER偏振资料实现陆地上空大气气溶胶光学厚度和地表反照率的同时反演Ⅰ.理论与模拟

陆地上空标量辐射对地表反射率和大气气溶胶散射都具有很强的敏感性, 而偏振反射只对大气气溶胶敏感, 对地表不敏感.根据这个原理并结合POLDER (POLarization and Directionality of Earth Reflectance) 资料的特点, 作者提出综合利用标量辐射和偏振反射信息来实现陆地上空大气气溶胶和地表反照率的同时反演.首先, 利用多角度偏振辐射观测提取大气气溶胶光学参数, 再利用标量辐射测量对偏振反演结果作进一步筛选和订正, 同时获得地表反射率.数值模拟试验结果证明, 仅利用偏振信息只能获取大气气溶胶信息, 而且其结果误差较大, 特别是对于散射作用较强的短波长通道如670 nm误差更大, 但经过标量辐射订正后的结果得到明显改善, 气溶胶光学厚度和地表反射率与真实值之间相关系数都达到0.99以上.为提高查找表的计算效率, 提出并建立了反演方案所需要的半参数化数值表, 利用内插方法寻求气溶胶光学厚度和地表反射率的数值解的反演方法.     

利用多角度POLDER偏振资料实现陆地上空大气气溶胶光学厚度和地表反照率的同时反演 I. 理论与模拟

陆地上空标量辐射对地表反射率和大气气溶胶散射都具有很强的敏感性,而偏振反射只对大气气溶胶敏感,对地表不敏感。根据这个原理并结合POLDER(POLarization and Directionality of Earth Reflectance)资料的特点,作者提出综合利用标量辐射和偏振反射信息来实现陆地上空大气气溶胶和地表反照率的同时反演。首先,利用多角度偏振辐射观测提取大气气溶胶光学参数,再利用标量辐射测量对偏振反演结果作进一步筛选和订正,同时获得地表反射率。数值模拟试验结果证明,仅利用偏振信息只能获取大气气溶胶信息,而且其结果误差较大,特别是对于散射作用较强的短波长通道如670 nm误差更大,但经过标量辐射订正后的结果得到明显改善,气溶胶光学厚度和地表反射率与真实值之间相关系数都达到0.99以上。为提高查找表的计算效率,提出并建立了反演方案所需要的半参数化数值表,利用内插方法寻求气溶胶光学厚度和地表反射率的数值解的反演方法。     

GMS5卫星遥感气溶胶光学厚度的试验研究

通过模拟 GMS5卫星可见光通道的表观反射率 R对不同大气气溶胶模型、不同下垫面反射率以及不同气溶胶光学厚度的敏感性 ,对利用 GMS5卫星资料反演湖面上空气溶胶的可行性进行了分析 ,并结合地面多波段太阳光度计观测数据 ,反演了巢湖上空大气气溶胶光学厚度。结果表明 ,反演所得 0 .5336μm气溶胶光学厚度强烈依赖于湖面反射率的选取 ,通过选取合适的湖面反射率 ,卫星反演的气溶胶光学厚度和地面光度计遥感的月均值相对误差不超过 30 %。     

云的垂直非均一性对卫星3.7 μm通道反射率的影响

卫星3.7 μm通道被广泛用于反演云粒子有效半径.为了解云的垂直非均一性对该通道反射率的影响,作者基于SBDART辐射传输模式,分别计算了有效粒子半径垂直连续变化分布下和垂直分层均一分布下的3.7 μm反射率.结果表明对于有效粒子半径垂直连续变化分布的云,当云比较薄(光学厚度小于10)时,如果把有效粒子半径垂直非均一的云当作垂直均一的云进行反演,会出现一定的误差,该误差随着光学厚度的增大而减小.当云足够厚(光学厚度大于10)时,该误差小于10％,可以认为此处云粒子垂直结构的变化对3.7 μm通道反射率没有影响.对于有效粒子半径垂直分层均一分布的云,当光学厚度比较大时,只有靠近云顶的“浅层”(即有效辐射层,其光学厚度约为3～10)的云参数变化才能对3.7 μm反射率产生影响.有效辐射层的光学厚度与云上层有效粒子半径、太阳天顶角和卫星天顶角等因素呈反相关,与相对方位角无无明显的联系.     

卫星对地遥感应用中的邻近效应研究

利用Monte-Carlo地气耦合辐射传输模式比较系统地进行了卫星视反射率对地表、大气和卫星参数的敏感性数值试验,重点研究了邻近效应对地表反射水平非均一分布的敏感性、邻近效应有效地表范围以及邻近效应与卫星高度的关系三个方面的问题.在定量分析的基础上,揭示了影响邻近效应的主要因子及其影响机制,给出了一些重要结论,包括:地表非均一引起的邻近效应的影响是非常重要的,特别是当目标反射率小于环境反射率时;气溶胶光学厚度越大,散射相函数对称性越强,卫星视反射率对环境反射率越敏趑感,邻近效应越明显;邻近效应的有效地表范围可达到几十公里,同样光学厚度条件下,与气溶胶相比,分子的有效地表范围更大,邻近效应也更强;卫星观测同一目标物时,邻近效应随着探测器高度增高而变大等.     

沙尘气溶胶对西北地区植被遥感的影响分析

选取扬沙—浮尘天气发生中、后的对地观测卫星EOS-MODIS数据,利用6S辐射传输模式对该卫星资料进行大气订正,分析了沙尘气溶胶对沙尘多发区的西北地区植被指数(VI)遥感的影响。结果表明,与晴空天气得到的反射率相比,沙尘使红光通道反射率ρ1、近红外通道反射率ρ2和蓝光通道反射率ρ3均增加,归一化植被指数NDVI有不同程度的降低,降低最大值为0.246。抗大气植被指数ARVI也有所降低,降低最大值为0.231。应用晴空天气条件下的资料,建立了西北干旱区ARVI与NDVI之间的线性关系,并证明了在沙尘天气条件下,利用ARVI计算NDVI的方法,所得的结果较好。     

A method for spaceborne synthetic remote sensing of atmospheric aerosol optical depth and vegetation reflectance

ＡＭｅｔｈｏｄｆｏｒＳｐａｃｅｂｏｒｎｅＳｙｎｔｈｅｔｉｃＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＡｅｒｏｓｏｌＯｐｔｉｃａｌＤｅｐｔｈａｎｄＶｅｇｅｔａｔｉｏｎＲｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ①ＱｉｕＪｉｎｈｕａｎ（邱金桓）Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ...     

沙尘气溶胶卫星遥感现状与需要关注的若干问题

沙尘暴是全球干旱、半干旱地区特有的一种灾害性天气,所产生的沙尘气溶胶是全球气溶胶系统重要组成部分,对全球环境、天气、气候和生态有复杂的影响。沙尘气溶胶作为一种吸收性气溶胶,对太阳辐射有着较强的吸收,还能通过加热大气、改变大气稳定度、蒸发云滴、减少云量等"半直接方式"影响气候。卫星遥感对沙尘气溶胶的监测具有独特的优势,是全球沙尘研究的重要手段。本文系统整理和介绍了目前常用的可见近红外、热红外、被动微波、紫外和主动激光测量等五类卫星遥感沙尘气溶胶的主要方法,在总结典型遥感仪器和主要产品基础上,讨论了遥感产品的定量精度和地面验证问题,结合辐射传输理论模拟了可见近红外和热红外的卫星观测,探讨了可见近红外遥感的地表反照率影响和热红外高光谱遥感的波段选择问题,最后对未来的一些研究重点进行了展望。     

Influences of Physical Processes and Parameters on Simulations of TOA Radiance at UV Wavelengths: Implications for Satellite UV Instrument Validation

Numerous factors can influence the radiative transfer simulation of hyper-spectral ultraviolet satellite observation,including the radiative transfer scheme, gaseous absorption coefficients, Rayleigh scattering scheme, surface reflectance, aerosol scattering, band center wavelength shifts of sensor, and accuracy of input profiles. In this study, a Unified Linearized Vector Radiative Transfer Model(UNL-VRTM) is used to understand the influences of various factors on the top of atmosphere(TOA) normalized radiance in the ultraviolet(UV) region. A benchmark test for Rayleigh scattering is first performed to verify the UNL-VRTM accuracy, showing that the model performances agree well with earlier peer-reviewed results. Sensitivity experiments show that a scalar radiative transfer approximation considering only ozone and a constant surface reflectance within the UV region may cause significant errors to the TOA normalized radiance. A comparison of the Ozone Mapping and Profiler Suite(OMPS) radiances between simulations and observations shows that the surface reflectance strongly influences the accuracy for the wavelengths larger than 340 nm. Thus, using the surface reflectivity at 331 nm as a proxy for simulating the whole OMPS hyperspectral ultraviolet radiances is problematic. The impact of rotational Raman scattering on TOA radiance can be simulated through using SCIATRAN, which can also reduce the difference between measurements and simulations to some extent. Overall, the differences between OMPS simulations and observations can be less than 3% for the entire wavelengths. The bias is nearly constant across the cross-track direction.     

An algorithm for remote sensing of water color from space

The ocean color algorithm proposed in this paper takes into account the effects of Rayleigh and aerosol scattering. The inherent reflectance and the diffuse transmittance of the Rayleigh atmosphere are expressed as functions of optical thickness and satellite measurement geometry with the aid of simple and accurate formulas. In the case of a turbid atmosphere, from which the aerosol optical thickness is unknown, the aerosol contribution is estimated with the aid of a measurement in a channel where the ocean is a blackbody (in the red or near infrared). If the relationship between the ocean color and the chlorophyll-like pigment concentration is assumed to be known at sea level, it is shown that the chlorophyll-like pigment concentration at an open ocean site can be determined from space to within a factor of 1.5 to 3 (uncertainty equal to 0.2 to 0.5 log interval), depending on the atmospheric turbidity.     

A simple yet more accurate model to calculate solar radiative flux in the inhomogeneous atmosphere

A simple yet more accurate semiempirical model is developed to calculate solar radiative flux in the optically inhomogeneous atmosphere. In the model a parameterized expression of spherical reflectance and transmitance of the atmosphere is confirmed, and the weighted single scatter albedo and weighted asymmetric factor are introduced to fit four empirical correction factors responsible for radiative fluxes in the inhomogeneous atmosphere. For both clean and turbid models, there are 120060 sets of radiative flux simulations for accuracy checks of the model, which cover 0-50 cloud optical depths, 0-0.8 surface reflectance, Junge and Log-normal aerosol size distributions, and 0-0.05 imaginary parts of aerosol refractive indexes. In case of the homogeneous atmosphere, standard errors of the 120060 upward fluxes from the present model are 1.08% and 1.04% for clean and turbid aerosol models, respectively; and those of the downward fluxes are 4.12% and 3.31%. In case of the inhomogeneous atmosphere, standard errors of the upw ard fluxes from the present model are 3.01% and 3.48% for clean and turbid aerosol models.respectively; and those of the downward fluxes are 4.54% and 4.89%, showing a much better accuracy than the results calculated by using an assumption of the homogeneous atmosphere.     

940 nm水汽通道反射率计算试验

利用近红外波段大气与辐射的相互作用解决用红外波段不容易遥测低层水汽的问题。选用940 nm水汽弱吸收带进行通道反射率计算试验，分析其对不同环境参数的敏感性。结果表明，940 nm附近通道的辐射信号携带了整层大气水汽信息，有可能用来获取大气水汽总量。     

卫星对地观测中大气与地表辐射贡献的参数化

卫星对地观测定量遥感地表与大气特性是当前地球科学与应用研究的关键手段之一。在定量遥感中区分大气和地表在地-气系统对空间散射辐射中各自的贡献与作用是关键的一步。这一问题的核心是基于辐射传输方程的数值计算建立起适合应用于遥感反演中分离大气与地表贡献的参数化表达式。本文对特定的气溶胶气候类型和可见/近红外波段建立起定量的表达形式,并对表达式的物理含义和拟合精度进行了分析。最后讨论了其应用的可行性和进一步的工作。