海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射计算

(3)
m =1
其中上标 cm 表示傅里叶展开的余弦项 ,sm 表示傅里叶展开的正弦项 。(2) 式 、(3) 式带入 (1) 式得
1
∫ μd
I0
(τ;μ) dτ
=-
I0 (τ;μ)
+
ω(τ) 2
Z0 (τ;μ,μ′) I0 (τ;μ′) dμ′+
-1
ω(τ) 4π
Z0
(τ;μ,μ0 )
F0 exp
τ - μ0
,
(4)
1
∫ μ
d
Icm (τ;μ) dτ
=-
Icm (τ;μ)
+
ω(τ) 2
[ Zcm (τ;μ,μ′) Icm (τ;μ′) - Zsm (τ;μ,μ′) Ism (τ;μ′) ]dμ′+
-1
ω(τ) 2π
Zcm
(τ;μ,μ0 )
F0 exp
τ - μ0
, m = 1 ,2 , …, M
(5)
∫∫ μ
d
I
(τ;μ, dτ
<)
=-
I (τ;μ, <)
+
ω(τ) 4π
Z(τ;μ, <;μ′, <′) I (τ;μ′, <′) dμ′d<′+
0 -1
ω(τ) 4π
Z(τ;μ, <;μ0
, <0 )
F0 exp
τ - μ0
,
(1)
式中 I , F0 为斯托克斯矢量 , Z 为 4 ×4 的散射相矩阵 。矢量辐射传输方程在不简化的情况下无法得到解析
何贤强1 ,2 潘德炉1 ,2 朱乾坤1 ,2 龚 芳2
1 国家海洋局海洋动力过程与卫星海洋学重点实验室 , 杭州 310012 2 国家海洋局第二海洋研究所 , 杭州 310012
摘要 : 瑞利散射计算精度对海洋水色遥感大气校正的精度起着关键作用 ,为了提高瑞利散射的计算精度 ,需要求 解平行分层大气矢量辐射传输方程 。详细地推导了加倍法解大气矢量辐射传输方程的基本关系式 ,并阐述了利用 加倍法解矢量辐射传输方程的原理 。通过与海视宽视场遥感器 ( SeaWi FS) 精确瑞利散射查找表计算结果的比较 , 证明利用加倍法计算瑞利散射的精度优于 0. 5 % ,完全能够满足海洋水色遥感大气校正对瑞利散射计算精度的要 求 ,并可以用来生成海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射查找表 。最后 ,利用开发的加倍法解矢量辐射传输方程 软件包 ,生成了海洋水色及水温扫描仪的精确瑞利散射查找表 。开发的加倍法解矢量辐射传输方程软件包可直接 用于我国第二代高性能海洋水色遥感器精确瑞利散射查找表的生成 。 关键词 : 大气光学 ; 瑞利散射 ; 辐射传输 ; 加倍法 ; 海洋水色及水温扫描仪 中图分类号 : P422. 3 文献标识码 : A
1 Key L abor a t or y of Ocea n Dy n a m ic Processes a n d S a telli te Ocea nogr ap hy of S t a te Ocea n ic Ad m i n is t r a t ion , Ha ngzhou 310012 2 Secon d I ns t i t u te of Ocea nogr ap hy , S t a te Ocea n ic Ad m i n is t r a t ion , Ha ngzhou 310012
1
∫ μ
d
Ism (τ;μ) dτ
=-
Ism (τ;μ)
+
ω(τ) 2
[ Zsm (τ;μ,μ′) Icm (τ;μ′) + Zcm (τ;μ,μ′) Ism (τ;μ′) ]dμ′+
-1
ω(τ) 2π
Zsm
(τ;μ,μ0 )
F0 exp
τ - μ0
, m = 1 ,2 , …, M
(6)
辐射传输方程转化为 4 ×(2 M + 1) 个与方位角无关的方程 。进一步 , 将 ( 4) 式～ ( 6) 式中对天顶角的积分改
第 25 wk.baidu.com 第 2 期 2005 年 2 月
光
AC TA
学 学 O P TICA
报 SIN ICA
Vol. 25 ,No . 2 February , 2005
文章编号 : 025322239 (2005) 02214527
海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射计算 3
A bs t r act : The accuracy of Rayleigh scat tering calculation affects t he qualit y of at mosp he ric cor rection of t he ocean color remote se nsi ng significantly , and it is essential to solve t he vect or radiative t ransfe r equation (VR TE) in plane2 parallel at mosp here to imp rove t he accuracy of Rayleigh scat te ring calculation. This pap e r deduces t he basic equations of VR TE wit h t he adding2doubling met hod in detail , and exp ounds t he p rinciple of t he adding2doubli ng met hod. By comparing wit h t he exact Rayleigh scat t ering radiance de rived f rom SeaWi FS (sea2viewing wide field2of2view se nsor) exact Rayleigh scat te ring look2up table , it s hows t hat t he relative e r ror of Rayleigh scat te ring calculation wit h t he adding2doubling met hod is less t han 0. 5 % , which meets t he requi red accuracy of t he at mosp heric cor rection of ocean color remote se nsing. The refore , t he adding2doubling met hod can be used to gene rate t he Rayleigh scat te ring look2up table for Chinese ocean color and temp erat ure scanner ( COC TS ) . Finally , using t he developed vect or radiative t ransfer code wit h adding2doubling met hod , we had ge nerated t he exact Rayleigh scat tering look2up tables for COC TS . Also , t he vector radiative t ransfer code develop ed can be used to generate t he exact Rayleigh scat te ring look2 up table for Chinese second gene ration ocean color remote se nsors which have high pe rformances . Key w or ds : at mosp here op tics ; Rayleigh scat te ring ; radiative t ransfe r ; addi ng2doubling met hod ; Chi nese ocean color and tempe rat ure scanne r (COC TS)
2 加倍法解矢量辐射传输方程
电磁辐射在大气中传输时将受到大气吸收 、散射 而衰减 ,主要表现为辐射强度的衰减和辐射传播方 向 、频率 、偏振状态的改变。在短波区 (这里指可见 光) ,对平面平行分层大气 ,这一过程可用矢量辐射传 输方程 (VRTE) 来描述 (取垂直向下为正向 ,即μ> 0)
2π 1
解 ,需要借助数值方法求解 。将 I 、Z 对方位角进行傅里叶展开 ,即
M
∑ I (τ;μ, <) = I0 (τ;μ) + 2 [ Icm (τ;μ) co s ( m<) + Ism (τ;μ) sin ( m<) ] ,
(2)
m =1
M
∑ Z(τ;μ, <;μ′, <′) = Z0 (τ;μ,μ′) + 2 [ Zcm (τ;μ,μ′) co s ( m<) + Zsm (τ;μ,μ′) sin ( m<) ] ,
为离散求和 ,按 2 N 个离散点高斯求和 ,可以得到
2 期 何贤强等 : 海洋水色及水温扫描仪精确瑞利散射计算
遥感器 ,生成了对应的精确瑞利散射查找表 。由于 这些查找表是针对遥感器特性 (主要是遥感器的波 段设置 、等效瑞利散射光学厚度及大气层外太阳辐 照度) 生成的 ,不同的遥感器有不同的精确瑞利散射 查找表 。因此 ,无法直接将海视宽视场遥感器等遥 感器的精确瑞利散射查找表用到海洋水色及水温扫 描仪 ,需要专门针对海洋水色及水温扫描仪生成精 确瑞利散射查找表 。本文利用加倍法数值求解平面 平行分层大气矢量辐射传输方程 ,生成海洋水色及 水温扫描仪精确瑞利散射查找表 。
1 引 言
海洋水色及水温扫描仪 ( COC TS) 是我国第一
颗专用海洋水色卫星“海洋一号”( H Y21A) 卫星上 的主遥感器[1] 。典型情况下 ,海洋水色及水温扫描
3 国家 863 计划 (2002AA639490 、2003AA131160204) 资助课题 。 作者简介 : 何贤强 (1978～) ,男 ,浙江临海人 ,助理研究员 ,博士研究生 。主要从事海洋水色遥感应用技术研究工作 。
E2mail : hexianqiang @sina. com. cn 。 收稿日期 : 2004203212 ; 收到修改稿日期 : 2004207216
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光 学 学 报 25 卷
仪接收总辐射的 80 %以上来自大气散射辐射和海 表反射辐射 ,通常将从遥感器接收总辐射中扣除大 气散射及海表反射辐射的过程称为大气校正[2～4] 。 瑞利散射计算精度对大气校正的精度起着关键作 用[5] ,一般 ,要达到 5 %的离水辐射反演精度 ,要求 瑞利散射计算精度达到 1 %。通常瑞利散射计算采 用单次散射近似计算法[6 ,7] 和数值求解大气矢量辐 射传输方程方法[8] ,而要达到 1 %的瑞利散射计算 精度则必须精确求解大气矢量辐射传输方程 。解辐 射传输方程的方法有很多种[9 ] , Go rdo n[8 ] 利用逐次 散射法 解 平 面 平 行 分 层 大 气 矢 量 辐 射 传 输 方 程 (V R T E) ,得到了包含多次散射和偏振的瑞利散射 精确值 ,其计算精度达到 0. 1 % ,并针对海岸带水色 扫描仪 (Coastal zo ne color scanner ,CZCS) 、海视宽 视场遥感器 ( Sea2viewing wide field2of2view sensor , SeaWi FS) 、中 分 辨 率 成 像 光 谱 仪 ( Moderate2 resolutio n imaging spect roradio meter , MOD IS) 等
Exact Ra yleigh Scat teri ng Calculation f or Chi nese Ocea n Color
a n d Te mp e r a t u r e S c a n ne r
He Xia nqia ng1 ,2 Pa n Delu1 ,2 Zhu Qia nkun1 ,2 Gong Fa ng1