卫星偏振遥感的云光学特性分析及主要参数反演研究

卫星偏振遥感的云光学特性分析及主要参数反演研究

云对气候变化有重要影响,但目前对云影响气候的机制的认识还很不足。云参数的准确反演能为大气环流模式(General Circulation Models,GCM)提供可靠的输入参数,有助于准确了解云在气候变化中

的作用。我国已经成功发射的高分5号卫星(GF-5)搭载有大气气溶胶多角度偏振成像仪(Directional Polarization Camera,DPC)。DPC

可以对云进行多角度观测,同时获取云的强度辐射和偏振辐射,为云

参数反演提供更多有效信息,提高云参数反演能力。论文基于DPC载荷自身特点,开展云光学厚度、云顶高度反演研究。主要完成以下几方面工作:(1)利用670nm和865nm波段反演云光学厚度利用矢量辐射传输模式RT3,模拟分析有云(冰云和水云)大气顶670nm和865nm波段的反射率和偏振反射对云光学厚度变化的敏感性。结果表明,可以采用此两个波段反射率反演云光学厚度。模拟分析地表反射率、气溶胶光学厚度、云散射模型及有效粒子半径对云光学厚度反演结果的影响,其中冰云散射模型分别采用 GHM(General Habit Mixture)、

SC(Solid Columns)、ASC(Aggregates of Solid Columns)三种模型,水云散射模型假设为水滴模型。结果显示:地表反射率对云光学厚度反演结果影响较大;气溶胶模式对云光学厚度反演结果影响很小;气

溶胶光学厚度对薄云光学厚度反演结果影响较大,对厚云影响较小;

云散射模型及有效粒子半径的变化均会影响云光学厚度的反演结果。构建了云光学厚度查找表,并设计基于查找表的云光学厚度反演算法,其中670nm波段用于反演陆地上的云光学厚度、865nm波段用于海洋

上空的云光学厚度。利用法国POLDER3载荷数据,基于GHM、SC、ASC 三种模型进行冰云光学厚度反演试验,将反演结果与POLDER3产品进行比较。经过对比发现,ASC模型的反演结果与POLDER3产品有很好的一致性,而且ASC模型的反演结果基本不受有效粒子半径变化的影响。建议采用ASC模型作为DPC冰云的散射模型反演冰云光学厚度。对陆地上空和海洋上空的冰云及水云开展光学厚度反演试验,并将反演结果与POLDER3产品进行对比分析。结果表明,陆地上空和海洋上空的冰云和水云的云光学厚度反演结果均与POLDER3产品有很好的

一致性。(2)利用490nm和865nm波段的偏振反射率差反演云顶高度通过理论分析490nm和865nm波段大气顶的偏振特性差异,说明可以利用此两波段偏振反射率差反演云顶高度。利用RT3模拟分析大气顶490nm和865nm波段偏振反射率差对云有效粒子半径、云光学厚度、云层上方气溶胶光学厚度以及云顶压强变化的敏感性。结果显示,当云光学厚度大于3时,水云在80°～120°散射角范围内,冰云(GHM模型)在80°～140°散射角范围内,偏振反射率差对云有效粒子半径、云光学厚度和云层上方气溶胶光学厚度的变化不敏感,对云顶压强变化敏感。根据敏感性分析结果,提出基于偏振反射率差查找表的云顶高度反演算法,并选择适当的参数构建偏振反射率差查找表。利用POLDER3数据进行云顶高度反演试验,将反演结果与POLDER3瑞利压强产品和MODIS云顶压强产品进行对比。结果表明,与POLDER3的官方算法相比,使用本研究提出的偏振反射率差查找表法的云顶高度反演结果与MODIS产品有更好的一致性,且对冰云有更宽的散射角适用

范围,能获取更多冰云云顶高度数据。(3)利用763nm和765nm波段反演云顶高度利用MODTRAN5模拟计算763nm和765nm波段的氧气透过

率比与压强的关系,通过模拟数据给出拟合公式,并分析不同大气模

式对使用该式计算压强的影响。结合RT3模拟分析,云层上方气溶胶

对使用该式反演表观压强的影响。结果显示,云层反射率较小时,云层上方大气分子和气溶胶的散射使得表观压强反演结果有较大误差。因此,建议在云光学厚度大于3时,采用763nm和765nm波段反射率反演表观压强。理论分析地表贡献对表观压强反演结果的影响,给出获取

云顶压强的校正方法。设计基于763nm和765nm波段反射率的云顶高度反演算法,利用POLDER3数据进行反演试验,并将反演结果与基于

偏振反射率差方法的反演结果和MODIS产品进行对比分析。结果表明,相比基于偏振反射率差方法的云顶高度反演结果,基于763nm和

765nm波段反射率方法的云顶高度反演结果与MODIS产品的一致性更好,能获取更多区域的云顶高度产品,但反演精度较差。通过论文的研究工作,可以为我国GF-5号卫星DPC载荷的云光学厚度及云顶高度反演的反演方法、反演参数设置及云散射模型选取等提供有价值的参考。