青藏高原典型沙地地表反射率光谱特征与星地验证

测量地表反射率对研究地物光谱特征以及卫星地表产品检验具有重要意义。利用地物光谱仪获得青藏高原阿里地区的沙地地表反射率,并研究分析其典型光谱特征。针对Terra和Aqua卫星的中分辨率成像光谱仪(MODIS)的地表反射率产品(MOD09/MYD09)和地表反照率产品(MCD43 A4)开展真实性检验和误差影响分析。结果表明,阿里地区戈壁具有典型沙地光谱特征,各波段的地表反射率数值在0.08~0.35之间,在300~700 nm光谱范围的地表反射率随波长增大而增加,而在750~1750 nm光谱范围的地表反射率变化较小。与我国敦煌辐射校正场的沙地反射率相比,光谱曲线相似度很高,光谱夹角为2.18°。星地对比的结果受观测几何和大气光照条件的影响,下午星Aqua产品验证效果优于上午星Terra,平均误差约为5%,这与MODIS官方标称的精度相一致。研究表明,阿里地区沙地的光谱特征稳定且有代表性,是我国光学卫星在轨辐射定标和检验的理想场地。

卫星近红外偏振通道反演气溶胶光学厚度的气溶胶模型影响

卫星偏振测量是气溶胶遥感的一种重要手段.气溶胶模型的准确性是影响卫星遥感气溶胶参数精度的关键因素之一.在卫星反演气溶胶算法中,若忽略气溶胶粗模态贡献（星载偏振传感器气溶胶反演的一种常用假设）或选错气溶胶类型,均会带来反演结果的误差.基于六种典型的气溶胶类型（沙尘型、生物质燃烧型、乡村背景型、污染大陆型、污染海洋型和重污染型）模型,模拟研究了气溶胶模态和类型选择对卫星近红外偏振通道反演气溶胶光学厚度（AOD）的影响.利用矢量的辐射传输模式,模拟分析了六种气溶胶类型在865 nm波长的大气偏振反射分布函数（BPDF）;发现大气BPDF与气溶胶粒子尺度密切相关,粗模态对大气BPDF的贡献远小于细模态;粗、细模态同时存在时,大气BPDF反而小于仅细模态时的BPDF.在此基础上,分析了“忽略粗模态贡献”和“选择错误气溶胶类型”两种情况下AOD的反演误差,得到如下结论：（1）忽略气溶胶粗模态贡献,会导致反演的细模态气溶胶光学厚度（AODf）偏小.六种典型气溶胶类型模型情况下,AODf反演结果可偏低12.3%～35.7%,其中沙尘型气溶胶时AODf反演误差最大,污染大陆型气溶胶时AODf反演误差最小.（2）若气溶胶类型选择错误,反演的AOD可能偏大或偏小,取决于与气溶胶类型对应的大气BPDF的差别.测试的六种气溶胶类型中,沙尘型与重污染型的大气BPDF差别最大,二者互换（即“选择错误”）时,AOD反演误差最大,分别可达220.3%或-60.6%;乡村背景型与污染大陆型的大气BPDF差别最小,两者互换时,AOD反演误差最小,分别为7.1%和-3.0%.研究结果对于发展新一代星载偏振传感器及其气溶胶反演算法研究具有参考价值.

合肥地区气溶胶光学特性的地基观测研究

利用自主研制的DTF-5型太阳辐射计观测舍肥地区2008年10月～2010年5月的太阳直接辐射消光，反演合肥地区气溶胶光学厚度、Angstrom参数和沙尘天气过程中的粒子谱分布，并对结果进行分析。结果表明：合肥地区气溶胶光学厚度季节变化除气候因素外，受人为因素影响明显，季节变化规律复杂。总体上秋季较小，冬春季节持续增大，夏季较平稳。而Angstrom参数与气溶胶光学厚度大致呈反相关，秋冬上升，春季骤降．夏季平稳值较大。气溶胶光学厚度日变化大致可分为4种类型：日变化相对稳定；整体呈上升趋势；整体呈下降趋势；一日内出现一到多个峰值。其中第四种类型出现几率最大。沙尘天气过程中，气溶胶光学厚度和Angstrom参数分别呈现出“谷-峰-谷”、“峰-谷-峰”的变化规律，其中Angstrom参数在沙尘影响严重时甚至出现负值。半径为0．2～1．0μm的大粒子和大于1．0μm的巨粒子浓度在沙尘天气过程中大幅增加。

便携式全自动太阳光度计的研制及其应用

研制了一种基于VB平台可实时测量监控的可视化多波长便携式全自动太阳光度计DTF-6,可实现瞬时太阳辐照度、整层大气气溶胶光学厚度和可降水量的实时测量与显示,具有电机运转、太阳跟踪、加热温度等强大的在线检测功能。该仪器是在自行研制的第三第四代太阳光度计的基础上进行的改进,仪器更方便使用、更适应恶劣环境、更小型化和具有更高的性能价格比。通过对实测结果的分析和比较,该仪器令人满意,并给出仪器标定结果,同时对其应用进行了阐述。

气溶胶垂直非均一分布对天空背景亮度的影响

对白天天空背景亮度进行了数值实验;模拟了不同标高下的气溶胶垂直分布对天空背景亮度的影响;比较了不同垂直分层和整层均匀气溶胶分布下,天空背景亮度的相对偏差,并分析了天空背景亮度对地表反射率的敏感性。结果表明:给定气溶胶光学厚度下,不同标高的垂直分布得到的天空背景亮度差别很大;天空背景亮度对地表反射率和气溶胶总光学厚度都比较敏感,敏感程度受太阳-观测几何的影响。

DTF型太阳光度计测量大气光学参数的对比验证及误差分析

DTF型系列太阳光度计在合肥地区测量大气气溶胶光学厚度(AOT)和可降水量(PWV),并与其它测量仪器进行对比验证,各仪器之间测量结果日变化趋势具有很好的一致性。对比分析结果显示:太阳光度计之间测量气溶胶光学厚度和可降水量的均方根误差都在8%以内;太阳光度计测量的可降水量与微波辐射计测量的水汽含量进行对比,均方根误差约5%。通过对比验证和误差分析,DTF型太阳光度计测量AOT和PWV具有较高的可靠性。

陆地生态系统碳监测卫星多角度偏振成像仪细粒子气溶胶反演

细粒子气溶胶光学厚度是大气环境监测、气候变化评估所需的关键参数。对2022年8月发射的陆地生态系统碳监测卫星(CM-1)上搭载的多角度偏振成像仪(DPC)进行了较为系统的介绍。DPC/CM-1的主要改进是星下点空间分辨率从3.3 km提升到2.4 km。针对DPC/CM-1载荷及数据特点,发展了基于偏振与光谱特征和空间纹理特征的云检测方法,同时耦合了多角度信息实现较严格的云像元判识。该方法对于沙漠、植被、丘陵,以及海表耀光及非耀光区域等不同下垫面,均有较好的检测效果。发展了基于改进气溶胶模型的细粒子气溶胶光学厚度(FAOD)反演算法,利用全球地基气溶胶观测网(AERONET)数据对FAOD反演结果进行了验证,拟合直线斜率达到0.95以上,且有接近73%的数据分布于期望误差以内,说明了反演算法的可靠性。FAOD反演结果清晰显示出全球FAOD空间分布特征,其中,印度、非洲中部等地区受人口分布、工/农业排放、生物质燃烧等影响,FAOD高值达到0.7~0.9。DPC/CM-1在轨测试期间的初步反演结果表明其在大气环境监测、污染传输分析等方面的潜力,能够提供更精细尺度的大气参数反演结果。

霾天气气溶胶谱分布特征分析

霾天气是一种常见的天气现象,它严重影响大气能见度和大气光传输。为了研究霾气溶胶的特性,利用粒子计数器对不同地区霾天气气溶胶实际测量结果使用Junge谱和对数正态谱对霾气溶胶粒子谱进行拟合,得到不同地区霾气溶胶粒子谱分布的特征,最后还分析了霾天气过程中气溶胶粒子大小随相对湿度的变化规律。

基于地基微波辐射计的大气参数廓线遥感探测

介绍了实时连续遥感探测大气温度廓线、湿度廓线和液态水含量廓线的地基微波辐射计.通过无线电气球探空测量的温度、湿度廓线、太阳辐射计测量的晴天水汽总量与微波辐射计探测结果的对比,证明该微波辐射计可以可靠地探测大气温度、湿度和水汽总量。通过对两个典型天气事件微波辐射计的观测数据分析表明:微波辐射计还可以监测云和天气变化的过程信息。

太阳光度计校正系数对气溶胶光学厚度测量误差的影响(英文)

分析了太阳光度计测量大气气溶胶光学厚度时,由于校正系数的不确定性而产生的误差。利用推导的误差分析公式,模拟了校正系数在不同相对误差的情况下导致的气溶胶光学厚度的绝对误差;模拟结果显示,校正系数的相对误差小于+2%时可以满足气溶胶光学厚度的测量精度。

高分五号02星多角度偏振成像仪在轨辐射性能初步评价

2021年9月我国成功发射的高分五号02星[GF-5(02)]上搭载有多角度偏振成像仪(DPC)和高精度偏振扫描仪(POSP),组成了“偏振交火”观测方案。为评价GF-5(02)卫星DPC传感器的在轨辐射性能,基于2022年1月DPC和POSP观测数据,采用海洋瑞利散射和“偏振交火”交叉定标两种方法,实现了DPC在轨绝对辐射定标和视场内相对辐射一致性检验。结果表明,DPC/GF-5(02)在轨后的绝对辐射和相对辐射响应较发射前的实验室定标结果均未发生明显改变,在轨前后各波段绝对辐射系数差异均小于5.3%,视场内相对辐射响应变化均小于2%。其中,443nm波段瑞利散射和“偏振交火”交叉两种方法获得的绝对辐射定标系数一致性较高,偏差约为2%;而490nm和670nm波段两方法定标结果偏差较大,偏差分别为7.4%和7.7%。整体上,DPC/GF-5(02)在轨后的辐射稳定性优于DPC/GF-5。

紫外多角度偏振探测气溶胶层高的信息量分析初步研究

为探究多角度偏振在紫外波段对气溶胶层高(ALH)的探测能力,在不同的观测几何、气溶胶和地表类型等条件下系统评估了多角度偏振在紫外波段的ALH反演信息量。基于最优估计理论和信息量分析方法,分析了紫外波段365 nm和388 nm两个通道模拟仿真数据对ALH的灵敏度,并进一步讨论了不同观测组合对ALH信息量和后验误差的影响。研究结果表明:(1)多角度偏振观测可有效提高ALH反演的信息量。(2)多角度卫星观测信息量随观测角度个数的增加显著提升,当反演中使用的角度数增加到5个时,ALH的信号自由度(DFS)提升了0.4以上。(3)添加388 nm波段偏振观测或365 nm波段强度观测这两种方案均能提升ALH的DFS。但相对而言,偏振观测方案受气溶胶模型误差影响更小,能更好地提升ALH反演的信息量,尤其是改善了低气溶胶光学厚度(AOD)条件下的ALH反演。

中国区临近空间太阳辐射环境研究

临近空间（20~50km）航空活动是全世界航空大国竞相研究的热点。太阳辐射环境研究是开展该高度层航空活动的必要前提,然而临近空间辐射观测资料空白对其开发利用造成了障碍。臭氧是影响高空辐射环境的关键因子,基于欧洲中尺度预报中心再分析资料对中国区临近空间臭氧的空间分布、季节变化特征进行了分析,发现其时空分布及演变具备区域性特点,同时根据平流层大气数据及地表特征等将中国临近空间划分为5个区域,确定不同区域关键参数值,利用SBDART辐射传输模型对临近空间全波段太阳辐射及紫外辐射分别进行模拟。模拟结果显示受纬度、臭氧总量、垂直分布等影响,辐射值变化规律较为复杂。全波段太阳辐射年均和逐月值随纬度降低而增大,年较差则相反;大气的吸收作用与纬度、海陆差异有关,表现出不同的强度和季节变化特征;在紫外波段,南海上空辐射最强,年较差小,月较差很小且夏强冬弱,其他区域辐射值夏强冬弱,月较差呈双峰特征,春秋强,冬夏弱;大气的吸收作用受多因子影响,除南海外,各区域夏季辐射垂向差异更大;大气吸收引起的月较差垂向变化均表现为6、7月高低空月振幅一致,其它月份辐射值在高层月较差更大。

GF-5卫星多角度偏振成像仪在轨偏振定标

2018年5月,我国成功发射了高分5号卫星,其上搭载了多角度偏振成像仪。卫星载荷受发射时的振动、在轨空间环境变化以及元器件电路系统老化等因素的影响,各种辐射特性发生变化,从而导致整个载荷辐射性能与在轨前的实验室定标结果之间存在一定偏差。基于海洋耀光对高分5号卫星多角度偏振成像仪的偏振测量定标的方法,并利用在轨测试期间数据,对载荷进行了初步的偏振辐射定标测试。测试结果表明,3个偏振波段(490, 670, 865 nm)线偏振度测量值与理论值有很好的一致性,平均偏差分别约为-0.03、-0.04、-0.01,载荷发射前后偏振测量状态未发生明显改变。基于自然目标的在轨替代定标方法,还可用于多角度偏振成像仪偏振辐射性能随时间变化情况的长期监测。

光学遥感卫星大气校正研究综述

由于高分辨率遥感应用需求增加的牵引,国内外发射了越来越多的光学遥感卫星载荷.然而,随着传感器分辨率的增加,大气对地表信息干扰的问题也越来越突出,光学遥感图像的大气校正问题,因载荷特点和应用需求的改变面临着一些新的挑战,有必要对其进行总结和分析.本文在介绍大气校正现状和原理的基础上,按照光学遥感卫星大气校正输入信息来源不同,把大气校正方法归纳为基于图像和图形处理方法、基于辐射传输计算、基于图像自身信息反演大气参数、基于大气同步校正仪的大气校正4类进行介绍.最后,结合我国高分辨率光学卫星的发展方向,对当前的大气校正应用方案和未来发展进行了讨论和展望.

基于高分五号DPC氧气A吸收波段的云顶压强反演

云顶压强可用于估计云高,对气象观测和云特性研究等具有重要的作用。基于高分五号卫星搭载的多角度偏振探测仪(DPC)在氧气A吸收带设置的763 nm和765 nm两个波段进行了云顶压强反演方法的研究。首先,通过辐射传输模拟和多项式拟合得到了大气压强的计算公式,并对拟合公式进行了误差分析和校正。然后,分析了气溶胶、大气廓线等因素对云顶压强反演结果的影响,并进一步利用晴空地表对反演方法进行了稳定性测试和原理性验证。测试结果表明氧气A带方法稳定性较好,可以适用于不同天气状况和观测角度;验证结果表明DPC反演压强与DEM估算压强有很好的一致性,地表压强的平均偏差约为47.6 h Pa。最后,将DPC反演的云顶压强与MODIS云顶压强产品(MYD06)进行了对比,结果表明两颗卫星的云顶压强观测结果具有较好的空间一致性。

高分五号卫星多角度偏振成像仪细粒子气溶胶光学厚度遥感反演

细粒子气溶胶是大气污染关键成分,迫切需要发展大范围、高精度的细粒子气溶胶遥感监测技术。基于我国2018年5月发射的高分五号卫星上搭载的多角度偏振成像仪(DPC),开展了细粒子气溶胶光学厚度(AODf)遥感反演研究。介绍了偏振卫星反演AODf的主要原理和算法,基于2018年11月23日—30日的卫星数据反演获得了首幅高分辨率(3.3km)全球陆地上空AODf空间分布图,并利用太阳-天空辐射计数据进行了地面同步验证。反演结果显示:AODf空间分布与人为活动、生物质燃烧排放强度等因素相关,高值主要分布在印度、中国中东部及非洲中部等地区。与法国POLDER传感器AODf产品的长时间跨度对比显示,近年来中国地区细粒子气溶胶含量整体有所下降,并且DPC的高分辨率优势可有效支持区域污染精细管控、重点城市污染传输通道监测等环保业务的需求。

基于多角度多光谱Stokes参数Q和U测量反演气溶胶偏振相函数

偏振相函数是气溶胶重要的光学参数之一,它对气溶胶复折射指数、粒子尺度和形状都十分敏感。多角度多光谱偏振遥感可以有效获取气溶胶偏振相函数信息。新一代CIMEL太阳-天空偏振辐射计CE318-DP作为高精度地基气溶胶偏振遥感仪器已被引入全球气溶胶自动观测网AERONET(AErosol RObotic NETwork),并作为扩展多波长偏振测量的太阳-天空辐射计观测网SONET(Sun/sky-radiometer Observation NETwork)的主要仪器,已在不同类型气溶胶观测站点积累了多年的偏振数据。但目前偏振反演仅能利用线偏振度或偏振辐亮度。与线偏振度和偏振辐亮度相比,Stokes参数Q和U不仅包含天空光线偏振强度信息还包含偏振方向信息。利用CE318-DP多光谱多角度测量的天空光Stokes参数Q和U反演气溶胶偏振相函数的方法。针对CE318-DP标准主平面偏振观测模式PPP(Polarized Principal Plane)下Stokes参数U对气溶胶特性变化不敏感、信息难以利用的不足,测试了新的平纬圈偏振扫描模式ALMP(ALMucantar Polarization)获取Stokes参数Q和U,并成功应用于偏振相函数的反演。系统分析了340～1 640 nm多光谱通道上典型生物质燃烧型气溶胶和水溶性气溶胶的-P12/P11反演结果并测试了反演方法在晴朗和灰霾不同大气条件下的适用性。无论在主平面还是平纬圈观测几何下,反演结果在可见光和近红外通道上均与真实值具有较好的一致性。进一步讨论了模型中基于气溶胶参数初始值和大气气溶胶参数真实值计算的"大气单次散射/大气散射"的比值近似相等的假设条件在短波通道不能很好地满足是造成紫外波段反演结果偏差较大的原因之一。后续有待进一步提高反演模型在短波通道的适用性,为利用不同光谱通道上-P12/P11的变化特征改进气溶胶微物理参数反演奠定了基础。

国产卫星多角度偏振传感器的光谱特征云检测方法研究

在卫星遥感研究中,云检测是基础环节,其结果影响大气、地表各种参数的定量遥感,同时也影响云微物理特性的反演。本研究针对多角度偏振卫星载荷(高分五号DPC传感器),建立了一种改进的光谱特征云检测算法。该算法综合利用云像元和非云像元在可见光反射率光谱、氧A波段吸收、蓝光偏振反射率以及偏振虹等特性上的差异,分别提出了陆地、海洋上空的云检测方案,并进一步建立了多角度云检测融合策略以标记云、晴空和未定像元。在陆地检测中,通过增加表观压强检测和偏振虹检测分别改进了高层薄云和低层薄云的识别;在海洋检测中,利用表观压强与云层的退偏特性改进了耀光区云像元的识别。全球云检测结果示例显示该算法整体检测效果较好,同时典型区域的检测结果与MODIS云产品也具有较好的一致性。该研究可为高分五号02星上的多角度偏振传感器云检测提供方法基础。

基于超级站多仪器联合观测的大气气溶胶遥感研究

大气气溶胶在气候变化、大气环境和人体健康等多个方面产生重要影响。遥感是获得气溶胶时空分布信息的重要手段,并且具有非破坏性、观测瞬时性、可获取整层大气信息等特点,因此在环保、气象等行业得到越来越多的应用。研究介绍了由多种监测仪器构成的中国科学院(北京)大气气溶胶遥感研究超级站的仪器配置、观测指标和相关研究方向,并阐述了其在4方面的具体应用:(1)针对沙尘、灰霾等典型过程的多仪器遥感联合观测;(2)将光学遥感拓展到气溶胶成分信息等前沿应用;(3)遥感获得近地面PM_(2.5)等环境关键参数的方法;(4)主被动结合的大气颗粒物垂直分布特性研究。通过超级站多仪器联合观测,可加强对大气气溶胶的全方位观测和分析,为环境研究提供综合数据支撑。