大气气溶胶遥感反演研究进展

大气气溶胶遥感反演研究进展摘要随着我国经济的快速发展，工业化和城镇化进程加速，环境承载压力不断加大，大气污染问题日趋严重。在我国大多数地区，大气气溶胶已成为影响环境空气质量的首要污染物。大气气溶胶不仅对全球气候变化产生影响,而且影响到大气环境质量和人类身体健康。目前，大气气溶胶遥感反演研究已经成为国际研究热点之一。1/气溶胶2/大气气溶胶遥感反演3/总结与展望气溶胶：是悬浮于地球大气之中具有一定稳定性、沉降速度小、尺度在10-4μm到100μm的液态及固体粒子。气溶胶来源：自然因素：火山、沙尘暴、森林和草原火灾、活的陆地生物和海洋植物人为因素：工业、交通、取暖燃烧的石油和煤炭、土地覆盖和土地利用变化、森林砍伐和沙漠化1/气溶胶1/气溶胶气溶胶“观测”的研究方向：1.大范围2.高精度3.多参数遥感！气溶胶观测手段/工具卫星遥感(宽覆盖)多波长(多角度)辐射计:AVHRR,MODIS,MISR,…偏振仪:POLDER-1,2,PARASOL,APS(2010),…星载激光雷达:CALIOP地面观测（高精度和多参数）太阳-天空辐射计网:AERONET，Skynet,…激光雷达网:EARLINET,CIS-LiNET,MPLNET,…太阳-天空辐射计遥感监测气溶胶的基本原理：入射辐射经过气溶胶粒子的散射和吸收作用后，性质及强度发生变化，因此，通过测量入射辐射性质的变化便可以反演气溶胶粒子的特性。2/大气气溶胶遥感反演在晴空的条件下，卫星上探测到的辐射由下垫面反射的太阳辐射透过气溶胶部分与气溶胶多次散射返回太空的部分组成;气溶胶卫星遥感，需从卫星遥感的辐射值中区分出哪些来自下垫面反射，多少是气溶胶的多次散射值。气溶胶光学厚度指无云大气铅直气柱中气溶胶散射造成的消光程度。监测方法：2/大气气溶胶遥感反演•基于暗像元的单通道和多通道遥感•结构函数法•多角度遥感•偏振遥感单通道遥感：Griggs发现在海洋和大的水体表面上空垂直反射出去的太阳辐射随气溶胶光学厚度的变化而近于线性增加，基于此线性关系建立了气溶胶光学厚度的单通道反演方法。多通道遥感：Kaufman等基于中红外通道(2.12μm)与红(0.66μm)、蓝(0.47μm)通道关系提出暗目标法，此方法已成功应用于MODIS陆地气溶胶反演。其基本原理是在浓密植被区及暗色土壤区，可见光的红、蓝波段地表反射率较低且与短波红外波段存在线性相关关系。在短波红外波段气溶胶的散射吸收作用很小，假设气溶胶光学厚度为0，卫星观测到的大气层顶表观反射率就是地表真实反射率。通过短波红外波段的反射率推断可见光波段的地表反射率，实现地气解耦，然后通过选择合适的气溶胶模型和辐射传输模型通过建立查找表进行反演。2.1/基于暗目标的单通道和多通道遥感2.2/结构函数法结构函数法是早期研究陆地污染气溶胶采用的卫星遥感算法。该算法假设同一个地区一段时间内地表反射率是不变的，利用“清洁日”大气作为参考，反演“污染日”大气的气溶胶光学厚度。污染日遥感影像清洁日遥感影像辐射校正和配准角度信息计算构建气溶胶和透过率查找表构建结构函数计算两影像地表反射率结构函数值污染日气溶胶光学厚度2.3/多角度遥感原理：多角度气溶胶遥感针对大气和地表对大气层顶卫星信号贡献的比率随不同观测角度而不同这一特性，将两者分离出来，适用于沙漠等亮地表，为气溶胶遥感提供了新的思路。其中，基于AATSR和MISR的气溶胶反演方法是近年来多角度遥感气溶胶中最具代表性的方法。2.3/多角度遥感AATSRMISR通道数（μm）0.55，0.66，0.87，1.6，3.7，11，120.446，0.558，0.672，0.886观测角度0°，55°0°，±26.1°，±45.6°，±60°，±70.5°扫描宽度500km360km分辨率1km×1km（底向）1.5km×2km（前向）0.275km×0.275km1.1km×1.1kmＡＡＴＳＲ与ＭＩＳＲ相关参数2.3.1/基于AATSR的多角度算法—ATSR-DV算法两个假设：1.假设地表反射率在前向和底向的比值k是一个与波长λ无关的量𝑘=𝜌𝑠𝑓𝑐,𝑓(𝜆)𝜌𝑠𝑓𝑐,𝑛(𝜆)上式中,𝜌𝑠𝑓𝑐,𝑓(𝜆)，𝜌𝑠𝑓𝑐,𝑛(𝜆)分别表示前向和底向的地表反射率。因为地表反射率随角度的变化主要取决于地表覆盖的宏观结构，而非波长。2.朗伯体的表面，卫星接收到的来自大气层顶的表观反射率可表示为：ρ(𝜆)=𝜌𝑎𝑡𝑚(𝜆)+𝜌𝑠𝑓𝑐(𝜆)1−𝜌𝑠𝑓𝑐(𝜆)s(λ)T(λ)上式中𝜌𝑎𝑡𝑚(𝜆)表示大气本身的反射率，s(λ)表示球面反照率，T(λ)表示大气透过率。2.3.1/基于AATSR的多角度算法—ATSR-DV算法基于以上假设，结合卫星两个角度在大气层顶的反射率表达式并进行公式的比较变换，得到如下表达式：𝜌𝑛λ−𝜌𝑎𝑡𝑚,𝑛(λ)𝑇𝑛(λ)=𝜌𝑓λ−𝜌𝑎𝑡𝑚,𝑓(λ)𝑘▪𝑇𝑓(λ)上式中,下标n和f分别表示卫星前向和底向两个观测角度，𝜌𝑛(λ)和𝜌𝑓(λ)为卫星测量值，k为地表反射率在前向和底向的比值，均为已知量，𝜌𝑎𝑡𝑚,𝑛(λ)、𝜌𝑎𝑡𝑚,𝑓(λ)、𝑇𝑛(λ)、𝑇𝑓(λ)都是AOD的函数，通过引入气溶胶模型，利用辐射传输模型建立查找表,可以进行AOD的反演计算。2.3.2/基于MISR的多角度遥感对于深海区，MISR采用的气溶胶反演算法类似传统的暗像元法，对于气溶胶光学厚度大的区域，算法会加入446和558nm通道的光谱信息以去除任何不确定的来自海洋表面短波反射辐射的影响。在进行陆地气溶胶反演计算时，是通过构造一系列与观测角度相关的经验正交函数（EOF）来模拟地表的反射率随观测角度的变化，利用空间对比和观测信号中的角度变化信息来区分地表和大气的贡献，最后通过最小化方差的方法来估算出AOD。2.4/偏振遥感去除地表信息时较为困难，并且辐射强度随地表状况的改变非常敏感，这就影响了气溶胶信息提取时的精确度。因此人们需要一种对地表反射率响应较小且观测信息中主要包含大气气溶胶信息的观测方式，偏振测量能满足上述要求。除此之外，偏振反射率对波段变化十分不敏感，对粒子特性较为敏感，使得偏振探测成为近年来气溶胶观测发展最快的方式。偏振辐射只对气溶胶粒子特性敏感，偏振信息有助于气溶胶特性的提取，可以更好的反演气溶胶的光学特性。利用这种方法可以同时反演气溶胶光学厚度和气溶胶粒子的有效粒径。1.近年来，随着高光谱分辨率的传感器的出现，使陆地气溶胶的遥感成为可能。由于陆地地表不均一性，对太阳短波辐射的反射值依目标不同有很大差异。目前为止还没有较好的普适的陆地气溶胶遥感算法。2.多角度算法利用卫星信号中的角度信息能够更好地剔除地表和大气的贡献，适用于沙漠等高亮地表，同时还可以区分出一些气溶胶粒子的形状。由于多角度算法在一些地区的运用还有局限性，它作为一种新的反演思路，还需要进一步拓展到多种地表覆盖进行实验。3.进一步研究偏振特性，充分利用偏振遥感的优势，研究开发传感器等硬件设备以获取充足的偏振数据，改进或开发偏振遥感反演方法，提高反演精度。另外，由于偏振信息对大粒子气溶胶的光学特性并不敏感，因此在研究沙尘暴等天气的气溶胶光学特性时还需要结合其他信息来对大粒子气溶胶进行提取，需要进一步改进。3/总结与展望