CN115468503B - 一种同时反演薄冰云光学厚度和有效半径的遥感方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种同时反演薄冰云光学厚度和有效半径的遥感方法，分别构建太阳光度计和直接日射表的校正因子；基于所述太阳光度计的校正因子和所述直接日射表的校正因子，得出云光学厚度和校正因子的关系式；对所述云光学厚度和校正因子采用迭代方法进行同时反演，得出反演后的云光学厚度和校正因子即为所述太阳光度计和所述直接日射表的反演结果；基于辐射传输模式模拟计算，对所述太阳光度计和所述直接日射表构建查找表；基于所述太阳光度计、所述直接日射表的查找表和所述太阳光度计、所述直接日射表的反演结果，通过查找表插值方法反演得出云光学厚度和有效粒子半径，从而得到最终反演结果。

Description

一种同时反演薄冰云光学厚度和有效半径的遥感方法
技术领域
本申请属于云的光学和微物理参数遥感反演领域，具体涉及一种同时反演薄冰云光学厚度和有效半径的遥感方法。
背景技术
云在地球的辐射收支平衡中发挥着重要作用，云和辐射的相互作用一直都是气候及其气候变化研究的关键问题之一，需要建立一套基于可靠观测的系统编译的云光学特性参数和微物理参数数据库。其中云光学厚度和有效粒子半径是确定云辐射效应的两个重要参数。
目前已经有一些遥感方法来同时反演云光学厚度和有效粒子半径。比如卫星遥感方法包括两种，一种是通过卫星可见光和红外通道辐射实现同时反演，利用的基本原理是可见光通道对云光学厚度敏感，对云有效粒子半径不敏感，而红外通道则对二者都敏感。如果云光学厚度大于4，这种遥感反演方法的效果很好。另一种方法是红外分裂窗技术。该方法的基本原理是8～13μm的红外窗口通道之间的亮温差是由冰粒吸收特性的差异引起的，该方法适用于反演云光学厚度在0.5到5之间的光学薄云的参数。
发明内容
本申请提出了一种同时反演薄冰云光学厚度和有效半径的遥感方法，一种利用现有的太阳光度计和直接日射表观测同时反演薄冰云光学厚度(云光学厚度小于0.5)和有效粒子半径的遥感方法。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
一种同时反演薄冰云光学厚度和有效半径的遥感方法，包括以下步骤：
S1.分别构建太阳光度计和直接日射表的校正因子，将太阳光度计的校正因子记为Csun，直接日射表的校正因子记为Cpyr；
S2.基于所述太阳光度计的校正因子和所述直接日射表的校正因子，得出云光学厚度和校正因子的关系式；
S3.对所述云光学厚度和校正因子采用迭代方法进行同时反演，得出反演后的云光学厚度和校正因子，即为所述太阳光度计和所述直接日射表的反演结果；
S4.基于辐射传输模式模拟计算，对所述太阳光度计和所述直接日射表构建查找表；
S5.基于所述太阳光度计、所述直接日射表的查找表和所述太阳光度计、所述直接日射表的反演结果，通过查找表插值方法反演得出云光学厚度和有效粒子半径，从而得到最终反演结果。
优选的，S1中，所述构建校正因子的方法包括：校正因子等于仪器观测直接辐射与真实直接辐射之比。
优选的，S2中，所述云光学厚度和校正因子的关系式包括：
Figure BDA0003847433570000021
Figure BDA0003847433570000022
其中，sun表示太阳光度计，pyr表示直接日射表，下标a表示晴空大气气溶胶的光学厚度，下标c表示云光学厚度，下标ac表示有云大气的气溶胶和云的总光学厚度，μ0表示太阳天顶角余弦。
优选的，S3中，所述对所述云光学厚度和校正因子采用迭代方法进行同时反演的方法包括：
设置校正因子初始值；
基于所述云光学厚度和校正因子的关系式计算云光学厚度；
基于所述云光学厚度计算校正因子；
重复计算所述云光学厚度和所述校正因子，直到云光学厚度的变化量小于给定阈值，得到云光学厚度和校正因子的同时反演结果。
优选的，S3中，所述计算校正因子的方法包括：将所述云光学厚度代入辐射传输模式模拟计算真实直接辐射，然后基于校正因子的定义，计算校正因子。
优选的，S4中，对所述太阳光度计和所述直接日射表构建查找表的方法包括：通过辐射传输模式模拟计算不同变化的参数组合的校正因子。
优选的，S4中，所述查找表包括：所述太阳光度计和所述直接日射表都分别有六种冰晶形状的子表，每个子表包括校正因子、云光学厚度、有效粒子半径、太阳天顶角余弦。
优选的，S5中，通过查找表插值方法反演得出云光学厚度和有效粒子半径的方法包括：基于所述查找子表，确定两个插值点，采用双线性插值方法同时反演得到云光学厚度和有效粒子半径。
优选的，S5中，所述通过查找表插值方法反演得出云光学厚度和有效粒子半径的方法包括计算六种冰晶形状得到的云有效粒子半径的均值，作为云有效粒子半径的最终反演结果，所述太阳光度计和所述直接日射表云光学厚度相等的值为最终反演结果。
本申请的有益效果为：
利用太阳光度计和直接日射表观测同时反演薄冰云光学厚度和有效粒子半径的遥感方法，通过查找表插值方法反演得出云光学厚度和有效粒子半径的方法包括计算六种冰晶形状得到的云有效粒子半径的均值，作为云有效粒子半径的最终反演结果，太阳光度计和直接日射表云光学厚度相等的值为最终反演结果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的一种同时反演薄冰云光学厚度和有效半径的遥感方法的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
如图1所示，为本申请一种同时反演薄冰云光学厚度和有效半径的遥感方法示意图，利用太阳光度计和直接日射表观测同时反演薄冰云光学厚度和有效粒子半径的遥感方法，包括以下具体步骤：
S1.分别构建太阳光度计和直接日射表的校正因子，校正因子等于仪器观测直接辐射与真实直接辐射之比。Csun为太阳光度计的校正因子，Cpyr为直接日射表的校正因子。
S2.基于所述太阳光度计和所述直接日射表的校正因子的定义，得出云光学厚度和校正因子的关系式，经过公式推导，得出光学厚度和校正因子之间的关系满足以下公式：
Figure BDA0003847433570000051
Figure BDA0003847433570000052
其中，sun表示太阳光度计，pyr表示直接日射表，下标a表示晴空大气气溶胶的光学厚度，下标c表示云光学厚度，下标ac表示有云大气的气溶胶和云的总光学厚度，μ0表示太阳天顶角余弦。
S3.对所述云光学厚度和校正因子采用迭代方法进行同时反演，得出反演后的云光学厚度和校正因子，即为所述太阳光度计和所述直接日射表的反演结果；
设置初始校正因子为1；
基于所述云光学厚度和校正因子的关系式计算云光学厚度；
将所述云光学厚度代入辐射传输模式模拟计算真实直接辐射，然后基于校正因子的定义，计算校正因子；
以直接日射表为例：
Cpyr＝Fpyr/Fdir
Fpyr是直接日射表观测的直接辐射，Fdir是真实直接辐射，由辐射传输模式DISORT计算得到。
Figure BDA0003847433570000061
式中λ表示波长，F0(λ)表示大气层顶部的太阳辐射(常数)，τa(λ)表示气溶胶光学厚度，τatm(λ)表示由所有气体的分子散射和吸收所贡献的大气光学厚度，τc(λ)表示云光学厚度。
重复计算所述云光学厚度和所述校正因子，直到云光学厚度的变化量小于给定阈值，得到云光学厚度和校正因子的同时反演结果，则此时的云光学厚度和校正因子即为两个仪器的反演结果。
S4.基于辐射传输模式模拟计算，对所述太阳光度计和所述直接日射表构建查找表：所述太阳光度计和所述直接日射表查找表都分别有六种冰晶形状的子表，每个子表包含校正因子C、云光学厚度τc、有效粒子半径Reff、太阳天顶角余弦μ0共4个参数的多种变化，通过辐射传输模式模拟计算不同变化的参数组合的校正因子，构成查找表。
S5.基于所述太阳光度计和所述直接日射表的查找表和所述太阳光度计和所述直接日射表的反演结果，通过查找表插值方法反演得出云光学厚度和有效粒子半径，从而得到最终反演结果：按照云有效粒子半径递增的方向查找，当采用所述云光学厚度和校正因子同时反演的迭代算法得到的太阳光度计云光学厚度大于直接日射表云光学厚度时，得到云有效粒子半径的第一个插值点，然后增加的云有效粒子半径作为第二个插值点；根据两个插值点的云光学厚度和有效粒子半径值，以及同时反演迭代算法得到的太阳光度计和直接日射表的云光学厚度，采用双线性插值方法，即同时得到云光学厚度和有效粒子半径。
本实施例还公开了一种同时反演薄冰云光学厚度和有效粒子半径的遥感方法应用于2011年Izana站点的太阳光度计(AERONET)和直接日射表(BSRN)观测，获得了薄冰云的光学厚度和有效粒子半径反演结果。
1)时间匹配。太阳光度计数据一般为15分钟一个值，而直接日射表数据为1分钟一个值。选择时间差别在1分钟之内的数据用于该方法。
2)晴空大气气溶胶光学厚度的计算。太阳光度计采用Level2数据(经过云屏蔽)，用日平均值(或者在没有日平均值的情况下用月平均值)作为晴空值。直接日射表可采用宽带消光法反演得到，同样用日平均值(或者在没有日平均值的情况下用月平均值)作为晴空值。
3)其它两个条件：①3分钟直接日射表数据反演的云光学厚度之间的差异小于0.03(满足平滑变化)。②在0.1<τc/μ0<2.0的条件下进行云有效粒子半径反演。
4)利用2011年10月15日12:49和16:49时刻的太阳光度计和直接日射表观测同时反演了这两个时刻的云光学厚度和有效粒子半径。12:49时刻云光学厚度为0.765，云有效粒子半径为12.98μm。16:49时刻云光学厚度为0.314，云有效粒子半径为19.39μm。
5)2011年Izana站点共获得432组满足上述条件的太阳光度计和直接日射表观测数据，采用同时反演薄冰云光学厚度和有效粒子半径的遥感方法，得到六种不同冰晶形状的年平均云光学厚度和有效粒子半径。年平均云光学厚度在0.217-0.250之间，而年平均有效粒子半径在21.34-26.58μm之间。
利用太阳光度计和直接日射表观测同时反演薄冰云光学厚度和有效粒子半径的遥感方法在Izana站点的应用说明该方法是可行的，可以推广到全球范围内AERONET和BSRN同时观测站点，获得较长时期的薄冰云光学厚度和有效粒子半径数据库。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种同时反演薄冰云光学厚度和有效半径的遥感方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.分别构建太阳光度计和直接日射表的校正因子，所述校正因子等于仪器观测直接辐射与真实直接辐射之比，将太阳光度计的校正因子记为Csun，直接日射表的校正因子记为Cpyr；
S2.基于所述太阳光度计的校正因子和所述直接日射表的校正因子，得出云光学厚度和校正因子的关系式；所述云光学厚度和校正因子的关系式包括：
Figure FDA0004112681680000011
Figure FDA0004112681680000012
S3.对所述云光学厚度和校正因子采用迭代方法进行同时反演，得出反演后的云光学厚度和校正因子，即为所述太阳光度计和所述直接日射表的反演结果；
S4.基于辐射传输模式模拟计算不同变化的参数组合的校正因子，对所述太阳光度计和所述直接日射表构建查找表，所述查找表包括：所述太阳光度计和所述直接日射表都分别有六种冰晶形状的子表，每个子表包括校正因子、云光学厚度、有效粒子半径、太阳天顶角余弦；
S5.基于所述太阳光度计、所述直接日射表的查找表和所述太阳光度计、所述直接日射表的反演结果，基于查找子表，确定两个插值点，采用双线性插值方法同时反演得到云光学厚度和有效粒子半径；查找表双线性插值方法反演得出云光学厚度和有效粒子半径的方法包括计算六种冰晶形状得到的云有效粒子半径的均值，作为云有效粒子半径的最终反演结果,所述太阳光度计和所述直接日射表云光学厚度相等的值为最终反演结果。
2.根据权利要求1所述的一种同时反演薄冰云光学厚度和有效半径的遥感方法，其特征在于，S3中，对所述云光学厚度和校正因子采用迭代方法进行同时反演的方法包括：
设置校正因子初始值；
基于所述云光学厚度和校正因子的关系式计算云光学厚度；
基于所述云光学厚度计算校正因子；
重复计算所述云光学厚度和所述校正因子，直到云光学厚度的变化量小于给定阈值，得到云光学厚度和校正因子的同时反演结果。
3.根据权利要求2所述的一种同时反演薄冰云光学厚度和有效半径的遥感方法，其特征在于，S3中，所述计算校正因子的方法包括：将所述云光学厚度代入辐射传输模式模拟计算真实直接辐射，然后基于校正因子的定义，计算校正因子。
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