大气气溶胶偏振遥感研究进展_郭红

太阳短波和地球长波辐射对气候产生 直 接 影 响 胶影响到环境和人类健康
［ ５］
［ ２］
；气 溶 胶 又
［ ６］
３， ４］ 。此 外 ，近 地 面 气 溶 与云相互作用对气 候 产 生 间 接 影 响 ［
，同 时 还 会 导 致 交 通 事 故
。针
对这些问题 ，国内外 已 经 实 施 了 多 个 大 气 气 溶 胶 研 究 计 划 ， 并取得了一系列成果 。一些学者从不同角 度 总 结 了 气 溶 胶 领 域的研究成果 ：有机 物 气 溶 胶 研 究 进 展
［７］ 忽略吸收性粒子和非球形粒子 的 影 响 ，Ｄ 基于 ｅ ｕ ｚ é等 ４
的先验知识 ，即使在地表反射 率 已 知 的 情 况 下 ，利 用 单 个 角 度强度信息不能反演得到足够的气溶胶 属 性 信 息 ；单 个 角 度 同时利用多角度偏振和强度信息 ，或者多 个 角 度 利 用 偏 振 信 息 、多个角度利 用 强 度 信 息 可 以 使 反 演 的 ＡＯ Ｄ 误差减少５ ０ 倍 ；同时利 用 多 角 度 偏 振 和 强 度 信 息 可 以 进 一 步 使 反 ～２ 演的 Ａ Ｏ Ｄ 误差减少 ２～３ 倍 。 ／ 以上 Ｐ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｐ Ａ Ｒ Ａ Ｓ Ｏ Ｌ ＡＯ Ｄ 反演算法都是在假定 气溶胶模式已知的情况下 ，以 查 找 表 方 法 反 演 得 到 的 ＡＯ Ｄ。 发展了一种不需要建立查找表就可以反演 Ｄ ｕ ｂ ｏ ｖ ｉ ｋ等 ／ Ｐ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｐ Ａ Ｒ Ａ Ｓ Ｏ Ｌ 卫星多 波 段 、气 溶 胶 多 参 数 的 统 计 优
］ ［ ３ ６ ２ ２ －
北京 Ａ Ｅ Ｒ ＯＮ Ｅ Ｔ 粗 、细粒子比例进行分 析 得 到 ５ ５ ０ｎ ｍ 处细 粒子 ＡＯ Ｄ 占总 ＡＯ Ｄ 的 比 例 ，进 而 反 演 得 到 了 细 粒 子 ＡＯ Ｄ ［ ２］ ４ 和谱分布 。 等 于 东 北 亚 的 数 据 聚 类 分 基 ｉ ｅ Ａ Ｅ Ｒ ＯＮ Ｅ Ｔ Ｘ 析结果 ，提出了一种反演气溶胶类型和 ＡＯ Ｄ 的算法 。 １ ． １ ． ２ 海洋上空气溶胶 由 于 水 体 在 近 红 外 波 段 的 强 吸 收 性 ，海 洋 近 似 为 黑 体 ， 因此利用近红外波段的强度信息和偏振信息可以反演得到海
［ ７， ８］
、卫 星 气 溶 胶 遥
］ ２ ３， １ ４］ ９ １ １ － 、中国大气气溶胶研究进展 ［ 等。 感研究进展 ［ ［５］ 从Ｔ ｒ ａ ｖ ｉ ｓ１ ９ ９ ２ 年基于 （ ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｎ ｓ ｃ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｏ ｌ ａ ｒ １ － ｇ ｇ ｐ
气溶胶参数与反演算法的流程和主要产品 。 ／ 本文将从 Ｐ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｐ Ａ Ｒ Ａ Ｓ Ｏ Ｌ，Ａ Ｐ Ｓ和 航 空 偏 振 相 机 、 地基偏振遥感平 台 三 个 方 面 综 述 大 气 气 溶 胶 偏 振 遥 感 近 ２ ０ ） 年（ 的 研 究 进 展 ，重 点 论 述 气 溶 胶 参 数 偏 振 反 演 １ ９ ９ ３ ０ １ ３ ２ － 算法 ，同时介绍 Ｄ Ｐ Ｃ和 Ａ Ｐ Ｓ等 未 来 星 载 偏 振 传 感 器 的 气 溶 胶研究新进展及新动向 ，在此 基 础 上 ，提 出 大 气 气 溶 胶 偏 振 遥感研究存在的问题及展望 ，以期对后续 大 气 气 溶 胶 偏 振 遥 感研究提供参考 。
的多角度偏振信息与模拟值之间的差异得到气溶胶参数反演 值 ，反演结果为 １ ８ ． ５ｋ ｍ×１ ８ ． ５ｋ ｍ 分辨率的 ＡＯ Ｄ（ ８ ６ ５ｎ ｍ） 和Ａ ｎ ｓ ｔ ｒ ｏ ｍ 指数 ，与 Ａ Ｅ Ｒ ＯＮ Ｅ Ｔ 数 据 对 比 发 现 ：反 演 的 结 ｇ 果 低估了 ＡＯ Ｄ 却高估了 Ａ ｎ ｓ ｔ ｒ ｏ ｍ 指数 ，并提出利用气溶胶 ｇ 指数来弥补以上不足 。
［３， ４ ４］ 。 洋上空 ＡＯ Ｄ４ ［５， ４ ６］ 研究指出仅利用多角度强度 Ｍ ｉ ｓ ｈ ｃ ｈ ｅ ｎ ｋ ｏ和 Ｔ ｒ ａ ｖ ｉ ｓ４ 信息反演不能 同 时 得 到 精 确 的 海 洋 上 空 ＡＯ Ｄ、气 溶 胶 粒 子
。
［７］ 以单峰谱分布模型 ，通过比较 ６ Ｄ ｅ ｕ ｚ é等 ２ ７ ０ 和８ ６ ５ｎ ｍ
／ １ Ｐ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｐ Ａ ＲＡ Ｓ Ｏ Ｌ 气溶胶研究进展
卫星遥感可以获取大面积的遥感数 据 ，已 成 为 气 溶 胶 研 究不可 替 代 的 有 效 手 段 。 法 国 国 家 空 间 研 究 中 心 研 究 的 Ｐ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ 是第一个可以获取偏振 光 观 测 的 星 载 对 地 探 测 器 。
第３ 第７期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ４卷 ， ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ａ ｎ ｄ Ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｅ ２ ０ １ ４ 年 ７ 月 Ｓ ｐ ｙ ｐ ｙ ｐ
ｏ ｌ ． ３ ４， Ｎ ｏ ． ７， １ ８ ７ ３ ８ ８ ０ Ｖ １ － ｐ ｐ ， Ｊ ｕ ｌ ２ ０ １ ４ ｙ
大气气溶胶偏振遥感研究进展
郭 红１，２，顾行发１＊ ，谢东海３，余 涛１，孟庆岩１
１．中国科学院遥感与数字地球研究所 ，遥感科学国家重点实验室 ，北京 １ ０ ０ １ ０ １ ０ ０ ０ ４ ９ ２．中国科学院大学 ，北京 １ ０ ０ ０ ４ ８ ３．首都师范大学 ，北京城市环境过程和数字模拟国家重点实验室培育基地 ，北京 １
１ ８ ７ ４
光谱学与光谱分析 第 ３ ４卷 的算法 ，反演结果表明 ：北 京 和 香 河 地 区 总 ＡＯ Ｄ与 Ａ Ｅ Ｒ Ｏ－ Ｅ Ｔ 产品的相关性 系 数 分 别 为 ０ ． ８ ０ ２ ５和０ ． ９ ２ ９ １，北 京 和 Ｎ 香河地区细粒子 ＡＯ Ｄ与 Ａ Ｅ Ｒ ＯＮ Ｅ Ｔ 产品的相关性系数分别
，修订日期 ： ０ １ ３ ９ ２ ０ １ ４ １ ３ ２ ２ ０ ２ ０ ０ － － － － 收稿日期 ：
） ） 计划 （ 和中国科学院战略性先导专项气溶胶时空分布遥感观测项目 （ 资助 ７ ３ ０ １ ０ Ｃ Ｂ ９ ５ ０ ８ ０ ０ Ｙ １ Ｙ ０ ２ ２ ０ ０ Ｘ Ｄ） ９ ２ 基金项目 ：国家 （ ： ９ ８ ２ 年生 ，中国科学院遥感与数字地球研究所助理研究员 ｅ ａ ｉ ｌ ｕ ｏ ｈ ｏ ｎ ｉ ｒ ｓ ａ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ １ －ｍ ＠ 作者简介 ：郭 红 ， ｇ ｇ ： ａ ｉ ｌ ｘ ｆ ｕ＠ ｉ ｒ ｓ ａ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ －ｍ ＊ 通讯联系人 ｅ ｇ
， 分析了偏振遥感观测大气气溶胶的 研 究 开 始 ， ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ Ｅ Ｏ Ｓ Ｐ） ｉ ／ 随着 Ｐ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ ＲＰ Ａ Ｒ Ａ Ｓ Ｏ Ｌ 等 偏 振 仪 器 的 应 用 ，偏 振 遥 感 在 国际上已成为一个快速发展的领域 ，并在 大 气 气 溶 胶 监 测 等 方面发挥了 重 要 的 作 用 ，取 得 了 一 系 列 研 究 成 果 。陈 洪 滨
］ ［ ０ ２ ２ ２ －
。百度文库
／ １ ． １ Ｐ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｐ Ａ Ｒ Ａ Ｓ Ｏ Ｌ 气溶胶参数反演算法研究 １ ． １ ． １ 陆地上空气溶胶 卫星遥感反演陆地上空 ＡＯ Ｄ 的难点是如何精确的去除 地表信号的影响 。由于大气散 射 辐 射 具 有 强 偏 振 特 性 ，而 大 多数陆地表面反射辐 射 具 有 弱 偏 振 特 性 且 其 时 空 变 化 较 小 ， 因此利 用 偏 振 信 息 可 以 有 效 地 将 大 气 和 地 表 的 贡 献 区 分 开
６］ １ ／ 等［ 总结了 Ｐ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｐ Ａ Ｒ Ａ Ｓ Ｏ Ｌ 探测大气气溶胶和 云 等 参
引 言
０ ～１ ０ ０μ ｍ 大气气溶胶一般 指 悬 浮 在 大 气 中 直 径 为 １ １］ 。气 溶 胶 通 过 散 射 与 吸 收 的微粒 ，是大气的重要组成成 分 ［
－３
７］ ８］ １ １ 、赵 云 升 等 ［ 数的研究成果 ；晏 磊 ［ 对偏振遥感的应用等 ［９］ 工作 进 行 了 总 结 ；Ｔ 介绍了 Ｐ ａ ｎ ｒ é等 １ Ａ Ｒ Ａ Ｓ Ｏ Ｌ 海 洋／陆 地
８ ２ 以双峰谱分布模型分析了同时反 演 地 表 Ｈ ａ ｓ ｅ ｋ ａ ｍ ｐ等 参数和气溶胶参数的能力 ，结 果 表 明 ：如 果 没 有 气 溶 胶 特 性 ［ ］
有效半径和复折射指数 ；利用多角度偏振 信 息 反 演 可 以 同 时 得到精确的海 洋 上 空 ＡＯ Ｄ、气 溶 胶 粒 子 有 效 半 径 和 复 折 射 指数 ；而同时利用多角度强度信息和偏振 信 息 能 够 使 反 演 过 程更少的依赖先验知识 ，并提高反演海洋上空 Ａ Ｏ Ｄ 的精度 。
／ 摘 要 Ｐ １ 是国际上第一个可以获取偏振光观测的星载对地探测器 ，随着 Ｐ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｐ Ａ Ｒ Ａ Ｓ Ｏ Ｌ等 － 偏振仪器的应用 ，偏振遥感在国际上已成为一 个 快 速 发 展 的 研 究 领 域 ，并 在 大 气 气 溶 胶 监 测 等 方 面 发 挥 了 ／ ） 和航空偏 重要的作用 ，取得了一 系 列 研 究 成 果 。从 Ｐ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｐ Ａ Ｒ Ａ Ｓ Ｏ Ｌ，Ａ Ｐ Ｓ（ ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｏ ｌ ｏ ｌ ａ ｒ ｉ ｍ ｅ ｔ ｒ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｐ ｙ 振相机 、地基偏振观测平台三个 方 面 综 述 了 大 气 气 溶 胶 偏 振 遥 感 近 ２ 的 研 究 进 展 ，重 点 介 ２ ０年（ ０ １ ３） １ ９ ９ ３ － ） ／ ／ 绍 ：（ １ Ｐ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｐ Ａ Ｒ Ａ Ｓ Ｏ Ｌ 陆地上空和海洋上 空 气 溶 胶 参 数 反 演 算 法 ； Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｐ Ａ Ｒ Ａ Ｓ Ｏ Ｌ 气溶胶光学 Ｐ 厚度 （ 产品精 度 验 证 、应 用 以 及 与 ＭＯ Ｏ Ｄ） Ｄ Ｉ Ｓ 等 卫 星 ＡＯ Ｄ 产 品 的 对 比 分 析 。（ Ｉ Ｃ Ｒ Ｏ Ｐ Ｏ Ｌ，Ｒ Ｓ Ｐ和 Ａ ２） Ｍ ； （ ， 陆地上空和海洋上空气溶胶参数 反 演 算 法 国 产 多 角 度 航 空 偏 振 相 机 Ａ Ｐ Ｓ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｏ ｌ ａ ｒ ｉ ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｃ ａ ｍ ｅ ｒ ａ ｄ ｐ ） 的气溶胶参数反演算法 。（ ２和 Ｃ Ｄ Ｐ Ｃ） ３ Ｃ Ｅ ３ １ ８ Ｅ ３ １ ８ Ｐ 的气溶胶 地 基 偏 振 反 演 算 法 。其 中 卫 星 、航 空 和 地 － －Ｄ 面气溶胶参数反演的结果包括总的 ＡＯ Ｄ、细粒子 ＡＯ Ｄ、粗粒子 ＡＯ Ｄ、粒子谱分布 、粒子形状 、复折射指数 、 单 次散射反射率 、散射相函数 、偏振相函数以及云顶 Ａ Ｏ Ｄ。在以上研究基础上 ，提出了大气气溶胶偏振遥感 研究存在的问题及展望 ，为大气气溶胶偏振遥感研究提供有价值的参考 。 关键词 气溶胶 ；偏振遥感 ；研究进展 ： ／ （ ） 中图分类号 ： Ｐ ０ ０ １ ０ ２ ３ ６ 文献标识码 ：Ａ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ５ ９ ３ ２ ０ １ ４ ７ ８ ７ ３ ８ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ － － － ｊ
［ １］ ４ 为０ 首先基于 Ｄ ． ５ ６ ０ ７和０ ． ６ ３ ６ ０。 Ｗ ａ ｎ Ｄ Ｖ（ ｄ ａ ｒ ｋ ｇ等 ） ； 方法 反 演 气 溶 胶 总 的 光 学 厚 度 再 通 过 对 ｄ ｅ ｎ ｓ ｅ ｖ ｅ ｅ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ
Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ｐ １和 Ｐ ２ 有 ９ 个 波 段 ，其 中 偏 振 波 段 为 － － ｍ×７ｋ ｍ，对 地 面 ４ ３， ６ ７ ０和８ ６ ５ｎ ｍ，星 下 点 分 辨 率 为 ６ｋ ４ 同一像元最多有 １ ４ 个方向的采样 。由于 ４ ４ ３ｎ ｍ 受分子散射 影响大 ，因 此 Ｐ Ｏ Ｌ Ｄ Ｅ Ｒ Ａ Ｒ Ａ Ｓ Ｏ Ｌ 将原来４ ４ ３ ｎ ｍ 的偏 ３即 Ｐ － 振通道改为 ４ ９ ０ｎ ｍ