动态气溶胶模型的PARASOL多角度偏振卫星气溶胶光学厚度反演算法

在卫星气溶胶反演中,如何确定研究区域的气溶胶模型直接影响目前大多数卫星遥感算法的气溶胶光学厚度反演精度。本文基于气溶胶自动观测网(AERONET)典型类型的动态气溶胶模型,提出了一种基于动态气溶胶模型的气溶胶光学厚度反演算法,并将其运用到PARASOL(Polarization and Anisotropy of Reflectance for Atmospheric Science coupled with Observations from Lidar)卫星的反演中。针对华北地区2012年的PARASOL卫星观测数据,应用动态气溶胶模型反演算法反演气溶胶光学厚度,并与地面观测站点进行对比验证,结果显示通过气溶胶模型选取与反演结果的迭代约束,在865 nm反演的气溶胶光学厚度与地基观测的相关程度(R2)达到0.71,均方根误差(RMSE)为0.15,与PARASOL气溶胶产品相比一定程度提高了反演结果的精度。     

利用深蓝算法从HJ-1数据反演陆地气溶胶

大气气溶胶是环境空气污染监测的重要指标,在利用环境一号卫星CCD相机进行气溶胶监测时,暗目标法和结构函数法都有相应的不足。本文从Hsu等人(2004)提出的深蓝算法出发,以MODIS的地表反射率产品为基础建立反射率库,并利用地面观测数据分析了各种典型地物在CCD相机与MODIS蓝波段反射率之间关系,提出了将MODIS地表反射率修正到CCD相机的方法,进而实现地气解耦,反演气溶胶光学厚度。选择北京地区为实验区,进行了算法实验,并用AERONET/PHOTONS北京站的数据进行了验证,结果表明,(1)光学厚度较大时(>0.5),深蓝算法精度能够较好的满足环境一号卫星CCD相机对气溶胶日常监测的要求;(2)气溶胶模式会对结果产生较大的影响,尤其是城市型气溶胶。     

北京地区Landsat 8 OLI高空间分辨率气溶胶光学厚度反演

卫星气溶胶光学厚度(AOD)反演中,传统暗目标方法在反射率较低的水体、浓密植被覆盖区域取得了较好效果,在反射率较高且结构复杂的高反射地表上空目前多采用深蓝算法,但存在空间分辨率较低,对细节分布描述性较差等问题。为解决这一问题,本文首先以5年(2008年—2012年)长时间序列MODIS地表反射率产品为基础,采用最小值合成法建立500 m分辨率逐月地表反射率产品数据集,然后利用地物波谱库中典型地物波谱数据,分析建立MODIS与Landsat 8 OLI传感器蓝光波段反射率转换模型,最后北京地区AERONET地基观测数据确定了气溶胶光学物理参数,并反演获取了北京地区上空500 m分辨率的AOD分布。为验证反演算法的精度,分别将反演结果同AERONET及MODIS/Terra气溶胶产品(MOD04)进行交叉对比,同时利用相关系数R,均方根误差RMSE,平均绝对误差MAE以及MODIS AOD产品预期误差EE共4个指标进行衡量。结果表明:算法反演获取的AOD与AERONET观测值具有较高的一致性,各指标分别为R=0.963,RMSE=0.156,MAE=0.097,EE=85.3%,稍优于MOD04产品(R=0.962,RMSE=0.158,MAE=0.101,EE=75.8%),并且有效的对比点数也高于MOD04。通过与地基观测相比,卫星遥感获取的高分辨率城市地区AOD精度可作为定量评估城市空气质量的有效依据。     

基于地基偏振观测研究北京城区北部大气气溶胶特性变化

利用位于北京城区北部AERONET网北京站点2005-2006年地基观测数据,对比分析了AERONET观测网使用的气溶胶参数反演算法与加入偏振信息后的气溶胶参数反演算法精度.结果表明,加入865nm偏振信息后的气溶胶参数反演具有更高的精度.在此基础上,基于两种算法反演获得的北京站点2005年和2006年气溶胶光学参数和物理参数,对奥运工地建设区气溶胶特性的变化情况进行了详细的分析.结果表明:(1)2006年的光学厚度有所增大,气溶胶的粒径也同时有所增大;(2)2006年的气溶胶单次散射反照率基本比2005年低0.05左右,位于0.85左右的水平,而且夏季更低,达0.80附近,说明2006年气溶胶具有更强的吸收特性;(3)偏振相函数值与Angstrom指数值变化是一致的;(4)两年的气溶胶粒子谱形态均表现出北京北部城区气溶胶双峰型分布特点,但2006年双峰的粒子半径均比2005年的偏大一些.     

中国地区气溶胶类型特性分析

利用全球气溶胶观测网（AERONET）2001年—2012年中国地区12个站点的地基遥感气溶胶物理光学特性产品研究了中国地区气溶胶类型特性及其时空变化规律。研究发现中国地区不同类别的气溶胶光学特性（单次散射反照率、不对称因子、光学厚度等）差异较大,由沙尘型、混合型、强散射型细粒子、弱吸收型细粒子、中度吸收型细粒子和强吸收型细粒子等6类组成。中国地区气溶胶类型具有极强的空间变化特性和明显的季节、年际变化特征,沙尘气溶胶主要出现在春季,强散射型细粒子气溶胶主要出现在夏季,而强吸收型细粒子气溶胶主要出现在秋冬季节;近10年间沙尘型、混合型和强散射型细粒子气溶胶呈现上升趋势,而强吸收型细粒子气溶胶则处于下降趋势。在此基础上对比了中国和美国、法国典型站点气溶胶类型,研究发现3个站点的气溶胶差异较大,中国强吸收细粒子类所占的比重高于后两者,同时强散射细粒子类所占的比重低于后两者。     

暗目标法的Himawari-8静止卫星数据气溶胶反演

Himawari-8(H8)是由日本气象厅发射的新一代静止气象卫星,可实现10 min/次的高频次对地观测,搭载的AHI(Advanced Himawari Imager)传感器设置有与MODIS暗目标气溶胶反演算法所需的类似波段。本文参考暗目标算法构建了针对该卫星传感器的陆地气溶胶反演算法:首先,通过基于地基站点观测数据的精确大气校正,统计得到短波红外与可见光波段的地表反射率比值关系,将此作为先验知识用于地—气解耦时的反射率估计;然后,初步假设大陆型气溶胶类型,利用辐射传输模型建立查找表;最后,通过模拟与卫星观测的表观反射率误差最小实现气溶胶光学厚度反演解算。选取2016年5月覆盖京津冀地区的观测数据进行测试,将反演结果与对应时间的MODIS气溶胶光学厚度产品进行对比验证,空间分布趋势一致、相关性较高,相关系数R达到0.852;通过与地基观测网AERONET站点实测数据对比验证,所有站点的相关系数R~2均大于0.88,精度较高。利用反演的高时间分辨率产品,分析了京津冀地区的大气空间分布和日变化情况,结果表明:采用暗目标法对H8静止卫星陆地气溶胶光学厚度反演具有一定的潜力和可行性,能反映气溶胶的高时间变化信息,有望成为大气环境污染变化监测新的重要手段。     

沈阳地区MODIS与MERSI气溶胶产品对比研究

在中国东北地区,卫星气溶胶产品尚缺乏有效的验证机制,相关应用存在较大不确定性。利用2009–2011年中国地区太阳分光光度计观测网(CSHNET)沈阳站地基观测资料,借助后向轨迹模式分析了该地区气溶胶来源和季节变化特征,并同步对比了FY-3A/MERSI和Terra/MODIS气溶胶产品精度的季节差异及误差来源。结果表明:沈阳站气溶胶光学厚度和Angstrom波长指数季节变化明显,气溶胶受远程输送和区域排放的共同影响,人为源和自然源丰富。不同粒径粒子对气溶胶光学厚度的贡献因季节而异,导致卫星反演算法中气溶胶模型选择误差较大,影响了卫星反演精度。观测期间MODIS与MERSI气溶胶产品与地基观测数据的总匹配率分别为68%和83%。当气溶胶光学厚度较低时(AOD0.35),MODIS产品出现低估,MERSI出现高估,与实测值的相对误差分别为–46%—54%、7%—135%;当气溶胶光学厚度较高时(0.35—0.75),MODIS和MERSI均出现不同程度的低估,两者与实测值的相对误差分别为–34%—54%、–21%—75%;当气溶胶光学厚度大于0.75时,低估尤为严重,与实测值的相对误差可达–34%—100%、–9%—58%。能与地基观测匹配的MODIS和MERSI有效样本数春、秋季较高(春季分别为69%、80%,秋季分别为73%、70%),夏季次之(69%、73%),冬季最少(2%、49%);MODIS与地基观测的相关性总体优于MERSI;但在冬季,MODIS与MERSI产品均不具备代表性。MODIS与MERSI气溶胶产品落入误差线的比例均为春季最高(22%、25%),秋季次之(19%、16%),夏季最小(6%、5%)。MERSI对粗模态气溶胶(α≤0.5)反演效果优于MODIS,而MODIS对混合模态气溶胶(0.5≤α1.5)反演效果优于MERSI。MERSI与MODIS气溶胶产品在春、秋季可比性较好,夏季可比性较差,总体来说,春、秋季MERSI比MODIS低估更为严重。从气溶胶产品在辽宁省的区域分布来看,FY-3A/MERSI比Terra/MODIS覆盖范围略广,各季节FY-3A/MERSI与Terra/MODIS的总体空间分布特征基本一致,但对于某些地区,两者数值上依然存在较大偏差。     

基于Himawari-8卫星的气溶胶光学厚度反演

葵花8号（H8）卫星是先进的静止卫星,能够实现分钟级的对地观测,对监测气溶胶变化情况具有巨大的研究意义。本文利用H8资料,参考暗目标法,构建了适用于H8的气溶胶光学厚度（AOD）反演算法,并以北京区域为实验区,选择雾霾污染等级为重度污染的2020年5月1日开展反演实验,反演结果分别与全球气溶胶地基观测网3个站点观测结果、中分辨率成像光谱仪官方气溶胶数据产品（MODIS AOD）进行对比验证。结果表明：利用暗目标法反演H8卫星AOD具备一定的可行性,能为气溶胶的日变化情况分析提供数据支撑。     

京津冀地区污染过程的气溶胶遥感反演

针对地面监测站覆盖范围有限且成本高的不足,该文采用遥感卫星与地面站点数据相结合的方式,利用简化的气溶胶反演算法反演京津冀地区2013年秋、冬季节两次污染过程的气溶胶光学厚度,分辨率为500m。以气溶胶自动观测网在北京站点的监测数据作为简化的气溶胶反演算法的输入参数,分析气溶胶光学厚度与气溶胶自动观测网对应地面站点的相关性;将所反演气溶胶光学厚度与京津冀地区空气质量监测站点的细颗粒物浓度24h均值进行相关性分析,发现除近海城市外,相关性均较高。结果表明,简化的气溶胶反演算法适用于区域污染过程中的气溶胶光学厚度反演,反演精度高,对空气质量具有较好的监测能力。     

中国东部气溶胶光学厚度季节变化的数值模拟

气候模式对气溶胶光学厚度AOD的合理模拟,是模拟研究气溶胶气候效应的前提。利用在线耦合的区域气候—大气化学—气溶胶耦合模式系统RIEMS-Chem,模拟研究了2010年中国东部地区AOD的季节变化情况。模拟结果与卫星搭载的中分辨率成像光谱仪(MODIS)的反演资料和地基气溶胶观测网(AERONET)的站点观测资料分别进行了一年四季的详细对比,检验结果显示尽管模拟值有所低估,模式仍然能够合理地反映AOD的季节变化情况和空间分布特征,与AERONET站点观测值相比,整体相关系数为0.6。MODIS反演和相应模拟结果均显示,中国东部地区AOD整体水平夏季最大,春季次之,秋、冬季最小,华北平原、四川盆地和华中地区是AOD的主要大值区。只考虑日间AOD时,其季节分布特征略有不同,在华北平原地区,日间AOD夏季最大(1.1—1.5),在长江中下游流域地区,日间AOD则在春季最大(1.1—1.7);在中国东部,日间AOD的大值在夏、冬两季分别主要分布在长江以北、以南地区,而在春、秋两季则主要位于长江中下游流域。     

利用POLDER数据验证MODIS BRDF模型参数产品及Ross-Li模型

将MODIS BRDF模型参数产品(MCD43A1)模拟的近红外波段反射率与从POLDER-3/PARASOL BRDF全球数据集中筛选的9961个像元的BRDF观测数据进行对比,验证了MCD43A1所采用的RossThick-LiSparseR BRDF 模型(Ross-Li模型)拟合二向反射的能力。结果表明,Ross-Li模型总体上可以有效地模拟地物的二向反射,所有像元的近红外波段反射率模拟值与POLDER-3观测数据之间的R²达到0.943,RMSE为0.016,模拟反射率比POLDER-3数据总体偏低5.2%。但Ross-Li模型明显低估了热点反射率,热点模拟结果比POLDER-3数据平均偏低14%,模拟值的R2为0.824,RMSE为0.07。热点反射率模拟误差与地表覆盖类型有关,针叶林热点反射率模拟值偏低最严重,其次是阔叶林、草地与农田,灌木与裸地热点反射率模拟值偏低相对较小。通过修正Ross-Li模型中的体散射核,可以明显改善热点反射率的模拟效果(R²＝0.839,RMSE＝0.043)。Ross-Li模型对天底、暗点等特征方向反射率的模拟较为准确。Ross-Li模型的模拟精度随太阳天顶角和观测天顶角的增大而降低。对于农田与草地而言,Ross-Li模型的模拟精度随NDVI的增加而降低;但在森林与灌木覆盖条件下,当NDVI约为0.5时,Ross-Li模型的模拟效果最差。     

江西千烟洲气溶胶光学厚度的反演与分析

2005年10-11月份，中国科学院遥感应用研究所联合北京师范大学遥感中心等几家单位在江西千烟洲地区进行了为期30天的遥感实验，在实验期间，采用法国CIMEL公司研制的太阳分光光度计CE318进行了连续测量，得到了大量的大气光学数据。利用这些数据，反演了气溶胶光学厚度和相应的Angstrom参数，分析了光学厚度和Angstrom参数的日变化和逐日变化，并讨论了这些变化的原因。本文还讨论了在反演气溶胶光学厚度过程中可能的误差源。     

基于偏差原则和正则化方法反演晴空地表BRDF和反照率

提出一种反演晴空地表反照率快速稳健的新算法——混合算法。该方法首先利用双参数模型函数确定正则参数的初始值,然后由基于Morozov偏差原则的高阶收敛算法确定正则参数,继而通过Tikhonov正则化手段来反演BRDF模型。从POLDER-3/PARASOL BRDF数据库中任意挑选不同覆盖的地表像元测量数据,与MODIS全反演法结果作比较,对比较结果给予了讨论;最后选择天津市地区的卫星图像进行反演实验,并就反演结果给出了误差分析和算法模型的评价。     

MODIS气溶胶C004、C005产品的对比分析及其在中国北方地区的适用性评价

详细介绍了MODIS气溶胶C005产品算法的改进情况。选择北京、榆林为试验区, 利用AERONET地基观测的气溶胶光学厚度数据, 对比分析了上午星TERRA、下午星AQUA的MODIS气溶胶C004、C005新旧产品的精度, 评价了它们在中国北方地区的适用性。采用波长插值、时空匹配将地基数据和MODIS 气溶胶产品匹配在一起, 然后采用线性拟合的方法进行对比分析。文中就MODIS气溶胶产品和地基数据的时空匹配, 摒弃了NASA关于MODIS气溶胶产品在全球所采用的方法, 引入当地月平均风速, 提出了中国北方地区时空匹配尺度。对比分析以及评价结果表明: (1) C005产品算法的改进并没有提高北京站点气溶胶光学厚度的精度, 在AOT<0.8时反而是下降的; C004、C005产品在北京站点不具有显著适用性, 但C004比C005产品效果好。(2) 榆林站点, TERRA-MODIS C004产品能够达到需求标准, 而AQUA-MODIS C004精度有所下降; 两星的C005产品精度较C004有很大程度的改善, 470、550、660nm 3个波段的气溶胶光学厚度与AERONET地基观测数据的相关系数均高于0.9, 具有显著适用性。这说明了新算法所采用的确定地表反射率的方法在植被覆盖好的地区是可行的, 在高反射地区效果不好。     

正则化滤波在反演地表光谱反照率中的应用

利用有限的卫星观测数据,通过反演地物二向性反射分布函数(BRDF)模型提取复杂地表的真实信息,是一个不适定的地球科学反演问题。为了克服离散不适定性带来的困难,在分析引起模型解不稳定的原因和数据误差传递机制的基础上,使用构建滤波函数的方法实现BRDF模型的正则化约束反演。实验结果表明,正则化滤波算法与MODIS AMBRALS算法精度相当,完全适用于具有充足观测和稀疏观测情况下的地物参数反演。     

利用暗目标法从高分一号卫星16 m相机数据反演气溶胶光学厚度

针对高分一号卫星(GF-1)的16 m宽覆盖相机数据,探讨了暗目标法的应用。首先,利用地面观测的植被光谱数据,结合模拟计算,发现利用红蓝波段线性关系能更好地去除地表影响,而利用反演的气溶胶光学厚度AOD进行大气校正能很好地去除伪暗目标;然后,以天津地区和北京地区为试验区进行了反演试验。结果表明,利用本算法能较好地观测气溶胶分布,与地面观测结果均有较好的相关性(R0.8),但反演结果整体偏高,可能是云像元的影响。误差分析表明,整景图像采用统一的观测天顶角会带来较大误差,最大误差为0.3;绝对辐射定标精度在3%以下,反演精度能控制在10%,城市型气溶胶会对反演带来较大误差。     

The ADV/ASV AATSR aerosol retrieval algorithm: current status and presentation of a full-mission AOD dataset

An advanced along-track scanning radiometer (AATSR) global multi-year aerosol retrieval algorithm is described. Over land, the AATSR dual-view (ADV) algorithm utilizes the measured top of the atmosphere (TOA) reflectance in both the nadir and forward views to decouple the contributions of the atmosphere and the surface to retrieve aerosol properties. Over ocean, the AATSR single-view (ASV) algorithm minimizes the discrepancy between the measured and modelled TOA reflectances in one of the views to retrieve the aerosol information using an ocean reflectance model. Necessary steps to process global, multi-year aerosol information are presented. These include cloud screening, the averaging of measured reflectance, and post-processing. Limitations of the algorithms are also discussed. The main product of the aerosol retrieval is the aerosol optical depth (AOD) at visible/near-infrared wavelengths. The retrieved AOD is validated using data from the surface-based AERONET and maritime aerosol network (MAN) sun photometer networks as references. The validation shows good agreement with the reference (r?=?0.85, RMSE?=?0.09 over land; r?=?0.83, RMSE?=?0.09 at coasts and r?=?0.96, RMSE?=?0.06 over open ocean). The results of the aerosol retrievals are presented for the full AATSR mission years 2002–2012 with seasonally averaged time series for selected regions.