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(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南焦作 454003；2.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3.國防科工局 重大專項(xiàng)工程中心，北京 100101；4.上?？茖W(xué)技術(shù)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(jià)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(xué)模型模擬以及氣候、環(huán)境評估。因此在該領(lǐng)域，一些全球或區(qū)域典型的氣溶膠模型已經(jīng)基于長時(shí)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(luò)（AERONET）站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)AERONET 站點(diǎn)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(dāng)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(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一，而氣溶膠模型的準(zhǔn)確性是衛(wèi)星遙感反演氣溶膠參數(shù)精度的關(guān)鍵因素之一。與此同時(shí)，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(xué)厚度的影響。JETHVA 等通過改進(jìn)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(xì)模態(tài)氣溶膠光學(xué)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(xué)特性參數(shù)由氣溶膠粒子的微物理特性和化學(xué)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(xué)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(chǔ)上，利用粒子譜分布、復(fù)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(xué)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(jié)合多角度偏振相機(jī)（DPC/GF5）的3 個(gè)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(chǔ)上，計(jì)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(guān)系，充分分析了每個(gè)氣溶膠模型的光學(xué)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(gè)典型AERONET 站點(diǎn)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(jī)（Advanced Hyper-Spectral Imager，AHSI）衛(wèi)星遙感觀測進(jìn)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(jìn)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(diǎn)的長期觀測后進(jìn)行數(shù)據(jù)聚類分析得到。SONET 觀測網(wǎng)是中國的一個(gè)本地觀測網(wǎng)，對氣溶膠進(jìn)行地面遙感觀測。目前在中國分布有16 個(gè)永久觀測點(diǎn)，覆蓋了大部分典型的氣溶膠地質(zhì)（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(gè)站點(diǎn)中有6個(gè)站點(diǎn)的觀測時(shí)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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(gè)中國典型氣溶膠模型，見表1。5 種典型的細(xì)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(xì)模態(tài)氣溶膠模型分析其光學(xué)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(biāo)準(zhǔn)差（μm），

C

為峰值體積濃度（μm/μm），

n

為復(fù)折射指數(shù)實(shí)部，

k

（

k

）和

k

（

k

）為復(fù)折射指數(shù)細(xì)（粗）模態(tài)在440 nm和675～1 020 nm 處的虛部，下標(biāo)f為細(xì)模態(tài)，SMF 為亞微細(xì)模態(tài)，SMC 為亞粗細(xì)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(jié)構(gòu)，分別為F-ULW、F-UHS、C-ULW、CUHS；剩余3 種呈雙峰結(jié)構(gòu)，分別為F-BLW、F-BNS、C-BHM。每種模型粗、細(xì)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?yàn)橐粋€(gè)小峰可能被另一個(gè)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(shí)會(huì)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(fù)折射指數(shù)有關(guān)?；谇蛐瘟Ｗ尤旱募僭O(shè)，根據(jù)MIE 散射理論，可以計(jì)算每種氣溶膠模型的光學(xué)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(fù)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(guān)；

π

和

τ

為角函數(shù)，與

θ

有關(guān)；

σ

為散射截面；

σ

為消光截面；Re（·）為自變量的實(shí)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(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，分析研究了每種模型的光學(xué)特性。

2 氣溶膠模型的光學(xué)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(gè)偏振觀測通道所對應(yīng)的每種模型的光學(xué)參數(shù)進(jìn)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(shí)，粗模態(tài)氣溶膠模型表現(xiàn)出較強(qiáng)的散射特性；而當(dāng)

θ

=30°～150°時(shí)，細(xì)、粗模態(tài)氣溶膠模型的散射強(qiáng)度基本相當(dāng)；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(qiáng)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(dāng)

θ

=30°～150°時(shí)，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(xì)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(xì)模態(tài)氣溶膠模型在［30°，120°］表現(xiàn)出較強(qiáng)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(xì)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(dāng)

θ

<30°時(shí)，F(xiàn)-ULW 的散射特性較強(qiáng)；當(dāng)

θ

>150°時(shí)，F(xiàn)-BNS 的散射特性較強(qiáng)；而當(dāng)

θ

=30°～120°時(shí)，F(xiàn)-BLW 的偏振特性強(qiáng)于其余3 個(gè)細(xì)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(dāng)

θ

<30°時(shí)，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(dāng)且強(qiáng)于C-BHM；當(dāng)

θ

>150°時(shí)，C-BHM 的散射特性強(qiáng)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(fù)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(xì)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(xué)厚度在總光學(xué)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(qiáng)，F(xiàn)-BLW次之；C-UHS 的SSA 最小，吸收性最強(qiáng)，C-ULW 次之。而在670 nm 和865 nm，F(xiàn)-ULW 的散射性最強(qiáng)，F(xiàn)-UHS次之；C-UHS的吸收性最強(qiáng)，F(xiàn)-BNS次之。

2.2 粗、細(xì)模態(tài)組合的氣溶膠模型

根據(jù)上述7 種粗、細(xì)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(xì)粒子為主導(dǎo)，且由表1可知，這3種組合都與污染有關(guān)，組合中細(xì)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(kuò)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(xì)模態(tài)模型（大陸背景，F(xiàn)-UHS），但結(jié)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?yàn)樽匀簧硥m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(yuǎn)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(yīng)SSA 的結(jié)果，在400～490 nm 范圍內(nèi)，F(xiàn)-BLW+C-ULW 組合的散射性最強(qiáng)；在490～2 500 nm 范圍內(nèi)，F(xiàn)-UHS+C-UHS 組合的散射性最強(qiáng)。在400～1 300 nm 范圍內(nèi)，F(xiàn)-BNS+C-UHS 組合的吸收性最強(qiáng)；在1 300～2 000 nm 范圍內(nèi)，F(xiàn)-UHS+C-BHM 組合的吸收性最強(qiáng)；在2 000～2 500 nm 范圍內(nèi)，F(xiàn)-UHS+C-UHS 組合的吸收性最強(qiáng)。

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(yīng)用

3.1 AHSI 強(qiáng)度觀測仿真及大氣校正

為了確保衛(wèi)星觀測仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文選取了4 個(gè)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(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)天同一站點(diǎn)仿真結(jié)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(xué)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(shí)現(xiàn)對比。同時(shí)為了進(jìn)一步評價(jià)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(diǎn)仿真得到的表觀反射率進(jìn)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(zhǔn)，將5 種氣溶膠模型組合的校正結(jié)果與之進(jìn)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(jié)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(jié)果對比，圖5（e）～圖5（f）為大氣清潔情況下的校正前后結(jié)果對比。圖5（a）和圖5（e）為北京站點(diǎn)，圖5（b）和圖5（f）為徐州站點(diǎn)，圖5（c）和圖5（g）為香港站點(diǎn)，圖5（d）和圖5（h）為SACOL 站點(diǎn)。

圖5 基于不同氣溶膠模型組合的大氣校正結(jié)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(dǎo)致的校正結(jié)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(yán)重，差異越明顯，且差異隨波長的增加逐漸減少。這是由于當(dāng)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(yīng)會(huì)隨之減弱，因此，不同氣溶膠模型所導(dǎo)致的大氣校正的差異會(huì)隨波長的增加而減 小。F-ULW+C-ULW 和FBLW+C-ULW 的校正結(jié)果較為接近，F(xiàn)-BNS+CUHS 和F-UHS+C-BHM 的校正結(jié)果較為接近。

由表4 可以看出：北京站點(diǎn)和香港站點(diǎn)在大氣污染或清潔情況下，F(xiàn)-BLW+C-ULW 大氣校正結(jié)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(diǎn)在大氣污染或清潔情況下，F(xiàn)-ULW+C-ULW 的校正結(jié)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(diǎn)，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(gè)站點(diǎn)在大氣清潔的情況下，F(xiàn)-ULW+C-ULW 大氣校正結(jié)果的MAE 與F-BLW+C-ULW 大氣校正結(jié)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(jié)果的平均絕對誤差Tab.4 Mean absolute errors of the atmospheric correction results with different aerosol models

4 結(jié)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(xué)特性，及其模型組合在不同大氣狀況下的大氣校正結(jié)果，得到以下結(jié)論。

1）當(dāng)

θ

<30°和

θ

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

θ

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

2）各組合模型之間的大氣校正結(jié)果與基準(zhǔn)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(jié)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(shí)，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(shí)，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。