提汝芳,黃紅蓮,劉曉,樊依哲,2,王佳佳,2,孫曉兵,洪津,2

(1中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所,中國科學院通用光學定標與表征技術重點實驗室,安徽 合肥 230031;2中國科學技術大學,安徽 合肥,230026)

0 引言

大氣氣溶膠直接或間接地影響輻射收支,間接影響云的形成以及降水,是全球氣候變化的重要影響因素之一[1]。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,人為產(chǎn)生的各種大氣污染物部分以氣溶膠形式存在,是空氣質量嚴重下降的因素之一。大氣氣溶膠是遙感定量化的重要影響因素。氣溶膠來源復雜,且其含量的時空變化性比較大,對全球氣溶膠特征及時空變化的不完全認知導致人們對氣溶膠輻射強迫作用和全球氣候變化的評估存在高度不確定性[2,3]。實時有效地監(jiān)測大氣氣溶膠對于氣候預測、人類生活質量提高及定量遙感應用能力提升具有重要作用。

地基觀測由于受地表影響很小,可以獲取更高精度的氣溶膠參數(shù),以及特定區(qū)域的長時序氣溶膠信息。氣溶膠隨著大氣運動,參與大氣的物理和化學過程,具有不穩(wěn)定性、垂直-水平分布的空間變化性和季節(jié)性,因此氣溶膠監(jiān)測需要覆蓋全球范圍并且連續(xù)進行。為滿足全球范圍、連續(xù)氣溶膠觀測需求,發(fā)展了衛(wèi)星對地觀測方式。氣溶膠光學厚度(AOD)及其物理光學特征的反演是觀測載荷如中分辨率成像光譜儀(MODIS)、多角度成像分光輻射儀(MISR)、地球反射率極化和多角度偏振成像儀(POLDER)[4,5]和大氣氣溶膠多角度偏振探測儀[6,7]的重要觀測任務之一。

由于地表偏振信號比大氣更弱且氣溶膠尤其細模態(tài)氣溶膠對偏振比較敏感,相比標量輻射反演方法,采用偏振反演氣溶膠不易受地表影響,更具有優(yōu)勢。相關研究人員基于機載和星載的多角度偏振觀測數(shù)據(jù)進行了大量的氣溶膠反演算法研究。Deuz′e等[8]利用POLDER在軌觀測數(shù)據(jù)反演了陸地上空的氣溶膠光學特性,發(fā)現(xiàn)粗模態(tài)氣溶膠粒子在可見光波段對偏振不敏感,因此對于粗模態(tài)粒子主導的氣溶膠類型,只用偏振信息反演會引入誤差。黃紅蓮等[9]基于機載偏振相機的試驗數(shù)據(jù),利用查找表算法進行了海洋上空氣溶膠的反演。Hasekamp等[10]的研究結果表明聯(lián)合多角度標量和偏振信息可以提高陸地氣溶膠反演精度。

本文基于DPC過境中國地區(qū)的衛(wèi)星數(shù)據(jù),利用標量與偏振多角度大氣層頂觀測信息反演了大氣氣溶膠光學厚度,反演結果具有空間連續(xù)性,將2018年5月和6月氣溶膠光學厚度反演結果與AERONET站點數(shù)據(jù)比較,相關性較好。研究結果對于利用DPC觀測數(shù)據(jù)的氣溶膠反演算法發(fā)展具有重要參考價值。

1 DPC儀器介紹

大氣氣溶膠多角度偏振探測儀于2018年5月搭載高分五號(GF-5)衛(wèi)星發(fā)射,兩天可覆蓋全球區(qū)域。在衛(wèi)星運行過程中,由于DPC采用廣角鏡頭,具有寬視場觀測能力,可以對同一個地面目標,在沿軌方向實現(xiàn)同一探測通道的多角度觀測。在衛(wèi)星的單個軌道期間,DPC在連續(xù)N次成像中,探測到了同一目標,即可以得到此目標的多個不同觀測角度的輻射、偏振輻射信息,為獲取更高精度的大氣氣溶膠產(chǎn)品反演提供可靠的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。DPC成像系統(tǒng)和多角度探測示意圖如圖1所示。

圖1 DPC成像系統(tǒng)(a)及多角度探測示意圖(b)Fig.1 Imaging system(a)and schematic diagram of multi angle detection(b)of DPC

GF-5衛(wèi)星為太陽同步軌道,軌道高度約705 km,升交點地方時13:30,搭載的載荷DPC的主要技術參數(shù)如表1所示。DPC共有8個波段,其中490、670、865 nm為偏振通道,其他5個位非偏振通道。在沿軌方向視場角?50°～50°,至少可獲取9個觀測角度數(shù)據(jù)。星下點空間分辨率為3.29 km。

表1 DPC儀器主要技術參數(shù)Table 1 The main technical parameters of DPC

2 反演算法

2.1 基本原理

光是橫波,即振動方向垂直于傳播方向,具有偏振特性。太陽直射光為非偏振光,從大氣層頂入射,經(jīng)大氣氣溶膠和分子吸收、散射及地表反射作用后,變成部分偏振光。偏振光的表征方法有:瓊斯矢量、Stokes矢量法和邦加球等。由于Stokes矢量的四個分量I、Q、U、V具有輻射強度單位且可以通過Mueller矩陣計算得到,通常采用Stokes矢量方法表征光的偏振態(tài)。自然界中存在的偏振分量V極少,可以忽略。到達衛(wèi)星傳感器的輻射量可以用歸一化的表觀反射率和表觀偏振反射率表示為

式中:I為輻亮度,μs為太陽天頂角余弦,E為大氣層頂?shù)奶栞椪斩?Rp為偏振反射率,Q、U為線偏振輻亮度分量。

衛(wèi)星傳感器在接收到的大氣層頂上行的反射率和偏振反射率可以表示為

式中:R為反射率,λ為波長,θs為太陽天頂角,θv為傳感器觀測天頂角,φ為相對方位角,atm為大氣的貢獻,surf為地表貢獻,Sλ為大氣下界的半球反射率,分別為上行和下行傳輸透過率?？梢酝ㄟ^上式將地表貢獻和大氣分子貢獻扣除后,得到大氣氣溶膠對大氣層頂?shù)谋碛^反射和偏振反射貢獻,進而根據(jù)氣溶膠反射率、偏振反射率和氣溶膠光學厚度的對應關系,通過查找表方法獲取氣溶膠光學厚度值。

2.2 地表貢獻估計

利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行大氣氣溶膠反演,地表反射貢獻作為噪聲,會影響大氣參數(shù)的反演精度,因此反演過程中需要對地表對大氣層頂上行的輻射貢獻進行估算。

地表反射率采用MODIS地表產(chǎn)品MCD43C1 BRDF模型參數(shù)進行計算,與DPC數(shù)據(jù)進行時空匹配。MODIS地表BRDF為Ross-Li模型[11],用三個核來表征基本的散射類型:各項同性散射、水平方向均一葉冠的輻射傳輸體散射、來自具有投影陰影的三維目標場景的幾何光學表面散射,可以表示為

式中:Kiso、Kvol、Kgeo分別是各項同性核、體散射核和幾何光學核,驅動核是太陽-觀測幾何的函數(shù),與波長無關,一般取Kiso=1;fiso、fvol、fgeo是對應的系數(shù),是波長的函數(shù)。

地表偏振反射率采用含有兩個參數(shù)的半經(jīng)驗模型Nadal-Bre′on地表BPDF模型[12]計算,其計算公式為

式中:ρ和β是可調(diào)節(jié)的經(jīng)驗系數(shù),αI是相位角的一半,由地表類型(International geoshpere-biosphere project,IGBP)和歸一化植被指數(shù)(Nomailized difference vegetation index,NDVI)來共同確定。

2.3 氣溶膠查找表構建

大氣氣溶膠對太陽光的吸收散射作用由其理化特性決定。基于輻射傳輸理論,利用氣溶膠的尺度分布、復折射率、光學厚度等參數(shù)可以模擬計算大氣氣溶膠與太陽輻射的相互作用。雙峰對數(shù)正態(tài)譜分布能夠更好地模擬實際大氣氣溶膠的分布,表示為

式中:V表示體積濃度,其下標f和c分別表示細模態(tài)和粗模態(tài);σ表示幾何標準差;rf和rc分別表示細模態(tài)和粗模態(tài)下的幾何均值半徑。

大氣氣溶膠光學厚度反演中氣溶膠的模式根據(jù)先驗知識進行假設。采用6類東亞地區(qū)氣溶膠類型[13],利用6SV矢量輻射傳輸軟件,構建了氣溶膠光學性質查找表。設定不同衛(wèi)星觀測幾何條件、太陽觀測幾何條件、不同的大氣氣溶膠參數(shù)和波段,查找表參數(shù)設置如表2所示。

表2 氣溶膠查找表參數(shù)設置Table 2 Parameters of aerosol LUT

2.4 反演過程

在扣除大氣分子和地表的貢獻后,用最佳匹配的方法得到氣溶膠模式。利用基于最小二乘法的查找表方法進行DPC大氣氣溶膠參數(shù)的反演。具體反演過程如下:

1)讀取DPC L1級無云像元數(shù)據(jù),提取觀測幾何條件、輻射、偏振信息、經(jīng)緯度信息、海陸標識,計算傳感器接收到多波段多角度表觀反射率和偏振反射率。

2)按照太陽天頂角、觀測天頂角和相對方位角,在查找表中進行搜索查找計算,對觀測幾何最相近的查找結果進行插值,得到不同氣溶膠模式下的大氣氣溶膠反射貢獻,獲取實際觀測幾何條件下的不同氣溶膠模型和氣溶膠光學厚度下的大氣反射貢獻模擬計算值。

3)根據(jù)像元經(jīng)緯度信息獲取像元地表分類和BRDF參數(shù),按照式(5)和(6),分別計算對應觀測幾何下的地表反射率和偏振反射率。將地表對大氣層頂?shù)姆瓷渎屎推穹瓷湄暙I從實際測量值中扣除。

4)根據(jù)Rayleigh散射理論,計算大氣分子的反射率和偏振反射率,并實際測量值中扣除。得到實際測量的大氣氣溶膠反射率和偏振反射率。

5)利用式(8)計算大氣氣溶膠反射率和偏振反射率實測值與模擬的最小殘差,得到最優(yōu)氣溶膠模式及氣溶膠總光學厚度。

6)比較N個不同偏振通道在M個角度的偏振輻亮度和預先計算的偏振相函數(shù)和單次散射反照率求取光學厚度。對每個基本氣溶膠模式,這個光學厚度的有N×M個,反演的氣溶膠模式將是殘差最小的值,對應的氣溶膠光學厚度即為反演值。殘差計算公式為

式中:λ為波長,上標meas是實際測量得到的偏振反射率,上標cal是模擬計算得到的偏振反射率,像元的有效偏振通道有N個,有效觀測角度M個,wp與wR分別為偏振反射率殘差和反射率殘差的權重。

3 反演結果與分析

基于GF-5 DPC載荷在2018年10月2日過境中國部分區(qū)域的晴空數(shù)據(jù),利用上述方法反演了大氣氣溶膠光學厚度,如圖2所示。從圖中可以看出,氣溶膠光學厚度反演結果空間分布具有連續(xù)性。相比其他地區(qū),魯豫交界處、珠三角、長三角上海蘇南地區(qū)和臺灣西部地區(qū)的氣溶膠光學厚度值比較高。珠三角、長三角地區(qū)經(jīng)濟比較發(fā)達,人口密度比較大,大氣污染嚴重,是氣溶膠光學厚度值偏高的主要原因[14]。山東西部和河南東部位于華北平原,周圍的主要山脈有山東中部的泰沂山脈,河南西部的嵩山、秦嶺、伏牛山及南部的大別山,受地形影響,大氣污染物不易擴散,且秋季秸稈燃燒等活動增多,導致氣溶膠光學厚度值偏高[15]。臺灣東部為山脈,臺灣西部為平原,人口密度大,人為活動多,且受地形影響,氣溶膠光學厚度值較高。

圖2 2018年10月2日DPC在軌觀測數(shù)據(jù)真彩圖及氣溶膠光學厚度(550 nm)反演結果Fig.2 The true color image and aerosol optical thickness retrieval result(550 nm)of DPC observation data on October 2,2018

基于2018年5月和6月份DPC過境中國區(qū)域的數(shù)據(jù)進行了氣溶膠光學厚度的反演,并與中國地區(qū)的AERONET站點同時相的觀測數(shù)據(jù)進行了比較與分析,站點分布如表3所示。氣溶膠光學厚度反演結果如圖3所示。

表3 中國地區(qū)AERONET數(shù)據(jù)驗證站點Table 3 AERONET validation site in China

圖3 2018年5月(a)和6月(b)DPC過境中國地區(qū)氣溶膠光學厚度反演結果與AERONET站點觀測數(shù)據(jù)比較Fig.3 Comparison of aerosol optical depth retrieved over China by DPC with AERONET data in May(a)and June(b)2018

AERONET站點的氣溶膠光學厚度值觀測波段為675 nm,利用Angstrom指數(shù),推算出與DPC相同波段670 nm的氣溶膠光學厚度值,作為DPC氣溶膠光學厚度反演結果的驗證數(shù)據(jù)。基于DPC 2018年5月期間的數(shù)據(jù),對比了與AERONET站點同時相的62個有效數(shù)據(jù)點,DPC氣溶膠光學厚度反演結果與AERONET站點測量數(shù)據(jù)相關性為0.84,線性擬合直線斜率為0.91,截距為0.032?；贒PC 2018年6月期間的數(shù)據(jù),與AERONET站點同時相的22個有效數(shù)據(jù)點,DPC氣溶膠光學厚度反演結果與AERONET站點測量數(shù)據(jù)相關性為0.86,線性擬合直線斜率為0.84,截距為0.033。分析結果表明,文中算法的反演結果與AEROENT站點具有較好的一致性。

4 結論

針對GF-5大氣氣溶膠多角度偏振探測儀的在軌觀測數(shù)據(jù)特征,利用多波段多角度的標量和偏振信息,基于查找表方法反演了2018年10月2號過境中國區(qū)域的氣溶膠光學厚度,空間分布具有較好的連續(xù)性?；?018年5月和6月期間的DPC觀測數(shù)據(jù)反演了氣溶膠光學厚度,與AEONET地面氣溶膠觀測網(wǎng)中國地區(qū)的站點具有較好的一致性。研究成果為DPC有效監(jiān)測氣溶膠光學厚度時空分布變化提供了可靠的算法支持。