鄭 楊，梁晏禎，張 釗，屈 煒，胡傳甲，侯偉真，楊磊庫

（1.河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南焦作 454003；2.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院國家環(huán)境保護衛(wèi)星遙感重點實驗室，北京 100101；3.國防科工局 重大專項工程中心，北京 100101；4.上海科學技術交流中心，上海 200235；5.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

0 引言

氣溶膠是地球-大氣系統(tǒng)的重要組成部分，通過吸收和散射太陽輻射，干擾地球的輻射平衡，對氣候變化、空氣污染以及生態(tài)評價等產(chǎn)生了重要影響。為了評估氣溶膠的這些影響，需要大面積（如區(qū)域、國家或全球）的典型或具有代表性的氣溶膠模型，用以支持大氣化學模型模擬以及氣候、環(huán)境評估。因此在該領域，一些全球或區(qū)域典型的氣溶膠模型已經(jīng)基于長時間序列的地基觀測建立了起來，并得到了廣泛使用。LEVY 等將全球地基氣溶膠觀測網(wǎng)絡（AERONET）站點的觀測數(shù)據(jù)進行聚類分析，確定了隨地理位置和季節(jié)變化的全球氣溶膠類型。LEE 等使用了20 個AERONET 站點的觀測數(shù)據(jù)，建立了東亞地區(qū)特定類型的氣溶膠模型。LI 等基于太陽-天空輻射觀測網(wǎng)（The Sun-Sky Radiometer Observation Network，SONET）的地基遙感觀測數(shù)據(jù)，通過聚類分析方法得到了10 種中國典型氣溶膠模型。

當前，氣溶膠參數(shù)的衛(wèi)星遙感反演已成為氣候變化和大氣環(huán)境等研究領域的熱點問題之一，而氣溶膠模型的準確性是衛(wèi)星遙感反演氣溶膠參數(shù)精度的關鍵因素之一。與此同時，氣溶膠模型選取的正確與否，對大氣校正的精度也起著很大的作用。伽麗麗等基于6 種典型的氣溶膠模型，模擬研究了不同氣溶膠模型的選擇對衛(wèi)星近紅外偏振通道反演氣溶膠光學厚度的影響。JETHVA 等通過改進中分辨率成像光譜輻射儀（Moderate Resolution Imaging Spectro-radiometer，MODIS）算法中印度Kanpur 地區(qū)的氣溶膠模型，大大提高了細模態(tài)氣溶膠光學厚度的反演精度。馬?等基于6S 輻射傳輸模型探討了不同氣溶膠模型對衛(wèi)星影像大氣校正的影響。

氣溶膠的光學特性參數(shù)由氣溶膠粒子的微物理特性和化學組成決定，直接體現(xiàn)了氣溶膠對電磁輻射吸收和散射的影響。不同類型的氣溶膠具有顯著差異的微物理特性和光學特性，通常用粒子譜分布、散射相函數(shù)、偏振散射相函數(shù)以及單次散射反照率（Single Scattering Albedo，SSA）等來描述氣溶膠的這些特性。MA 等在SONET 觀測的基礎上，利用粒子譜分布、復折射指數(shù)以及單次散射反照率分析了嵩山地區(qū)氣溶膠的光學和微物理特征，建立了中國中部嵩山地區(qū)的氣溶膠模型。HOU等用粒子譜分布、散射相函數(shù)、偏振散射相函數(shù)描述了單次衛(wèi)星偏振觀測的氣溶膠特性，開展了信息量分析研究，系統(tǒng)評估了衛(wèi)星遙感觀測是否有效支撐典型區(qū)域的氣溶膠多參數(shù)聯(lián)合反演。

本文結合多角度偏振相機（DPC/GF5）的3 個偏振觀測通道（490、670、865 nm），基于LI 等提出的10 種中國典型氣溶膠模型中出現(xiàn)頻率較高的7種氣溶膠模型，利用Lorenz-MIE 理論和Fortran 軟件包，在已知其粒子譜分布的基礎上，計算了散射相函數(shù)、偏振相函數(shù)以及單次散射反照率與波長的關系，充分分析了每個氣溶膠模型的光學特性。選擇中國華北（北京）、華東（徐州）、華南（香港）、西北（SACOL）區(qū)域4 個典型AERONET 站點在大氣污染和清潔情況下的地基觀測數(shù)據(jù)，基于6SV 模型對搭載在高分五號（Gaofen-5，GF-5）衛(wèi)星平臺上的可見短波紅外高光譜相機（Advanced Hyper-Spectral Imager，AHSI）衛(wèi)星遙感觀測進行了仿真。選取5種出現(xiàn)頻率較高的中國典型氣溶膠模型組合，對仿真得到的表觀反射率進行大氣校正，探究了不同氣溶膠模型組合對中國區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)大氣校正的影響。

1 模型與方法

1.1 中國典型氣溶膠模型

氣溶膠模型一般通過地基站點的長期觀測后進行數(shù)據(jù)聚類分析得到。SONET 觀測網(wǎng)是中國的一個本地觀測網(wǎng)，對氣溶膠進行地面遙感觀測。目前在中國分布有16 個永久觀測點，覆蓋了大部分典型的氣溶膠地質（高原、沙漠、山地、丘陵、平原、島嶼）和人文（農(nóng)村、城市、特大城市、背景、污染區(qū)域）特征，16個站點中有6個站點的觀測時間超過5 a，這為分析中國地區(qū)的典型氣溶膠特征提供了堅實的基礎。

LI 等基于SONET 多年的觀測數(shù)據(jù)，利用聚類分析法得到了10 個中國典型氣溶膠模型，見表1。5 種典型的細模態(tài)氣溶膠模型分別為城市污染型（Urban polluted，F(xiàn)-ULW）、二次污染型（Secondary polluted，F(xiàn)-BLW）、混合污染型（Combined polluted，F(xiàn)-UHS）、粉煤灰污染型（Polluted fly ash，F(xiàn)-BNM）和大陸背景型（Continental background，F(xiàn)-BNS）。5 種粗模態(tài)氣溶膠模型為夏季粉煤灰型（Summer fly ash，C-ULW）、冬季粉煤灰型（Winter fly ash，CUHS）、初始沙塵型（Primary dust，C-UNW）、輸送沙塵型（Transported dust，C-BNM）和背景沙塵型（Background dust，C-BHM）。

表1 SONET 氣溶膠模型分類信息［4］Tab.1 Aerosol model classification with the SONET［4］

研究選取了出現(xiàn)頻率最高的7 種粗細模態(tài)氣溶膠模型分析其光學特性，分別為F-ULW、F-UHS、F-BLW、F-BNS、C-ULW、C-UHS、C-BHM，其微物理參數(shù)見表2。表中，

r

為中值半徑，

σ

為標準差（μm），

C

為峰值體積濃度（μm/μm），

n

為復折射指數(shù)實部，

k

（

k

）和

k

（

k

）為復折射指數(shù)細（粗）模態(tài)在440 nm和675～1 020 nm 處的虛部，下標f為細模態(tài)，SMF 為亞微細模態(tài)，SMC 為亞粗細模態(tài)，c為粗模態(tài)。

表2 7 種中國典型氣溶膠模型的微物理參數(shù)Tab.2 Microphysical parameters of seven typical aerosol models in China

體積譜分布如圖1 所示，其中有4 種氣溶膠模型呈單峰結構，分別為F-ULW、F-UHS、C-ULW、CUHS；剩余3 種呈雙峰結構，分別為F-BLW、F-BNS、C-BHM。每種模型粗、細模態(tài)的峰值半徑及峰值大小各不相同。需要注意的是，雙峰的特征可能肉眼無法分辨，因為一個小峰可能被另一個大峰所覆蓋。

圖1 7 種中國典型氣溶膠模型的體積譜分布Fig.1 Volume spectrum distribution of seven typical aerosol models in China

1.2 MIE 散射

太陽輻射通過大氣時會受到大氣分子和氣溶膠粒子吸收和散射的影響，其中氣溶膠粒子對太陽輻射的吸收和散射不僅取決于粒子數(shù)密度和半徑，還與它的復折射指數(shù)有關。基于球形粒子群的假設，根據(jù)MIE 散射理論，可以計算每種氣溶膠模型的光學參數(shù)，包括散射相函數(shù)（

P

）、偏振相函數(shù)（

q

）以及單次散射反照率（

ω

，SSA），公式如下：

式中：

r

為氣溶膠粒子半徑；

λ

為波長；

m

為復折射指數(shù)；

θ

為散射角；

a

和

b

為MIE 散射系數(shù)，與

r、λ、m

有關；

π

和

τ

為角函數(shù)，與

θ

有關；

σ

為散射截面；

σ

為消光截面；Re（·）為自變量的實部；

n

(

r

)為粒子譜分布；

β

為粒子群的散射系數(shù)；

β

為粒子群的消光系數(shù)；

S

和

S

為散射函數(shù)。

本研究采用MICHAEL的MIE 散 射Fortran軟件包對中國典型氣溶膠模型的散射相函數(shù)、偏振相函數(shù)以及單次散射反照率等光學參數(shù)進行了計算，分析研究了每種模型的光學特性。

2 氣溶膠模型的光學特性分析

2.1 單模態(tài)的氣溶膠模型

為充分研究上述7 種典型氣溶膠模型的散射特性與偏振特性，本研究選擇了DPC 的3個偏振觀測通道所對應的每種模型的光學參數(shù)進行分析，如圖2 和圖3所示。其中，圖2 和圖3分別為7種氣溶膠模型的散射相函數(shù)（

P

）（圖2（a）～圖2（d）和圖3（a）～圖3（c））和偏振相 函數(shù)（

q

）（圖2（e）～圖2（h）和圖3（d）～圖3（f））隨散射角（

θ

）的變化情 況。由圖2（a）～圖2（d）和圖3（a）～圖3（c）可以看出：在

θ

<30°和

θ

>150°時，粗模態(tài)氣溶膠模型表現(xiàn)出較強的散射特性；而當

θ

=30°～150°時，細、粗模態(tài)氣溶膠模型的散射強度基本相當；值得注意的是，衛(wèi)星遙感一般為后向散射（

θ

至少大于60°）。由圖2（e）～圖2（h）和圖3（d）～圖3（f）可以看出：相似于強度散射，粗模態(tài)氣溶膠模型的偏振散射主要集中于較小散射角（

θ

<30°）區(qū)間和較大散射角（

θ

>150°）區(qū)間，有所不同的是，當

θ

=30°～150°時，粗模態(tài)氣溶膠模型的偏振相函數(shù)非常小，在數(shù)值上顯著低于細模態(tài)氣溶膠模型的偏振相函數(shù)。不同于粗模態(tài)氣溶膠模型，細模態(tài)氣溶膠模型在［30°，120°］表現(xiàn)出較強的偏振特性，這是由于偏振相函數(shù)對氣溶膠粒子的大小很敏感，在大部分散射角范圍內(nèi)，粒子尺度越大，偏振相函數(shù)越小。由圖2 可知，4 種細模態(tài)氣溶膠模型的散射相函數(shù)和偏振相函數(shù)隨

θ

變化的趨勢大致相同。較為不同的是，當

θ

<30°時，F(xiàn)-ULW 的散射特性較強；當

θ

>150°時，F(xiàn)-BNS 的散射特性較強；而當

θ

=30°～120°時，F(xiàn)-BLW 的偏振特性強于其余3 個細模態(tài)氣溶膠模型。由圖3（a）～圖3（c）中可以看出：3 種粗模態(tài)氣溶膠模型的散射相函數(shù)隨散射角變化的趨勢大致相同，當

θ

<30°時，在粗模態(tài)氣溶膠模型中C-ULW 和C-UHS 的散射特性大致相當且強于C-BHM；當

θ

>150°時，C-BHM 的散射特性強于C-ULW 和C-UHS。由圖3（e）～圖3（f）中可以看出：C-BHM 的偏振相函數(shù)隨

θ

變化的趨勢明顯不同于C-ULW 和C-UHS，整體呈現(xiàn)負值狀態(tài)。7 種氣溶膠模型在490、670、865 nm 的SSA 見表3。

圖2 4 種典型細模態(tài)氣溶膠模型在490、670、865 nm 波長的散射相函數(shù)和偏振相函數(shù)Fig.2 Scattering phase functions and polarized phase functions of four typical fine-mode aerosol models at the wavelengths of 490 nm，670 nm，and 865 nm

圖3 3 種典型粗模態(tài)氣溶膠模型在490、670、865 nm 波長的散射相函數(shù)和偏振相函數(shù)Fig.3 Scattering phase functions and polarized phase functions of three typical coarse-mode aerosol models at the wavelengths of 490 nm，670 nm，and 865 nm

表3 7 種氣溶膠模型的在490、670、865 nm 的SSATab.3 SSA of seven aerosol models at 490 nm，670 nm，and 865 nm

SSA 表示的是氣溶膠散射光學厚度在總光學厚度中的比重，描述了氣溶膠的吸收特性。在490 nm，F(xiàn)-ULW 的SSA 最大，散射性最強，F(xiàn)-BLW次之；C-UHS 的SSA 最小，吸收性最強，C-ULW 次之。而在670 nm 和865 nm，F(xiàn)-ULW 的散射性最強，F(xiàn)-UHS次之；C-UHS的吸收性最強，F(xiàn)-BNS次之。

2.2 粗、細模態(tài)組合的氣溶膠模型

根據(jù)上述7 種粗、細模態(tài)氣溶膠模型共同出現(xiàn)的概率，選擇了5 種出現(xiàn)頻率（>5%）較高的中國典型氣溶膠模型組合（F-ULW+C-ULW、F-BLW+C-ULW、F-BNS+C-UHS、F-UHS+C-BHM、FUHS+C-UHS）用于大氣校正。其中，所選用的5 種氣溶膠模型組合的粒子譜分布及SSA 如圖4 所示。由圖4（a）可以看出，F(xiàn)-ULW+C-ULW、F-BLW+C-ULW 及F-BNS+C-UHS 以細粒子為主導，且由表1可知，這3種組合都與污染有關，組合中細模態(tài)模型的峰值體積半徑由0.107 μm（混合污染，F(xiàn)-BNS）增加到0.200 μm（城市污染，F(xiàn)-ULW），光吸收特性（

k

從0.020 減少到0.009），很大程度上揭示了霧霾污染從形成到擴散的過程；F-UHS+C-BHM 與FUHS+C-UHS 組合中粗粒子占優(yōu)勢，且這2 種組合都包含相同的細模態(tài)模型（大陸背景，F(xiàn)-UHS），但結合了不同的粗模態(tài)模型（背景沙塵，C-BHM；冬季粉煤灰，C-UHS）。首先因為自然沙塵較多的地區(qū)，人為污染較低；其次C-BHM 的峰值體積半徑（4.7 μm），遠大于C-UHS 的峰值體積半徑（3.1 μm）；最后表明中國大陸背景沙塵具有較大的粗粒子尺寸。由圖4（b）可以看出，對應SSA 的結果，在400～490 nm 范圍內(nèi)，F(xiàn)-BLW+C-ULW 組合的散射性最強；在490～2 500 nm 范圍內(nèi)，F(xiàn)-UHS+C-UHS 組合的散射性最強。在400～1 300 nm 范圍內(nèi)，F(xiàn)-BNS+C-UHS 組合的吸收性最強；在1 300～2 000 nm 范圍內(nèi)，F(xiàn)-UHS+C-BHM 組合的吸收性最強；在2 000～2 500 nm 范圍內(nèi)，F(xiàn)-UHS+C-UHS 組合的吸收性最強。

圖4 5 種中國典型氣溶膠模型組合的體積譜分布及SSAFig.4 Volume spectrum distribution and SSA of five typical aerosol model combinations in China

3 氣溶膠模型在大氣校正中的應用

3.1 AHSI 強度觀測仿真及大氣校正

為了確保衛(wèi)星觀測仿真結果的準確性，本文選取了4 個中國典型區(qū)域（華北北京、華東徐州、華南香港、西北SACOL）地基站點在大氣污染（550 nm，AOD=0.6）和清潔（550 nm，AOD=0.1）情況下的觀測數(shù)據(jù)，基于6SV 模型對AHSI 衛(wèi)星遙感觀測進行正向模擬仿真。仿真過程中地表反射率選取的是USGS 地物波譜庫中植被波譜數(shù)據(jù)，而后針對仿真得到的表觀反射率（Top of Atmodphere reflectance，TOA）進行大氣校正。

為體現(xiàn)不同氣溶膠模型組合的選擇給地表反射率帶來的差異，通過固定用于對當天同一站點仿真結果大氣校正的6SV 模型中的其他輸入?yún)?shù)，如太陽和衛(wèi)星的觀測幾何、大氣模型、氣溶膠光學厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）、地表特征等，僅改變氣溶膠模型的輸入?yún)?shù)來實現(xiàn)對比。同時為了進一步評價不同氣溶膠模型組合在中國不同區(qū)域不同天氣條件（即AOD 不同）下大氣校正的適用性，分別對北京、徐州、香港、SACOL 站點仿真得到的表觀反射率進行基于上述5 種氣溶膠模型組合在大氣污染和清潔情況下的大氣校正，并以仿真過程中所選取的地物波譜庫中的植被地表反射率為基準，將5 種氣溶膠模型組合的校正結果與之進行對比，分析模型的適用性。

3.2 中國典型氣溶膠模型在大氣校正中的適用性分析

大氣校正前后的結果對比如圖5 所示。其中，圖5（a）～圖5（d）為大氣污染情況下的校正前后結果對比，圖5（e）～圖5（f）為大氣清潔情況下的校正前后結果對比。圖5（a）和圖5（e）為北京站點，圖5（b）和圖5（f）為徐州站點，圖5（c）和圖5（g）為香港站點，圖5（d）和圖5（h）為SACOL 站點。

圖5 基于不同氣溶膠模型組合的大氣校正結果前后對比Fig.5 Results of different aerosol model combinations before and after atmospheric correction

由圖5 可以看出，由氣溶膠模型不同所導致的校正結果的差異主要表現(xiàn)在可見光和近紅外波段，大氣污染越嚴重，差異越明顯，且差異隨波長的增加逐漸減少。這是由于當太陽輻射波長大于氣溶膠粒子的直徑后，氣溶膠的散射效應會隨之減弱，因此，不同氣溶膠模型所導致的大氣校正的差異會隨波長的增加而減 小。F-ULW+C-ULW 和FBLW+C-ULW 的校正結果較為接近，F(xiàn)-BNS+CUHS 和F-UHS+C-BHM 的校正結果較為接近。

由表4 可以看出：北京站點和香港站點在大氣污染或清潔情況下，F(xiàn)-BLW+C-ULW 大氣校正結果的平均絕對誤差（Mean Absolute Error，MAE）最小，分別為1.587 4%、0.652 6%、2.843 8%、0.263 1%，大氣校正效果最好；徐州站點在大氣污染或清潔情況下，F(xiàn)-ULW+C-ULW 的校正結果的MAE 最小，分別為3.220 2%、0.396 7%，大氣校正效果最好；而SACOL 站點，在大氣污染的情況下，F(xiàn)-ULW+C-ULW 的校正效果最好，MAE 為3.428 9%，在大氣清潔的情況下，F(xiàn)-BLW+C-ULW的校正效果最好，MAE 為0.510 6%。且4 個站點在大氣清潔的情況下，F(xiàn)-ULW+C-ULW 大氣校正結果的MAE 與F-BLW+C-ULW 大氣校正結果的MAE 非常接近，兩者之間的差值極其小，介于0.001 9%～0.000 2%之間。所以在能見度較高、大氣較為清潔的情況下，中國區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星影像大氣校正的氣溶膠模型建議在F-ULW+C-ULW 模型和F-BLW+C-ULW 模型之間任選其一。而在AOD 較大、能見度較低的情況下，華北、華南和西北區(qū)域建議選擇F-BLW+C-ULW 模型用于衛(wèi)星影像的大氣校正，華東區(qū)域則建議選擇F-ULW+C-ULW 模型。

表4 不同氣溶膠模型下大氣校正結果的平均絕對誤差Tab.4 Mean absolute errors of the atmospheric correction results with different aerosol models

4 結束語

本文針對中國區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星影像大氣校正中氣溶膠模型的適用性問題，通過分析LI 等提出的中國典型氣溶膠模型的光學特性，及其模型組合在不同大氣狀況下的大氣校正結果，得到以下結論。

1）當

θ

<30°和

θ

>150°時，C-ULW、C-UHS、C-BHM 的散射特性較強，偏振特性較為集中；而當

θ

=30°～120°時，F(xiàn)-ULW、F-UHS、F-BLW、F-BNS的偏振特性較強，而散射特性則與C-ULW、C-UHS、C-BHM 基本相當。

2）各組合模型之間的大氣校正結果與基準數(shù)據(jù)之間的差異主要體現(xiàn)在可見光與近紅外波段，且在大氣較為清潔的情況下，各組合模型的大氣校正結果差異較小，而AOD 越大，能見度越低，差異越大。

3）在中國區(qū)域內(nèi)，大氣較為清潔（或能見度較高）時，衛(wèi)星影像的大氣校正中F-ULW+C-ULW 和F-BLW+C-ULW 模型都適用，可任意二選一；而在大氣狀況較差、AOD 較大（或能見度較低）時，華北、華南和西北區(qū)域F-BLW+C-ULW 模型更為適用，華東區(qū)域則是選擇F-ULW+C-ULW 模型更適合。