提汝芳,黃紅蓮,劉曉,樊依哲,2,王佳佳,2,孫曉兵,洪津,2

(1中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國(guó)科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031;2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥,230026)

0 引言

大氣氣溶膠直接或間接地影響輻射收支,間接影響云的形成以及降水,是全球氣候變化的重要影響因素之一[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人為產(chǎn)生的各種大氣污染物部分以氣溶膠形式存在,是空氣質(zhì)量嚴(yán)重下降的因素之一。大氣氣溶膠是遙感定量化的重要影響因素。氣溶膠來(lái)源復(fù)雜,且其含量的時(shí)空變化性比較大,對(duì)全球氣溶膠特征及時(shí)空變化的不完全認(rèn)知導(dǎo)致人們對(duì)氣溶膠輻射強(qiáng)迫作用和全球氣候變化的評(píng)估存在高度不確定性[2,3]。實(shí)時(shí)有效地監(jiān)測(cè)大氣氣溶膠對(duì)于氣候預(yù)測(cè)、人類生活質(zhì)量提高及定量遙感應(yīng)用能力提升具有重要作用。

地基觀測(cè)由于受地表影響很小,可以獲取更高精度的氣溶膠參數(shù),以及特定區(qū)域的長(zhǎng)時(shí)序氣溶膠信息。氣溶膠隨著大氣運(yùn)動(dòng),參與大氣的物理和化學(xué)過(guò)程,具有不穩(wěn)定性、垂直-水平分布的空間變化性和季節(jié)性,因此氣溶膠監(jiān)測(cè)需要覆蓋全球范圍并且連續(xù)進(jìn)行。為滿足全球范圍、連續(xù)氣溶膠觀測(cè)需求,發(fā)展了衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)方式。氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)及其物理光學(xué)特征的反演是觀測(cè)載荷如中分辨率成像光譜儀(MODIS)、多角度成像分光輻射儀(MISR)、地球反射率極化和多角度偏振成像儀(POLDER)[4,5]和大氣氣溶膠多角度偏振探測(cè)儀[6,7]的重要觀測(cè)任務(wù)之一。

由于地表偏振信號(hào)比大氣更弱且氣溶膠尤其細(xì)模態(tài)氣溶膠對(duì)偏振比較敏感,相比標(biāo)量輻射反演方法,采用偏振反演氣溶膠不易受地表影響,更具有優(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究人員基于機(jī)載和星載的多角度偏振觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量的氣溶膠反演算法研究。Deuz′e等[8]利用POLDER在軌觀測(cè)數(shù)據(jù)反演了陸地上空的氣溶膠光學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)粗模態(tài)氣溶膠粒子在可見(jiàn)光波段對(duì)偏振不敏感,因此對(duì)于粗模態(tài)粒子主導(dǎo)的氣溶膠類型,只用偏振信息反演會(huì)引入誤差。黃紅蓮等[9]基于機(jī)載偏振相機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),利用查找表算法進(jìn)行了海洋上空氣溶膠的反演。Hasekamp等[10]的研究結(jié)果表明聯(lián)合多角度標(biāo)量和偏振信息可以提高陸地氣溶膠反演精度。

本文基于DPC過(guò)境中國(guó)地區(qū)的衛(wèi)星數(shù)據(jù),利用標(biāo)量與偏振多角度大氣層頂觀測(cè)信息反演了大氣氣溶膠光學(xué)厚度,反演結(jié)果具有空間連續(xù)性,將2018年5月和6月氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果與AERONET站點(diǎn)數(shù)據(jù)比較,相關(guān)性較好。研究結(jié)果對(duì)于利用DPC觀測(cè)數(shù)據(jù)的氣溶膠反演算法發(fā)展具有重要參考價(jià)值。

1 DPC儀器介紹

大氣氣溶膠多角度偏振探測(cè)儀于2018年5月搭載高分五號(hào)(GF-5)衛(wèi)星發(fā)射,兩天可覆蓋全球區(qū)域。在衛(wèi)星運(yùn)行過(guò)程中,由于DPC采用廣角鏡頭,具有寬視場(chǎng)觀測(cè)能力,可以對(duì)同一個(gè)地面目標(biāo),在沿軌方向?qū)崿F(xiàn)同一探測(cè)通道的多角度觀測(cè)。在衛(wèi)星的單個(gè)軌道期間,DPC在連續(xù)N次成像中,探測(cè)到了同一目標(biāo),即可以得到此目標(biāo)的多個(gè)不同觀測(cè)角度的輻射、偏振輻射信息,為獲取更高精度的大氣氣溶膠產(chǎn)品反演提供可靠的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。DPC成像系統(tǒng)和多角度探測(cè)示意圖如圖1所示。

圖1 DPC成像系統(tǒng)(a)及多角度探測(cè)示意圖(b)Fig.1 Imaging system(a)and schematic diagram of multi angle detection(b)of DPC

GF-5衛(wèi)星為太陽(yáng)同步軌道,軌道高度約705 km,升交點(diǎn)地方時(shí)13:30,搭載的載荷DPC的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。DPC共有8個(gè)波段,其中490、670、865 nm為偏振通道,其他5個(gè)位非偏振通道。在沿軌方向視場(chǎng)角?50°～50°,至少可獲取9個(gè)觀測(cè)角度數(shù)據(jù)。星下點(diǎn)空間分辨率為3.29 km。

表1 DPC儀器主要技術(shù)參數(shù)Table 1 The main technical parameters of DPC

2 反演算法

2.1 基本原理

光是橫波,即振動(dòng)方向垂直于傳播方向,具有偏振特性。太陽(yáng)直射光為非偏振光,從大氣層頂入射,經(jīng)大氣氣溶膠和分子吸收、散射及地表反射作用后,變成部分偏振光。偏振光的表征方法有:瓊斯矢量、Stokes矢量法和邦加球等。由于Stokes矢量的四個(gè)分量I、Q、U、V具有輻射強(qiáng)度單位且可以通過(guò)Mueller矩陣計(jì)算得到,通常采用Stokes矢量方法表征光的偏振態(tài)。自然界中存在的偏振分量V極少,可以忽略。到達(dá)衛(wèi)星傳感器的輻射量可以用歸一化的表觀反射率和表觀偏振反射率表示為

式中:I為輻亮度,μs為太陽(yáng)天頂角余弦,E為大氣層頂?shù)奶?yáng)輻照度,Rp為偏振反射率,Q、U為線偏振輻亮度分量。

衛(wèi)星傳感器在接收到的大氣層頂上行的反射率和偏振反射率可以表示為

式中:R為反射率,λ為波長(zhǎng),θs為太陽(yáng)天頂角,θv為傳感器觀測(cè)天頂角,φ為相對(duì)方位角,atm為大氣的貢獻(xiàn),surf為地表貢獻(xiàn),Sλ為大氣下界的半球反射率,分別為上行和下行傳輸透過(guò)率?？梢酝ㄟ^(guò)上式將地表貢獻(xiàn)和大氣分子貢獻(xiàn)扣除后,得到大氣氣溶膠對(duì)大氣層頂?shù)谋碛^反射和偏振反射貢獻(xiàn),進(jìn)而根據(jù)氣溶膠反射率、偏振反射率和氣溶膠光學(xué)厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)查找表方法獲取氣溶膠光學(xué)厚度值。

2.2 地表貢獻(xiàn)估計(jì)

利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣氣溶膠反演,地表反射貢獻(xiàn)作為噪聲,會(huì)影響大氣參數(shù)的反演精度,因此反演過(guò)程中需要對(duì)地表對(duì)大氣層頂上行的輻射貢獻(xiàn)進(jìn)行估算。

地表反射率采用MODIS地表產(chǎn)品MCD43C1 BRDF模型參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,與DPC數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空匹配。MODIS地表BRDF為Ross-Li模型[11],用三個(gè)核來(lái)表征基本的散射類型:各項(xiàng)同性散射、水平方向均一葉冠的輻射傳輸體散射、來(lái)自具有投影陰影的三維目標(biāo)場(chǎng)景的幾何光學(xué)表面散射,可以表示為

式中:Kiso、Kvol、Kgeo分別是各項(xiàng)同性核、體散射核和幾何光學(xué)核,驅(qū)動(dòng)核是太陽(yáng)-觀測(cè)幾何的函數(shù),與波長(zhǎng)無(wú)關(guān),一般取Kiso=1;fiso、fvol、fgeo是對(duì)應(yīng)的系數(shù),是波長(zhǎng)的函數(shù)。

地表偏振反射率采用含有兩個(gè)參數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚇adal-Bre′on地表BPDF模型[12]計(jì)算,其計(jì)算公式為

式中:ρ和β是可調(diào)節(jié)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),αI是相位角的一半,由地表類型(International geoshpere-biosphere project,IGBP)和歸一化植被指數(shù)(Nomailized difference vegetation index,NDVI)來(lái)共同確定。

2.3 氣溶膠查找表構(gòu)建

大氣氣溶膠對(duì)太陽(yáng)光的吸收散射作用由其理化特性決定。基于輻射傳輸理論,利用氣溶膠的尺度分布、復(fù)折射率、光學(xué)厚度等參數(shù)可以模擬計(jì)算大氣氣溶膠與太陽(yáng)輻射的相互作用。雙峰對(duì)數(shù)正態(tài)譜分布能夠更好地模擬實(shí)際大氣氣溶膠的分布,表示為

式中:V表示體積濃度,其下標(biāo)f和c分別表示細(xì)模態(tài)和粗模態(tài);σ表示幾何標(biāo)準(zhǔn)差;rf和rc分別表示細(xì)模態(tài)和粗模態(tài)下的幾何均值半徑。

大氣氣溶膠光學(xué)厚度反演中氣溶膠的模式根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行假設(shè)。采用6類東亞地區(qū)氣溶膠類型[13],利用6SV矢量輻射傳輸軟件,構(gòu)建了氣溶膠光學(xué)性質(zhì)查找表。設(shè)定不同衛(wèi)星觀測(cè)幾何條件、太陽(yáng)觀測(cè)幾何條件、不同的大氣氣溶膠參數(shù)和波段,查找表參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 氣溶膠查找表參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameters of aerosol LUT

2.4 反演過(guò)程

在扣除大氣分子和地表的貢獻(xiàn)后,用最佳匹配的方法得到氣溶膠模式。利用基于最小二乘法的查找表方法進(jìn)行DPC大氣氣溶膠參數(shù)的反演。具體反演過(guò)程如下:

1)讀取DPC L1級(jí)無(wú)云像元數(shù)據(jù),提取觀測(cè)幾何條件、輻射、偏振信息、經(jīng)緯度信息、海陸標(biāo)識(shí),計(jì)算傳感器接收到多波段多角度表觀反射率和偏振反射率。

2)按照太陽(yáng)天頂角、觀測(cè)天頂角和相對(duì)方位角,在查找表中進(jìn)行搜索查找計(jì)算,對(duì)觀測(cè)幾何最相近的查找結(jié)果進(jìn)行插值,得到不同氣溶膠模式下的大氣氣溶膠反射貢獻(xiàn),獲取實(shí)際觀測(cè)幾何條件下的不同氣溶膠模型和氣溶膠光學(xué)厚度下的大氣反射貢獻(xiàn)模擬計(jì)算值。

3)根據(jù)像元經(jīng)緯度信息獲取像元地表分類和BRDF參數(shù),按照式(5)和(6),分別計(jì)算對(duì)應(yīng)觀測(cè)幾何下的地表反射率和偏振反射率。將地表對(duì)大氣層頂?shù)姆瓷渎屎推穹瓷湄暙I(xiàn)從實(shí)際測(cè)量值中扣除。

4)根據(jù)Rayleigh散射理論,計(jì)算大氣分子的反射率和偏振反射率,并實(shí)際測(cè)量值中扣除。得到實(shí)際測(cè)量的大氣氣溶膠反射率和偏振反射率。

5)利用式(8)計(jì)算大氣氣溶膠反射率和偏振反射率實(shí)測(cè)值與模擬的最小殘差,得到最優(yōu)氣溶膠模式及氣溶膠總光學(xué)厚度。

6)比較N個(gè)不同偏振通道在M個(gè)角度的偏振輻亮度和預(yù)先計(jì)算的偏振相函數(shù)和單次散射反照率求取光學(xué)厚度。對(duì)每個(gè)基本氣溶膠模式,這個(gè)光學(xué)厚度的有N×M個(gè),反演的氣溶膠模式將是殘差最小的值,對(duì)應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度即為反演值。殘差計(jì)算公式為

式中:λ為波長(zhǎng),上標(biāo)meas是實(shí)際測(cè)量得到的偏振反射率,上標(biāo)cal是模擬計(jì)算得到的偏振反射率,像元的有效偏振通道有N個(gè),有效觀測(cè)角度M個(gè),wp與wR分別為偏振反射率殘差和反射率殘差的權(quán)重。

3 反演結(jié)果與分析

基于GF-5 DPC載荷在2018年10月2日過(guò)境中國(guó)部分區(qū)域的晴空數(shù)據(jù),利用上述方法反演了大氣氣溶膠光學(xué)厚度,如圖2所示。從圖中可以看出,氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果空間分布具有連續(xù)性。相比其他地區(qū),魯豫交界處、珠三角、長(zhǎng)三角上海蘇南地區(qū)和臺(tái)灣西部地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度值比較高。珠三角、長(zhǎng)三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá),人口密度比較大,大氣污染嚴(yán)重,是氣溶膠光學(xué)厚度值偏高的主要原因[14]。山東西部和河南東部位于華北平原,周圍的主要山脈有山東中部的泰沂山脈,河南西部的嵩山、秦嶺、伏牛山及南部的大別山,受地形影響,大氣污染物不易擴(kuò)散,且秋季秸稈燃燒等活動(dòng)增多,導(dǎo)致氣溶膠光學(xué)厚度值偏高[15]。臺(tái)灣東部為山脈,臺(tái)灣西部為平原,人口密度大,人為活動(dòng)多,且受地形影響,氣溶膠光學(xué)厚度值較高。

圖2 2018年10月2日DPC在軌觀測(cè)數(shù)據(jù)真彩圖及氣溶膠光學(xué)厚度(550 nm)反演結(jié)果Fig.2 The true color image and aerosol optical thickness retrieval result(550 nm)of DPC observation data on October 2,2018

基于2018年5月和6月份DPC過(guò)境中國(guó)區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行了氣溶膠光學(xué)厚度的反演,并與中國(guó)地區(qū)的AERONET站點(diǎn)同時(shí)相的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較與分析,站點(diǎn)分布如表3所示。氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果如圖3所示。

表3 中國(guó)地區(qū)AERONET數(shù)據(jù)驗(yàn)證站點(diǎn)Table 3 AERONET validation site in China

圖3 2018年5月(a)和6月(b)DPC過(guò)境中國(guó)地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果與AERONET站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)比較Fig.3 Comparison of aerosol optical depth retrieved over China by DPC with AERONET data in May(a)and June(b)2018

AERONET站點(diǎn)的氣溶膠光學(xué)厚度值觀測(cè)波段為675 nm,利用Angstrom指數(shù),推算出與DPC相同波段670 nm的氣溶膠光學(xué)厚度值,作為DPC氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。基于DPC 2018年5月期間的數(shù)據(jù),對(duì)比了與AERONET站點(diǎn)同時(shí)相的62個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn),DPC氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果與AERONET站點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)相關(guān)性為0.84,線性擬合直線斜率為0.91,截距為0.032?；贒PC 2018年6月期間的數(shù)據(jù),與AERONET站點(diǎn)同時(shí)相的22個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn),DPC氣溶膠光學(xué)厚度反演結(jié)果與AERONET站點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)相關(guān)性為0.86,線性擬合直線斜率為0.84,截距為0.033。分析結(jié)果表明,文中算法的反演結(jié)果與AEROENT站點(diǎn)具有較好的一致性。

4 結(jié)論

針對(duì)GF-5大氣氣溶膠多角度偏振探測(cè)儀的在軌觀測(cè)數(shù)據(jù)特征,利用多波段多角度的標(biāo)量和偏振信息,基于查找表方法反演了2018年10月2號(hào)過(guò)境中國(guó)區(qū)域的氣溶膠光學(xué)厚度,空間分布具有較好的連續(xù)性。基于2018年5月和6月期間的DPC觀測(cè)數(shù)據(jù)反演了氣溶膠光學(xué)厚度,與AEONET地面氣溶膠觀測(cè)網(wǎng)中國(guó)地區(qū)的站點(diǎn)具有較好的一致性。研究成果為DPC有效監(jiān)測(cè)氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空分布變化提供了可靠的算法支持。