CN114624731A - 基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度反演方法 - Google Patents

基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度反演方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114624731A
CN114624731A CN202210237741.6A CN202210237741A CN114624731A CN 114624731 A CN114624731 A CN 114624731A CN 202210237741 A CN202210237741 A CN 202210237741A CN 114624731 A CN114624731 A CN 114624731A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cloud
optical thickness
aerosol
cloud layer
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210237741.6A
Other languages
English (en)
Inventor
李树
张诗淼
储小雪
叶松
王新强
王方原
甘永莹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guilin University of Electronic Technology
Original Assignee
Guilin University of Electronic Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guilin University of Electronic Technology filed Critical Guilin University of Electronic Technology
Priority to CN202210237741.6A priority Critical patent/CN114624731A/zh
Publication of CN114624731A publication Critical patent/CN114624731A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/4802—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明提供的是基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度反演方法。基于云层上方气溶胶光学厚度反演算法，采用不同通道的强度辐射信息反演云光学厚度及有效粒子半径；根据云光学厚度及有效粒子半径的反演结果及偏振反射率查找对应的云层上方气溶胶光学厚度及不同通道的反射率数据；对获取的反射数据进行校正，重新进行云光学厚度及有效粒子半径和气溶胶光学厚度反演，以此不断迭代直至“云气分离”完成，实现云层上方气溶胶光学厚度反演。本发明可用于偏振遥感云层上方气溶胶参数反演，实现更准确的全球气溶胶特性评估提供支持。

Description

基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度反演方法
(一)技术领域
本发明涉及的是基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度反演方法，可用于偏振遥感云层上方气溶胶参数反演，实现更准确的全球气溶胶特性评估提供支持。
(二)背景技术
大气气溶胶是指由固体或液体微粒分散在气相介质中形成的相对稳定的散射体系。卫星遥感中，传感器接收到的电磁辐射都是目标电磁波经过大气分子、大气气溶胶、云粒子等散射、吸收作用，以及未到达地面就被大气散射作用返回的大气程辐射信息。在成像定量遥感中，大气影响会造成图像模糊、图像细节丢失等，导致地表反射率、叶绿素浓度、海色等地表面参数定量化反演结果出现误差。大气校正(即扣除大气影响)是实现高精度定量遥感的必要步骤，大气校正的效果依赖于大气参数的精度，大气气溶胶是其中重要影响因素之一。实时有效的监测大气气溶胶对气候预测、定量遥感、人类生活质量的提高具有重要的作用。当前，气溶胶的参数反演局限于无云污染区域，对有云污染区域的气溶胶参数反演研究还很少，这极大降低了对全球气溶胶特性监测及其辐射强迫评估的能力。
悬浮在云层上方的气溶胶通过与云的辐射作用起到正辐射强迫的作用(即大气变暖)。主动激光雷达传感器可以获取云层上方气溶胶后向散射廓线，在一定的假定条件下可以反演消光信息包括云层上方气溶胶光学厚度。Chand等基于CALIOP传感器的1064nm与532nm通道后向散射衰减比信息来反演云层上方气溶胶光学厚度。被动遥感探测器同样具备反演云层上方气溶胶参数的能力。可以利用偏振信息反演云层上方气溶胶参数，如Waquet等基于PARASOL卫星上的POLDER探测器的865nm通道反演了云层上方碳质气溶胶的光学厚度；Waquet等采用POLDER的670nm和865nm通道的偏振信息反演水云上方生物燃烧型气溶胶和矿物质粉尘性气溶胶的微物理特性和光学特性；Knobelspiesse等基于偏振扫描仪(RSP)的观测资料反演墨西哥湾区域云层上方气溶胶和云粒子尺度分布参数。Torres等基于臭氧监测仪(OMI)的观测资料，开发了同时反演云和气溶胶光学厚度的新算法。Jethva等基于MODIS的470nm通道与860nm通道的反射率比值同时反演云光学厚度以及云层上方气溶胶光学厚度。
本发明公开了基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度反演方法，该方法通过迭代的方法扣除云层对气溶胶层的影响，使“云气分离”更彻底，提高云层上方气溶胶光学厚度的反演精度。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供提高云层上方气溶胶光学厚度反演精度的基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度的反演方法。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的：
基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度的反演方法，包括：
步骤1，偏振遥感云像元的光学辐射及观测几何数据；
步骤2，根据670nm、1610nm、2250nm通道的反射率数据，采用查找表方法反演云的光学厚度及有效粒子半径；
步骤3，根据步骤2获取的云光学厚度及有效粒子半径，结合670nm波段的偏振反射率，采用查找表的方法反演云层上方气溶胶光学厚度，获取云层上方气溶胶光学厚度；
步骤4，根据步骤3获取包含云层及气溶胶层670nm、1610nm、2250nm通道的反射率；
步骤5，对比670nm通道观测的实际反射率与步骤4得到的反射率，如果两个值误差超过Δ，则对670nm、1610nm、2250nm通道实测反射率值进行校正，重复步骤2直至满足670nm通道反射率误差小于等于Δ；
步骤6，将最后一次执行步骤3获得的气溶胶光学厚度作为云层上方气溶胶光学厚度。
进一步，所述步骤1中所述的获取云像元数据，其流程图如图2所示，用降分辨率后的数据进行云检测和云相态识别，获取云像元数据。
进一步，所述步骤3中所述的云层上方气溶胶光学厚度查找表，其计算流程图如图3所示，根据矢量辐射传输模型计算云层上方气溶胶光学厚度查找表。
本发明的有益效果：通过迭代的方法扣除云层对气溶胶层的影响，使“云气分离”更彻底，提高云层上方气溶胶光学厚度的反演精度。为偏振遥感云层上方气溶胶参数反演领域提供参考，为基于偏振遥感获取更为全面的气溶胶特性参数、实现全球气溶胶监测及其辐射强迫评估做前期探索。
(四)附图说明
图1是基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度的反演方法的流程图。
图2是获取云像元数据的流程图。
图3是计算云层上方气溶胶光学厚度查找表的流程图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度的反演方法，包括：
步骤1，获取已经过云检测和云相态识别的云像元光学辐射及观测几何数据；
步骤2，670nm波段的辐射量对云光学厚度变化敏感，1610nm和2250nm波段的辐射量对云有效粒子半径的变化敏感，根据670nm、1610nm、2250nm通道实测反射率，采用查找表方法反演云的光学厚度及有效粒子半径，作为步骤3的输入参数；
步骤3，根据步骤2获取的云光学厚度及有效粒子半径，结合670nm波段的实测偏振反射率，采用查找表的方法反演云层上方气溶胶光学厚度，获取云层上方气溶胶光学厚度；
步骤4，根据步骤3获取的气溶胶光学厚度，从云层上方气溶胶光学厚度查找表中获取对应云光学厚度、有效粒子半径及气溶胶光学厚度所对应的670nm、1610nm、2250nm通道的反射率；
步骤5，对比670nm通道卫星观测的实际反射率与步骤4获取的670nm通道反射率，如果两个值误差超过Δ，则对670nm、1610nm、2250nm通道实测反射率值进行校正，返回至步骤2，重新进行云光学厚度及有效粒子半径反演、云层上方气溶胶光学厚度反演、反射率数据校正，依此不断迭代，直至满足670nm通道反射率误差小于等于Δ；
步骤6，将最后一次执行步骤3获得的气溶胶光学厚度作为云层上方气溶胶光学厚度。
本例中所述的基于670nm通道的偏振反射率反演云层上方气溶胶光学厚度，670nm通道的偏振反射率对云光学厚度及有效粒子半径的变化不敏感、对气溶胶光学厚度变化敏感，在通过670nm、1610nm、2250nm通道反射率反演云光学厚度及有效粒子半径后，基于670nm通道偏振反射率可以有效的实现“云气分离”，从而实现云层上方气溶胶光学厚度反演。
平面平行大气模型的矢量辐射传输方程：
Figure BDA0003542979570000041
式中I为Stokes矢量，等式右边第二项为多次散射贡献，第三项为单次散射贡献，ω为单次散射反照率，τ为光学厚度，μ为出射光线天顶角余弦值，φ为相对于太阳出射光线的方位角，μ0和φ0分别为太阳天顶角和方位角，F0为大气顶的太阳辐射通量，B为普朗克函数，M为单次散射相矩阵P进行参考平面转换后的矩阵。
通过求解矢量辐射传输方程可以得到总辐射信息和偏振辐射信息。采用反射率R和偏振反射率Rp来表征卫星接收到的总辐射信息和偏振辐射信息，其定义为：
Figure BDA0003542979570000042
Figure BDA0003542979570000043
式中，I、Q、U为Stokes参数，μs为太阳天顶角的余弦，E0为大气顶太阳的辐射通量。
大气顶辐射强度的贡献主要来自以下几个方面：云层的散射、气溶胶散射、大气分子散射以及地表的反射等。卫星观测到的表观反射率RTOA可以表示为：
RTOA＝Rm+Ra+Rc+Rs
式中，Rm、Ra、Rc和Rs分别为大气分子对大气顶反射率的贡献、气溶胶对大气顶反射率的贡献、云层对大气顶反射率的贡献和地表对大气顶反射率的贡献。
对平行大气模型，云层的反射函数为：
Figure BDA0003542979570000044
式中μ0、μ分别为太阳天顶角和出射天顶角的余弦值，φ为相对方位角；F0(λ)为入射太阳辐射，Iλ(0,-μ,φ)为反射辐射亮度；τc为云层光学厚度，rc为云粒子有效半径，可表示为：
Figure BDA0003542979570000051
式中n(r)为粒子大小分布，r为粒子半径。对于一个有限宽度的波段，反射率函数可以写为：
Figure BDA0003542979570000052
式中f(λ)为仪器的光谱响应函数。
当云层光学厚度较大时，忽略地表对大气顶偏振反射率的贡献，大气顶的偏振反射率为：
Figure BDA0003542979570000053
式中，Rm为大气分子的贡献，Rpa为云层上方气溶胶的贡献，Rpc为云层的偏振反射率；M为大气质量因子；τm、τa分别为大气分子的光学厚度和气溶胶光学厚度；c为经验系数。
本发明基于偏振遥感反演云层上方气溶胶是将云层贡献与大气贡献(气溶胶与大气分子的贡献)进行分离，通过辐射传输模式建立查找表以确定大气贡献所对应的最符合的气溶胶光学厚度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照具体的实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、结构部分均为公知技术。

Claims (3)

1.基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度反演方法，其特征在于，该方法的具体过程包括如下步骤：
步骤1，获取偏振遥感云像元的光学辐射及观测几何数据；
步骤2，根据云像元670nm、1610nm、2250nm通道实测的反射率Rmeans,670、Rmeans,1610、Rmeans,2250反演云光学厚度和云有效粒子半径，作为步骤3的输入参数；
步骤3，根据步骤2云光学厚度及与粒子有效半径反演结果，结合670nm通道的实测偏振反射率Rp670，采用找查找表法反演云层上方气溶胶光学厚度，获取云层上方气溶胶光学厚度值；
步骤4，根据步骤3获取包含云层及气溶胶层670nm、1610nm、2250nm通道的反射率Rcalc,670、Rcalc,1610、Rcalc,2250；
步骤5，对比步骤4获取的670nm通道反射率数据Rcalc,670与实测反射率数据Rmeans,670，如果两个误差超过Δ，则对670nm、1610nm、2250nm通道实测反射率值进行校正，返回至步骤2直至满足670nm通道反射率Rcalc,670与实测反射率Rmeans,670的误差小于等于Δ；
步骤6，最后一次执行步骤3获得的气溶胶光学厚度作为云层上方气溶胶光学厚度。
2.根据权利要求1所述的基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度反演方法，其特征在于，所述步骤2中，由于670nm波段的辐射量对云光学厚度变化敏感，1610nm和2250nm波段的辐射量对云有效粒子半径的变化敏感，选用670nm、1610nm和2250nm通道的强度辐射信息反演云光学厚度及有效粒子半径。
3.根据权利要求1所述的基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度反演方法，其特征在于，所述步骤3中，根据云层与气溶胶层耦合后的辐射模拟计算，获取云参数后，用辐射传输模型，模拟分析云层对气溶胶的影响，有效扣除云层对气溶胶光学厚度反演的影响。
CN202210237741.6A 2022-03-11 2022-03-11 基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度反演方法 Pending CN114624731A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210237741.6A CN114624731A (zh) 2022-03-11 2022-03-11 基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度反演方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210237741.6A CN114624731A (zh) 2022-03-11 2022-03-11 基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度反演方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114624731A true CN114624731A (zh) 2022-06-14

Family

ID=81901831

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210237741.6A Pending CN114624731A (zh) 2022-03-11 2022-03-11 基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度反演方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114624731A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115468503A (zh) * 2022-09-15 2022-12-13 中国科学院大气物理研究所 一种同时反演薄冰云光学厚度和有效半径的遥感方法
CN116148189A (zh) * 2023-04-14 2023-05-23 自然资源部第二海洋研究所 一种基于被动偏振卫星数据的气溶胶层高获取方法
CN116660106A (zh) * 2023-07-21 2023-08-29 中国科学院空天信息创新研究院 协同星载标量和偏振观测数据的气溶胶参数迭代反演方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115468503A (zh) * 2022-09-15 2022-12-13 中国科学院大气物理研究所 一种同时反演薄冰云光学厚度和有效半径的遥感方法
CN116148189A (zh) * 2023-04-14 2023-05-23 自然资源部第二海洋研究所 一种基于被动偏振卫星数据的气溶胶层高获取方法
CN116660106A (zh) * 2023-07-21 2023-08-29 中国科学院空天信息创新研究院 协同星载标量和偏振观测数据的气溶胶参数迭代反演方法
CN116660106B (zh) * 2023-07-21 2023-10-17 中国科学院空天信息创新研究院 协同星载标量和偏振观测数据的气溶胶参数迭代反演方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114624731A (zh) 基于偏振遥感数据的云层上方气溶胶光学厚度反演方法
Stamnes et al. Simultaneous polarimeter retrievals of microphysical aerosol and ocean color parameters from the “MAPP” algorithm with comparison to high-spectral-resolution lidar aerosol and ocean products
Chowdhary et al. Case studies of aerosol retrievals over the ocean from multiangle, multispectral photopolarimetric remote sensing data
Yoshida et al. Retrieval algorithm for CO 2 and CH 4 column abundances from short-wavelength infrared spectral observations by the Greenhouse gases observing satellite
Weyermann et al. Correction of reflectance anisotropy effects of vegetation on airborne spectroscopy data and derived products
KR101958541B1 (ko) 적외선 분광 스펙트럼을 이용한 실시간 오염수준 정량화 방법
Gilerson et al. Hyperspectral polarimetric imaging of the water surface and retrieval of water optical parameters from multi-angular polarimetric data
Xi et al. Simulated retrievals for the remote sensing of CO 2, CH 4, CO, and H 2 O from geostationary orbit
Goyens et al. High angular resolution measurements of the anisotropy of reflectance of sea ice and snow
Barnie et al. Quantification of gas and solid emissions during Strombolian explosions using simultaneous sulphur dioxide and infrared camera observations
Cairns et al. Polarimetric remote sensing of aerosols over land surfaces
Shi et al. Simultaneous retrieval of aerosol optical thickness and chlorophyll concentration from multiwavelength measurement over East China Sea
Elash et al. The Aerosol Limb Imager: acousto-optic imaging of limb-scattered sunlight for stratospheric aerosol profiling
CN113155740B (zh) 一种定标基准场brdf特性分析方法及系统
O'Brien et al. Testing the polarization model for TANSO-FTS on GOSAT against clear-sky observations of sun glint over the ocean
Cornet et al. Cloud heterogeneity on cloud and aerosol above cloud properties retrieved from simulated total and polarized reflectances
KR20210018737A (ko) 에어로졸의 광학 특성 산출 장치 및 방법
Kobayashi et al. Monte Carlo simulations of enhanced visible radiance in clear‐air satellite fields of view near clouds
Kim et al. Ambient illumination effect on a spectral image sensor for detecting crop nitrogen stress
Aminuddin et al. Landsat-8 satellite and plan position indicator lidar observations for retrieving aerosol optical properties in the lower troposphere
Stamnes et al. The PACE-MAPP algorithm: Simultaneous aerosol and ocean polarimeter products using coupled atmosphere-ocean vector radiative transfer
Barducci et al. Atmospheric effects on hyperspectral data acquired with aerospace imaging spectrometers
Chen et al. On the negative polarization's effects at top of atmosphere
Xie et al. Initial research on the polarized reflectance of typical urban surface types measured by the Directional Polarimetric Camera
Sun et al. On-orbit polarization sensitivity evaluation of FY-3B MERSI

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination