CN111007024B - 一种适用于氧气a带的云反射比快速确定方法 - Google Patents

一种适用于氧气a带的云反射比快速确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于氧气A带的云反射比快速确定方法，该方法包括以下步骤：1)获取卫星观测时的太阳天顶角θ；2)设置计算云反射比需要的云属性，包括云光学厚度、云顶高度和云底高度；3)将待计算的氧气A带的光谱范围划分为多个波长序列；4)对划分后的波长序列，逐个波长计算云反射比；5)将已计算的云层的反射比按照其对应的波长从小至大排列。本发明提出了云反射比简化计算模型，计算各光谱上云层的反射。缩短了计算云反射比的耗时，减轻了计算压力，加快了单个数据处理的速度，减小了单个卫星数据的成本。

Description

一种适用于氧气A带的云反射比快速确定方法
技术领域
本发明涉及卫星被动遥感技术，尤其涉及一种适用于氧气A带的云反射比快速确定方法。
背景技术
太阳辐射在大气中的传输是有规律的，体现在大气中的气体、云雾和烟尘对太阳辐射的吸收和反射。云反射比是云层反射太阳辐射的能力，它的强弱主要由云中水含量，分布高度等属性决定。因此，它被应用于卫星被动云遥感技术中，通过辐射传输模型建立反射比和云属性之间的关联，从观测的云反射辐射推测云属性。依靠卫星的全球观测就能获得覆盖广泛的云属性资料，有助于水循环、极端天气、气候变化等科学研究。存在的主要缺点：卫星发射的成本昂贵，每日观测的数据量大，且辐射传输模型计算量大，单个数据的处理耗时长，导致数据处理的拥堵，可能最终舍弃了部分数据，只优先处理了部分数据，降低了卫星观测的利用率，抬升了单个观测的成本，造成了浪费。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种适用于氧气A带的云反射比快速确定方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于氧气A带的云反射比快速确定方法，包括以下步骤：
1)获取卫星观测时的太阳天顶角θ；
2)设置计算云反射比需要的云属性，包括云光学厚度τc、云顶高度htop和云底高度hbase；
3)将待计算的氧气A带的光谱范围划分为多个波长序列；
根据不同的星载传感器的光谱响应的特点，将光谱范围划分为数百至数千个波长。例如，对于光谱分辨率在0.1nm左右的传感器，大约划分为500～1000个波长，对于光谱分辨率在0.01左右的传感器，大约划分为5000～10000个波长。但不论怎么划分，每个波长上的云反射比的计算方法是相同的。
4)对划分后的波长序列，逐个波长计算云反射比，具体如下：
4.1)对于每个波长，根据高光谱分子吸收数据库(HITRAN)，确定大气中的气体是否存在吸收性，如果没有吸收性，则转入步骤4.2)计算无吸收云层的反射比；如果有吸收性，则转入步骤4.4)计算有吸收云层的反射比；
4.2)计算半无限无吸收云层的反射比：
Figure BDA0002337195640000021
其中μ＝cosθ,函数p是取云滴有效半径为8微米，根据米散射理论得到的单次散射相函数；
4.3)计算无吸收云层的反射比：
Figure BDA0002337195640000031
其中，t0＝1/(α+z)是改正前的云层的半球透过率，α＝15/14是常数，z＝3(1-g)τc/4是光学厚度的变形，g＝0.8452是云滴的不对称因子，函数K0＝3(1+2μ)/7是逃逸函数，
Figure BDA0002337195640000032
是对t0的改正项；
4.4)计算半无限有吸收云层的反射比：
Figure BDA0002337195640000033
其中，
Figure BDA0002337195640000034
是漫射辐射的吸收率，ω＝τc/(τc+τλ)是云层的单次散射反照率，τλ＝kλ(htop-hbase)是云层中吸收性气体的吸收光学厚度,kλ是根据HITRAN和波长λ确定的吸收系数，γc是对y的改正项；
4.5)计算有吸收云层的反射比：
R＝R∞-[t·exp(-yz)-tc]exp(-y)K0(μ)K0(1)，
其中t＝sinhy/sinh[y(α+z)]是改正前的有吸收云层的半球透过率，tc是对t的改正项；
5)将已计算的云层的反射比按照其对应的波长从小至大排列。
本发明产生的有益效果是：本发明提出了云反射比近似表达式用于替代复杂的辐射传输模型，将先验的云光学厚度、云顶高度、云几何厚度和确定的太阳天顶角作为输入，计算各光谱上云层的反射。缩短了计算云反射比的耗时，减轻了计算压力，加快了单个数据处理的速度，减小了单个卫星数据的成本。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的方法流程图；
图2是本发明实施例的单次散射相函数示意图；
图3是本发明实施例的反射比按波长排列示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种适用于氧气A带的云反射比快速确定方法，包括以下步骤：
1、获取卫星观测时的太阳天顶角θ。卫星观测时的太阳天顶角是根据轨道和观测时间确定的。
2、设置计算云反射比需要的云属性，包括云光学厚度τc、云顶高度htop和云底高度hbase。
云属性数值来自于对真实云层的统计，并根据残差来调整。例如通常云层的光学厚度为10，云顶高度1.5km，云底高度1.0km。
3、将待计算的氧气A带(758～772nm)的光谱范围划分为上千个波长序列。
4、逐个波长计算云反射比。对于每个波长，根据高光谱分子吸收数据库(HITRAN)，确定大气中的气体是否存在吸收性。如果没有吸收性，则使用步骤5、6、7计算无吸收云层的反射比；如果有吸收，则使用步骤8、9、10计算有吸收云层的反射比。
5、计算半无限无吸收云层的反射比：
Figure BDA0002337195640000051
其中μ＝cosθ,函数p是取云滴有效半径为8微米，根据米散射理论得到的单次散射相函数，如图2；
6、计算无吸收云层的反射比：
Figure BDA0002337195640000052
其中t0＝1/(α+z)是改正前的云层的半球透过率，α＝15/14是常数，z＝3(1-g)τc/4是光学厚度的变形，g＝0.8452是云滴的不对称因子，函数K0＝3(1+2μ)/7,是逃逸函数，
Figure BDA0002337195640000053
是对t0的改正项，见下表：
Figure BDA0002337195640000054
Figure BDA0002337195640000061
适用于中等光谱分辨率(大约0.4nm)，改正项
Figure BDA0002337195640000062
可采用如下公式：
Figure BDA0002337195640000063
7、将已计算反射比暂存。如果还有未计算的波长，则跳至步骤4，否则跳至步骤11。
8、计算半无限有吸收云层的反射比：
Figure BDA0002337195640000064
其中
Figure BDA0002337195640000065
是漫射辐射的吸收率，ω＝τc/(τc+τλ)是云层的单次散射反照率，τλ＝kλ(htop-hbase)是云层中吸收性气体的吸收光学厚度,kλ是根据HITRAN和波长λ确定的吸收系数，γc是对y的改正项，见下表：
Figure BDA0002337195640000066
9、计算有吸收云层的反射比：
R＝R∞-[t·exp(-yz)-tc]exp(-y)K0(μ)K0(1)，
其中t＝sinhy/sinh[y(α+z)]是改正前的有吸收云层的半球透过率，tc是对t的改正项，见下表：
Figure BDA0002337195640000071
10、将已计算反射比暂存。如果还有未计算的波长，则跳至步骤4，否则跳至步骤11。
11、将已计算的云层的反射比按照其对应的波长从小至大排列。
示例：
1、获取的卫星观测时的太阳天顶角为20°。
2、设置云属性为：云光学厚度为10，云顶高度为1.5km，云底高度为1km。
3、将氧气A带划分为间隔0.1纳米的波长序列，这里只以波长759.0纳米和762.9纳米为计算案例，其他波长对应的反射比也会计算，只是不展示计算过程。
4、逐个波长根据HITRAN判断大气中的气体是否存在吸收性。759.0纳米处无吸收，762.9纳米处有吸收。
5、当波长为759.0纳米时，计算得到云反射比为0.4429。
6、返回步骤4。
7、当波长为762.9纳米时，计算得到云反射比为0.4326。
8、返回步骤9。
9、将所有计算得到的云反射比按照波长从小到大排列，得到结果图3。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种适用于氧气A带的云反射比快速确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取卫星观测时的太阳天顶角θ；
2)设置计算云反射比需要的云属性，包括云光学厚度τc、云顶高度htop和云底高度hbase；
3)将待计算的氧气A带的光谱范围划分为多个波长序列；
4)对划分后的波长序列，逐个波长计算云反射比，具体如下：
4.1)对于每个波长，根据高光谱分子吸收数据库，确定大气中的气体是否存在吸收性，如果没有吸收性，则转入步骤4.2)计算无吸收云层的反射比；如果有吸收性，则转入步骤4.4)计算有吸收云层的反射比；
4.2)计算半无限无吸收云层的反射比：
Figure FDA0002749429470000011
其中μ＝cosθ,函数p单次散射相函数；
4.3)计算无吸收云层的反射比：
Figure FDA0002749429470000012
其中，t0＝1/(α+z)是改正前的云层的半球透过率，α是常数，z＝3(1-g)τc/4是光学厚度的变形，g是云滴的不对称因子，函数K0＝3(1+2μ)/7是逃逸函数，
Figure FDA0002749429470000013
是对t0的改正项，见下表：
Figure FDA0002749429470000021
4.4)计算半无限有吸收云层的反射比：
Figure FDA0002749429470000022
其中，
Figure FDA0002749429470000023
是漫射辐射的吸收率，ω＝τc/(τc+τλ)是云层的单次散射反照率，τλ＝kλ(htop-hbase)是云层中吸收性气体的吸收光学厚度,kλ是根据HITRAN和波长λ确定的吸收系数，γc是对y的改正项；
见下表：
Figure FDA0002749429470000031
4.5)计算有吸收云层的反射比：
R＝R∞-[t·exp(-yz)-tc]exp(-y)K0(μ)K0(1)，
其中，t＝sinhy/sinh[y(α+z)]是改正前的有吸收云层的半球透过率，tc是对t的改正项；
见下表：
Figure FDA0002749429470000041
5)将已计算的云层的反射比按照其对应的波长从小至大排列。
2.根据权利要求1所述的适用于氧气A带的云反射比快速确定方法，其特征在于，所述步骤1)中卫星观测时的太阳天顶角根据轨道和观测时间确定。
3.根据权利要求1所述的适用于氧气A带的云反射比快速确定方法，其特征在于，所述步骤4.2)中函数p是取云滴有效半径为8微米，根据米散射理论得到的单次散射相函数。
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