基于DPC的中国部分区域陆地气溶胶光学厚度反演

提汝芳,黄红莲,刘晓,樊依哲,2,王佳佳,2,孙晓兵,洪津,2

(1中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室,安徽 合肥 230031;2中国科学技术大学,安徽 合肥,230026)

0 引言

大气气溶胶直接或间接地影响辐射收支,间接影响云的形成以及降水,是全球气候变化的重要影响因素之一[1]。随着经济的快速发展,人为产生的各种大气污染物部分以气溶胶形式存在,是空气质量严重下降的因素之一。大气气溶胶是遥感定量化的重要影响因素。气溶胶来源复杂,且其含量的时空变化性比较大,对全球气溶胶特征及时空变化的不完全认知导致人们对气溶胶辐射强迫作用和全球气候变化的评估存在高度不确定性[2,3]。实时有效地监测大气气溶胶对于气候预测、人类生活质量提高及定量遥感应用能力提升具有重要作用。

地基观测由于受地表影响很小,可以获取更高精度的气溶胶参数,以及特定区域的长时序气溶胶信息。气溶胶随着大气运动,参与大气的物理和化学过程,具有不稳定性、垂直-水平分布的空间变化性和季节性,因此气溶胶监测需要覆盖全球范围并且连续进行。为满足全球范围、连续气溶胶观测需求,发展了卫星对地观测方式。气溶胶光学厚度(AOD)及其物理光学特征的反演是观测载荷如中分辨率成像光谱仪(MODIS)、多角度成像分光辐射仪(MISR)、地球反射率极化和多角度偏振成像仪(POLDER)[4,5]和大气气溶胶多角度偏振探测仪[6,7]的重要观测任务之一。

由于地表偏振信号比大气更弱且气溶胶尤其细模态气溶胶对偏振比较敏感,相比标量辐射反演方法,采用偏振反演气溶胶不易受地表影响,更具有优势。相关研究人员基于机载和星载的多角度偏振观测数据进行了大量的气溶胶反演算法研究。Deuz´e等[8]利用POLDER在轨观测数据反演了陆地上空的气溶胶光学特性,发现粗模态气溶胶粒子在可见光波段对偏振不敏感,因此对于粗模态粒子主导的气溶胶类型,只用偏振信息反演会引入误差。黄红莲等[9]基于机载偏振相机的试验数据,利用查找表算法进行了海洋上空气溶胶的反演。Hasekamp等[10]的研究结果表明联合多角度标量和偏振信息可以提高陆地气溶胶反演精度。

本文基于DPC过境中国地区的卫星数据,利用标量与偏振多角度大气层顶观测信息反演了大气气溶胶光学厚度,反演结果具有空间连续性,将2018年5月和6月气溶胶光学厚度反演结果与AERONET站点数据比较,相关性较好。研究结果对于利用DPC观测数据的气溶胶反演算法发展具有重要参考价值。

1 DPC仪器介绍

大气气溶胶多角度偏振探测仪于2018年5月搭载高分五号(GF-5)卫星发射,两天可覆盖全球区域。在卫星运行过程中,由于DPC采用广角镜头,具有宽视场观测能力,可以对同一个地面目标,在沿轨方向实现同一探测通道的多角度观测。在卫星的单个轨道期间,DPC在连续N次成像中,探测到了同一目标,即可以得到此目标的多个不同观测角度的辐射、偏振辐射信息,为获取更高精度的大气气溶胶产品反演提供可靠的卫星数据。DPC成像系统和多角度探测示意图如图1所示。

图1 DPC成像系统(a)及多角度探测示意图(b)Fig.1 Imaging system(a)and schematic diagram of multi angle detection(b)of DPC

GF-5卫星为太阳同步轨道,轨道高度约705 km,升交点地方时13:30,搭载的载荷DPC的主要技术参数如表1所示。DPC共有8个波段,其中490、670、865 nm为偏振通道,其他5个位非偏振通道。在沿轨方向视场角−50°～50°,至少可获取9个观测角度数据。星下点空间分辨率为3.29 km。

表1 DPC仪器主要技术参数Table 1 The main technical parameters of DPC

2 反演算法

2.1 基本原理

光是横波,即振动方向垂直于传播方向,具有偏振特性。太阳直射光为非偏振光,从大气层顶入射,经大气气溶胶和分子吸收、散射及地表反射作用后,变成部分偏振光。偏振光的表征方法有:琼斯矢量、Stokes矢量法和邦加球等。由于Stokes矢量的四个分量I、Q、U、V具有辐射强度单位且可以通过Mueller矩阵计算得到,通常采用Stokes矢量方法表征光的偏振态。自然界中存在的偏振分量V极少,可以忽略。到达卫星传感器的辐射量可以用归一化的表观反射率和表观偏振反射率表示为

式中:I为辐亮度,µs为太阳天顶角余弦,E为大气层顶的太阳辐照度,Rp为偏振反射率,Q、U为线偏振辐亮度分量。

卫星传感器在接收到的大气层顶上行的反射率和偏振反射率可以表示为

式中:R为反射率,λ为波长,θs为太阳天顶角,θv为传感器观测天顶角,φ为相对方位角,atm为大气的贡献,surf为地表贡献,Sλ为大气下界的半球反射率,分别为上行和下行传输透过率。可以通过上式将地表贡献和大气分子贡献扣除后,得到大气气溶胶对大气层顶的表观反射和偏振反射贡献,进而根据气溶胶反射率、偏振反射率和气溶胶光学厚度的对应关系,通过查找表方法获取气溶胶光学厚度值。

2.2 地表贡献估计

利用卫星数据进行大气气溶胶反演,地表反射贡献作为噪声,会影响大气参数的反演精度,因此反演过程中需要对地表对大气层顶上行的辐射贡献进行估算。

地表反射率采用MODIS地表产品MCD43C1 BRDF模型参数进行计算,与DPC数据进行时空匹配。MODIS地表BRDF为Ross-Li模型[11],用三个核来表征基本的散射类型:各项同性散射、水平方向均一叶冠的辐射传输体散射、来自具有投影阴影的三维目标场景的几何光学表面散射,可以表示为

式中:Kiso、Kvol、Kgeo分别是各项同性核、体散射核和几何光学核,驱动核是太阳-观测几何的函数,与波长无关,一般取Kiso=1;fiso、fvol、fgeo是对应的系数,是波长的函数。

地表偏振反射率采用含有两个参数的半经验模型Nadal-Bre´on地表BPDF模型[12]计算,其计算公式为

式中:ρ和β是可调节的经验系数,αI是相位角的一半,由地表类型(International geoshpere-biosphere project,IGBP)和归一化植被指数(Nomailized difference vegetation index,NDVI)来共同确定。

2.3 气溶胶查找表构建

大气气溶胶对太阳光的吸收散射作用由其理化特性决定。基于辐射传输理论,利用气溶胶的尺度分布、复折射率、光学厚度等参数可以模拟计算大气气溶胶与太阳辐射的相互作用。双峰对数正态谱分布能够更好地模拟实际大气气溶胶的分布,表示为

式中:V表示体积浓度,其下标f和c分别表示细模态和粗模态;σ表示几何标准差;rf和rc分别表示细模态和粗模态下的几何均值半径。

大气气溶胶光学厚度反演中气溶胶的模式根据先验知识进行假设。采用6类东亚地区气溶胶类型[13],利用6SV矢量辐射传输软件,构建了气溶胶光学性质查找表。设定不同卫星观测几何条件、太阳观测几何条件、不同的大气气溶胶参数和波段,查找表参数设置如表2所示。

表2 气溶胶查找表参数设置Table 2 Parameters of aerosol LUT

2.4 反演过程

在扣除大气分子和地表的贡献后,用最佳匹配的方法得到气溶胶模式。利用基于最小二乘法的查找表方法进行DPC大气气溶胶参数的反演。具体反演过程如下:

1)读取DPC L1级无云像元数据,提取观测几何条件、辐射、偏振信息、经纬度信息、海陆标识,计算传感器接收到多波段多角度表观反射率和偏振反射率。

2)按照太阳天顶角、观测天顶角和相对方位角,在查找表中进行搜索查找计算,对观测几何最相近的查找结果进行插值,得到不同气溶胶模式下的大气气溶胶反射贡献,获取实际观测几何条件下的不同气溶胶模型和气溶胶光学厚度下的大气反射贡献模拟计算值。

3)根据像元经纬度信息获取像元地表分类和BRDF参数,按照式(5)和(6),分别计算对应观测几何下的地表反射率和偏振反射率。将地表对大气层顶的反射率和偏振反射贡献从实际测量值中扣除。

4)根据Rayleigh散射理论,计算大气分子的反射率和偏振反射率,并实际测量值中扣除。得到实际测量的大气气溶胶反射率和偏振反射率。

5)利用式(8)计算大气气溶胶反射率和偏振反射率实测值与模拟的最小残差,得到最优气溶胶模式及气溶胶总光学厚度。

6)比较N个不同偏振通道在M个角度的偏振辐亮度和预先计算的偏振相函数和单次散射反照率求取光学厚度。对每个基本气溶胶模式,这个光学厚度的有N×M个,反演的气溶胶模式将是残差最小的值,对应的气溶胶光学厚度即为反演值。残差计算公式为

式中:λ为波长,上标meas是实际测量得到的偏振反射率,上标cal是模拟计算得到的偏振反射率,像元的有效偏振通道有N个,有效观测角度M个,wp与wR分别为偏振反射率残差和反射率残差的权重。

3 反演结果与分析

基于GF-5 DPC载荷在2018年10月2日过境中国部分区域的晴空数据,利用上述方法反演了大气气溶胶光学厚度,如图2所示。从图中可以看出,气溶胶光学厚度反演结果空间分布具有连续性。相比其他地区,鲁豫交界处、珠三角、长三角上海苏南地区和台湾西部地区的气溶胶光学厚度值比较高。珠三角、长三角地区经济比较发达,人口密度比较大,大气污染严重,是气溶胶光学厚度值偏高的主要原因[14]。山东西部和河南东部位于华北平原,周围的主要山脉有山东中部的泰沂山脉,河南西部的嵩山、秦岭、伏牛山及南部的大别山,受地形影响,大气污染物不易扩散,且秋季秸秆燃烧等活动增多,导致气溶胶光学厚度值偏高[15]。台湾东部为山脉,台湾西部为平原,人口密度大,人为活动多,且受地形影响,气溶胶光学厚度值较高。

图2 2018年10月2日DPC在轨观测数据真彩图及气溶胶光学厚度(550 nm)反演结果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过境中国区域的数据进行了气溶胶光学厚度的反演,并与中国地区的AERONET站点同时相的观测数据进行了比较与分析,站点分布如表3所示。气溶胶光学厚度反演结果如图3所示。

表3 中国地区AERONET数据验证站点Table 3 AERONET validation site in China

图3 2018年5月(a)和6月(b)DPC过境中国地区气溶胶光学厚度反演结果与AERONET站点观测数据比较Fig.3 Comparison of aerosol optical depth retrieved over China by DPC with AERONET data in May(a)and June(b)2018

AERONET站点的气溶胶光学厚度值观测波段为675 nm,利用Angstrom指数,推算出与DPC相同波段670 nm的气溶胶光学厚度值,作为DPC气溶胶光学厚度反演结果的验证数据。基于DPC 2018年5月期间的数据,对比了与AERONET站点同时相的62个有效数据点,DPC气溶胶光学厚度反演结果与AERONET站点测量数据相关性为0.84,线性拟合直线斜率为0.91,截距为0.032。基于DPC 2018年6月期间的数据,与AERONET站点同时相的22个有效数据点,DPC气溶胶光学厚度反演结果与AERONET站点测量数据相关性为0.86,线性拟合直线斜率为0.84,截距为0.033。分析结果表明,文中算法的反演结果与AEROENT站点具有较好的一致性。

4 结论

针对GF-5大气气溶胶多角度偏振探测仪的在轨观测数据特征,利用多波段多角度的标量和偏振信息,基于查找表方法反演了2018年10月2号过境中国区域的气溶胶光学厚度,空间分布具有较好的连续性。基于2018年5月和6月期间的DPC观测数据反演了气溶胶光学厚度,与AEONET地面气溶胶观测网中国地区的站点具有较好的一致性。研究成果为DPC有效监测气溶胶光学厚度时空分布变化提供了可靠的算法支持。