大气气溶胶的垂直非均一对向上亮度和卫星遥感地表反射率的效应

均一模式和两层模式是两个忽略气溶胶垂直非均一、并广泛用于卫星遥感的辐射模式。通过两个模式的数值模拟，分析了气溶胶的垂直非均一对向上天空亮度和卫星遥感地面反射率的效应。数值模拟选用了２４个有代表性的气溶胶模式。对于具有强分子散射的卫星短波通道，由于分子和气溶胶散射性的明显不同，应用均一和两层模式计算的向上亮度往往存在较大误差。对长波通道，如果气溶胶的光学特性随高度变化不大，该亮度误差较小，但如果存在不同散射相函数和一次散射反照率的气溶胶层，该误差仍可能较大。对于干净的大气，由均一和两层模式计算的亮度误差可分别高达３１．４％和３１．５％，而对于混浊的大气，该误差可分别高达６７．８％和５９．２％。该亮度误差可以引起地表反射率解存在大的不确定性，特别是对于短波通道和强吸收的气溶胶。对于包含强吸收气溶胶的混浊大气，均一和两层模式不适合于大气订正应用。     

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。     

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。     

利用可见光与近红外大气窗区的组合通道探测陆面上空气溶胶

本文提出了一种利用可见光与近红外大气窗区内的0.5μm和0.85μm双通道的组合,通过观测地气系统的反射辐射从卫星上遥感陆面上空气溶胶的方法.模拟试验发现,对于不同类型的气溶胶,随着气溶胶光学厚度的逐渐增大,0.5μm和0.85μm双通道的反射辐亮度的差值和比值呈现出明显不同的变化趋势,据此便可以识别出气溶胶的类型,并...     

大气遥感研究展望

对大气遥感研究发展方向作了展望,重点论述了如下几个方面:1)未来大气遥感研究若干特点;2)主被动式相结合的卫星大气遥感;3)大气遥感技术与应用集成;4)大气和地表物理参数的综合遥感;5)气溶胶与云光学特性遥感;6)微量气体时空分布遥感;7)地基大气遥感及走向综合集成.     

GMS卫星遥感中国地区气溶胶光学厚度

讨论了利用GMS卫星遥感湖面上空气溶胶光学厚度的方法,根据在5个湖面附近与多波段光度计遥感结果的比较,对卫星遥感的方法和结果进行了检验,然后利用该方法遥感了中国大陆25个湖面上空气溶胶光学厚度.结果显示,利用卫星反演湖面光学厚度可以提供大陆上空气溶胶的信息,是研究大陆上空气溶胶光学厚度一个可行的方法.     

华东地区降水时频变化特征与ENSO关系

利用Morlet小波变换方法分析了近56a来华东地区降水、气温变化以及ENSO的变化,结果表明,华东地区的降水、温度、海温(ΔSST)以及南方涛动指数(ΔSOI)的月距平序列中都存在多时间层次结构,并且各时间尺度周期分量的强度是不同的。同时又采用交叉小波变换方法,分别分析研究了ΔR、ΔT与ΔSST、ΔSOI相关关系,发现华东地区降水与ENSO在准2～4a周期变化上呈正相关关系,在年代际和8a以上年际间呈正负有规律交替且以正相关为主,而气温与ENSO存在多时间尺度特征。     

地基消光测量确定新疆博斯腾湖地区大气气溶胶模型

为确定新疆博斯腾湖地区气溶胶主要组分,减小辐射传输计算和卫星遥感应用中由于气溶胶模型误判造成的误差,分别取大陆型、背景沙漠型、体积百分比自定义模型和两种动态气溶胶模型,用6S辐射传输算法计算出对应于太阳光度计测量时段的各波段大气气溶胶光学厚度。将模式计算值与测量值进行比较,确定测量地区的大气气溶胶模型。将该方法用于2010年在新疆博斯腾湖地区测量的太阳光度计数据,结果显示该地区在测量时段较为符合体积百分比自定义模型,沙尘性粒子体积百分比均在88%上,符合当地靠近沙尘源地和测量时段浮尘天气频发的实际情况。     

中国遥感卫星辐射校正场气溶胶光学特性观测研究

1999年6月28日~7月19日在敦煌场, 7月25日~7月31日在青海湖水面场进行了一次大规模综合野外测量试验, 其中采用3台先进的法国CIMEL太阳辐射计对两个场地大气光学特性进行了系统全面测量, 获得大量晴空天气条件下的大气光学数据。利用Langley法处理气溶胶通道数据得到气溶胶光学厚度及其光谱变化。测量结果显示550 nm波长平均气溶胶光学厚度分别为0.12、0.18, 由气溶胶光学厚度的波长变化得到气溶胶Junge参数分别为2.6、3.0, 并与几种典型气溶胶类型比较。结果表明两地在晴空天气里, 气溶胶含量较小, 符合遥感卫星传感器辐射定标的大气条件。     

Regional aerosol optical depth characteristics from satellite observations: ACE‐1, TARFOX and ACE‐2 results

Analysis of the aerosol properties during 3 recent international field campaigns (ACE‐1, TARFOX and ACE‐2) are described using satellite retrievals from NOAA AVHRR data. Validation of the satellite retrieval procedure is performed with airborne, shipboard, and land‐based sunphotometry during ACE‐2. The intercomparison between satellite and surface optical depths has a correlation coefficient of 0.93 for 630 nm wavelength and 0.92 for 860 nm wavelength. The standard error of estimate is 0.025 for 630 nm wavelength and 0.023 for 860 nm wavelength. Regional aerosol properties are examined in composite analysis of aerosol optical properties from the ACE‐1, TARFOX and ACE‐2 regions. ACE‐1 and ACE‐2 regions have strong modes in the distribution of optical depth around 0.1, but the ACE‐2 tails toward higher values yielding an average of 0.16 consistent with pollution and dust aerosol intrusions. The TARFOX region has a noticeable mode of 0.2, but has significant spread of aerosol optical depth values consistent with the varied continental aerosol constituents off the eastern North American Coast.     

边界层温度廓线遥感反演的本地化改进研究

采用MODIS资料和美国发展的MODIS大气温、湿度廓线统计反演算法,估算大气温度、湿度廓线作为初始场,应用101层快速透过率模式(PFAAST)估算了大气透过率,并采用Newton非线性迭代算法反演中国西北荒漠戈壁地区大气温度廓线。结果表明:该方法对边界层高度及以上部分的大气温度反演得比较好,误差基本都在2 K范围内,边界层范围内的温度反演误差较大,反演误差与气溶胶光学厚度增量和地表温度估算误差呈显著正相关关系,与大气水汽混合比的关系较差。文中从敏感性试验和理论分析角度阐述了地表温度和气溶胶光学厚度估算误差对大气温度反演误差的影响,发现不同光谱波段的地表温度权重均随地表温度的增加有不同程度增加,地表温度反演误差增加将增加地表温度权重,提高地表温度估算误差有助于提高地表温度权重的精度;荒漠戈壁地区大气边界层中气溶胶浓度较高,光学厚度较大,使边界层大气透过率降低,进而降低卫星红外遥感波段的地表温度权重和空气温度权重。由于该模式没有很好地考虑边界层中沙尘气溶胶的影响,使卫星反演的大气透过率偏高,以至于高估地表温度权重和大气温度权重,使得反演的表面温度和空气温度偏低。该研究结合太阳光度计获得的光学厚度资料,采用统计方法对气溶胶效应引起的大气透过率误差和表面温度估算误差进行校正,并对物理算法进行本地化改进,实现了边界层温度廓线的反演。     

Application and evaluation of a differential inversion technique for remote temperature sensing

Summary A new theoretical approach is developed for remote temperature sensing based on application of Laplace transform techniques to the radiative transfer equation. This approach allows calculation of the atmospheric temperature profile from measurements of the upwelling radiance and its derivatives. Atmospheric temperatures are obtained by this technique without the use of anya priori temperature information. This technique is applied toboth synthetic data for detailed numerical study, and to measurements of the upwelling radiance taken with the Tiros Operational Vertical Sounder (TOVS). Limitations arising from experimental errors, truncation errors, round-off, numerical errors, and instability of numerical Laplace transformation are discussed.With 9 Figures     

大气气溶胶光学厚度遥感研究概况

大气气溶胶是影响气候变化的重要因子之一,利用遥感手段不仅可以获得气溶胶的分布信息,也可以得到相关的气溶胶光学特性参数。本文阐述了国内外气溶胶遥感的发展动态,介绍了气溶胶遥感的基本情况及气溶胶光学厚度反演的几种方法,提出了存在的问题并对今后的研究进行了展望。     

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。     

Recent Progresses in Atmospheric Remote Sensing Research in China——Chinese National Report on Atmospheric Remote Sensing Research in China during 1999-2003

Progresses of atmospheric remote sensing research in China during 1999-2003 are summarily introduced.This research includes: (1) microwave remote sensing of the atmosphere; (2) Lidax remote sensing; (3)remote sensing of aerosol optical properties; and (4) other research related to atmospheric remote sensing，including GPS remote sensing of precipitable water vapor and radiation model development.     

Recent Progresses in Atmospheric Remote Sensing Research in China-- Chinese National Report on Atmospheric Remote Sensing Research in China during 1999-2003

Progresses of atmospheric remote sensing research in China during 1999-2003 are summarily introduced.This research includes: (1) microwave remote sensing of the atmosphere; (2) Lidar remote sensing; (3)remote sensing of aerosol optical properties; and (4) other research related to atmospheric remote sensing,including GPS remote sensing of precipitable water vapor and radiation model development.     

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。     

Preliminary Retrieval of Aerosol Optical Depth from All-sky Images

The relationship between the radiance ratio (radiance at wavelength 450 nm to 650 nm) and aerosol optical depth (AOD) is analyzed in this paper by numerical simulation and a "LUT" (look-up table) approach is then presented for the retrieval of AOD from the radiance ratio. In this LUT approach, the AOD retrieval error depends mainly on the assumption of aerosol types. From the preliminary simulation, a typical error of 15%–20% in AOD obtained from the radiance ratio is estimated, due to neglecting changes in...     

Retrieval of aerosol optical properties over a vegetation surface using multi-angular,multi-spectral,and polarized data

An algorithm to retrieve aerosol optical properties using multi-angular,multi-spectral,and polarized data without a priori knowledge of the land surface was developed.In the algorithm,the surface polarized reflectance was estimated by eliminating the atmospheric scattering from measured polarized reflectance at 1640 nm.A lookup table （LUT） and an iterative method were adopted in the algorithm to retrieve the aerosol optical thickness （AOT,at 665 nm） and the （A）ngstr（o）m exponent （computed between the AOTs at 665 and 865 nm）.Experiments were performed in Tianjin to verify the algorithm.Data were provided by a newly developed airborne instrument,the Advanced Atmosphere Multi-angle Polarization Radiometer （AMPR）.The AMPR measurements over the target field agreed well with the nearby ground-based sun photometer.An algorithm based on Research Scanning Polarimeter （RSP） measurements was introduced to validate the observational measurements along a flight path over Tianjin.The retrievals were consistent between the two algorithms.The AMPR algorithm shows potential in retrieving aerosol optical properties over a vegetation surface.     

SIMULTANEOUS DETERMINATION OF AEROSOL SIZE DISTRIBUTION AND REFRACTIVE INDEX AND SURFACE ALBEDO FROM RADIANCE－PART I: THEORY

Analyzing in detail the dependence of sky radiance on aerosol optical property and surface albedo, we present a new method for simultaneous determination of aerosol size distribution, its wavelength-dependent refractive index and surface albedo. The aerosol scattering phase function near 10o, its weighted phase function near 40o introduced in this paper, which can be inferred from sky radiance data, and the radiance near 90o are respectively used in retrieving the real part of refractive index, its imaginary part and surface albedo. Results in numerical experiments are satisfactory under different given conditions.