偏振遥感中水面溢油偏振度随太阳天顶角的变化规律研究

水面溢油是最常见的水体污染源之一,在反射、散射和透射电磁辐射的过程中,将表现与它们自身性质有关的偏振特性。因此,对水面溢油的多角度偏振信息探测成为水体定量遥感的一种新手段本文从理论上证明了光倾斜入射到溢油表面时,其反射光存在偏振现象,并进一步推导了偏振度与太阳天顶角之间的函数关系,总结出其中的变化规律。太阳天顶角是影响辐照度的主要因素,研究偏振度随太阳天顶角的变化规律,可以为偏振遥感解译提供重要参数,对溢油的精确识别和反演有重要的现实意义。

探测天顶角与太阳天顶角对卫星红外探测的影响

为了分析不同探测环境对卫星红外探测的影响，推导了倾斜探测路径下目标与背景在探测器入瞳处的辐照度对比度计算公式。计算了目标在海天背景下不同温度、不同高度、不同太阳天顶角、不同探测天顶角条件下，目标与背景在0.75～14μm波段的红外单色辐射照度对比度。分析指出：太阳天顶角对红外探测的影响主要在2.7μm以下波段，探测波长大于2.7μm可不考虑太阳的影响。目标在5 km以下、探测天顶角在60°以上继续增加时，探测波段变窄，不可探频段增宽；目标在10 km 以上，探测天顶角变化对探测影响很小。这些结论可用于指导卫星红外探测波段选择与探测结果分析。

大太阳天顶角下水色卫星叶绿素遥感探测能力研究

本文利用考虑地球曲率的矢量辐射传输模型PCOART-SA,对大太阳天顶角下叶绿素浓度的卫星遥感探测极限能力进行了模拟研究。结果表明:太阳-传感器几何参数,尤其是太阳天顶角对叶绿素浓度变化的探测极限能力影响较大;大太阳天顶角下,卫星对叶绿素浓度变化的探测能力下降十几倍。在典型陆架水体(叶绿素浓度为1μg/L),低太阳天顶角(30°)时,叶绿素浓度变化探测极限为0.012 8μg/L(约为原浓度的1.2%),而大太阳天顶角(80°)时,探测极限为0.136μg/L(约为原浓度的13.6%)。相比于太阳天顶角,观测天顶角增大造成的叶绿素浓度探测能力衰减较小。叶绿素浓度越高,吸收作用越强,对卫星遥感器的辐射探测灵敏度、定标及大气校正精度的要求越高。

基于SolarZenith对Modis反射率太阳天顶角校正的实现

Modis仪器有36个光谱波,其反射率波段是反映地物的重要特征,但受到太阳天顶角影响也非常显著,其影响比值随天顶角增大而增大。通过对ModisL1B数据包提供的SolarZenith影像特征进行分析,并利用IDL(Interactive Data Language)编程对影像数据插值处理,以实现消除太阳天顶角对Modis反射率的影响。结果表明校正后的像元反射率普遍增大,反射率区间明显拉宽,表现在图像上亮度有所提高,对比度明显增加,图像层次更加丰富,图像质量得到较大改善。

太阳天顶角对太湖恰在水面下辐照度比影响的定量分析

恰在水面下辐照度比变化与吸收系数、散射系数和太阳天顶角存在着密切的关系,而太阳天顶角对太湖恰在水面下辐照度比的定量影响程度尚不明确.为此,本文基于2010年5月太湖27个样点的水体光学参数和理论数值模拟,对太湖水体的情况进行研究.理论数值模拟结果表明:当太阳天顶角分别在0°～25°和70°～89°区间内变化时,对恰在水面下辐照度比增幅影响较小,增幅相差不到10%;而当太阳天顶角在30°～70°之间时,对辐照度比增幅影响很大,增幅为13.13%～52.19%.同时,利用实测数据对理论结果进行线性相关验证表明,此数值研究整体上符合太湖的实际情况.因此,对水体光学特性以及光对水生生态系统驱动作用研究的时候,应充分考虑太阳天顶角的影响.

太阳天顶角对反演高光谱地表反射率影响分析

为了满足星上载荷高频次的在轨定标需求,常使用场地自动化定标技术将多光谱反射率反演为高光谱反射率,所以提升光谱的反演精度对提高自动化定标精度尤为重要。使用布设在敦煌辐射校正场的通道式自动化观测仪器计算从2018年9月至2019年9月的反射率;根据测量过程中太阳天顶角的不同将数据分为6组,并使用双向反射分布函数模型对不同太阳天顶角下的光谱形状进行一致性分析。实验结果表明,双向反射分布函数模型校正不同入射角度是有效的。

影响太阳总辐射各主要因子的分析

本文通过分析北京地区１９９０年１—１２月晴天与实际天气条件下的太阳辐射和常规气象观测资料，得到了描述晴天和实际天气条件下的太阳总辐射的一种关系式，并着重分析了影响到达地面的太阳总辐射各因子的主次作用。

青岛地区太阳紫外线辐射研究

通过对青岛地区2004年全年紫外线观测数据的分析,在预设局地纬度、海拔高度、大气中臭氧量及其分布、空气质量状况、地表反照率等因素基本不变的情况下,总结了青岛地区紫外辐射随与太阳天顶角相关的不同季节和时段、天气状况(云况)的统计性变化规律,以服务于该地区人们日常生活中对紫外线的防护,尤其是为调光生态膜的研制及改善提供参考。

电离层电子浓度计算模型中有关太阳参数的计算

在《中华人民共和国国家军用标准GJB 1925—94中国参考电离层》中,计算一定高度某位置某时刻的电离层电子浓度,常用到此位置此时刻的太阳天顶角、正午的太阳天顶角、日出时刻、日落时刻;然而一定高度某位置的日出日落时刻与地球表面是不同的。将着重解决一定高度某位置的日出日落时刻的计算模型和方法,并通过实例验证了计算模型正确和可行性。阐述了某时刻某位置的太阳高度角、方位角计算。利用中国参考电离层计算了某位置某时刻120 km高空的电离层电子浓度,与《卫星测控手册》中给出的数值是一致的。

黑碳气溶胶辐射强迫全球分布的模拟研究

利用一个改进的辐射传输模式,结合全球气溶胶数据集(GADS),计算晴空条件下冬夏两季黑碳气溶胶的直接辐射强迫在对流层顶和地面的全球分布。计算结果表明,与温室气体引起的整层大气都是正的辐射强迫不同,黑碳气溶胶的辐射强迫在对流层顶为正值,而在地面的辐射强迫却是负值。作者从理论上解释了造成这种结果的原因。对北半球冬季和夏季而言,在对流层顶黑碳气溶胶的全球辐射强迫的平均值分别为0.085W/m2和0.155 W/m2,在地面则分别为-0.37 W/m2和-0.63 W/m2。虽然气溶胶的辐射强迫主要依赖于其本身的光学性质和在大气中的浓度,太阳高度角和地表反照率对黑碳气溶胶的辐射强迫会产生很大的影响。研究指出:黑碳气溶胶在对流层顶正的辐射强迫和在地面负的辐射强迫的绝对值都随太阳天顶角的余弦和地表反照率的增加线性增大;地表反照率对黑碳气溶胶辐射强迫的强度和分布都有重要影响。黑碳气溶胶的辐射强迫分布具有明显的纬度变化特征,冬夏两季的大值区都位于30°N^90°N之间,表明人类活动是造成黑碳气溶胶辐射强迫的主要原因。

冬小麦冠层光谱的方向性特征分析

二向性反射因入射和观测的角度变化而变化,合理选择遥感观测角度、太阳天顶角等为提高遥感应用精度提供可能。通过采用各向异性因子和各向异性指数定量分析了冬小麦冠层窄波段二向性反射率及NDVI的方向性特征。分析结果表明:主平面内二向性反射率的各向异性最强,垂直主平面最弱,其他平面介于前两者之间;可见光波段反射率随观测天顶角的敏感性大于近红外波段;反射率对太阳天顶角的敏感性随着观测天顶角的增大而增大。前向NDVI整体上大于后向,且NDVI随着太阳天顶角的增大呈增大趋势。为了减少观测方式所带来的不确定性,应尽量选择近红外波段和小太阳天顶角,估算结构参数时应尽量选择主平面进行遥感观测,在利用NDVI估算生物物理参数时尽量远离"热点"区域。

被动差分吸收光谱法测量气体浓度时Ring效应的影响及修正研究

基于散射光、利用痕量气体指纹吸收特性反演气体浓度的方法称为被动差分吸收光谱法(passive DOAS)。因其具体结构简单,易于平台搭载等优点近年来获得了长足发展。被动DOAS中利用太阳散射光作为光源解析大气污染气体柱浓度时,会受到太阳弗朗和费光谱的"填充线"即Ring效应的强烈影响,尤其是对浓度很低的痕量气体,致使不易获取其浓度、影响其测量精度。文章以反演大气中NO2气体为例,介绍了稳定天气条件下Ring效应造成的影响、分析了Ring效应影响与太阳天顶角的关系,提出了根据不同太阳天顶角选取不同Ring光谱参与拟合的修正方法,并且利用该处理方法反演了在3天稳定天气条件下不同仰角下的斜柱浓度。实验证明该修正方法的可行性。

沙尘气溶胶辐射强迫全球分布的模拟研究

为了定量了解沙尘气溶胶对气候的影响,文中利用一个改进的辐射传输模式,结合全球气溶胶数据集(GADS),计算了晴空条件下,冬夏两季沙尘气溶胶的直接辐射强迫在对流层顶和地面的全球分布,并讨论了云对沙尘气溶胶辐射强迫的影响。计算结果表明,对北半球冬季和夏季而言,在对流层顶沙尘气溶胶的全球短波辐射强迫的平均值分别为-0.477和-0.501 W/m2;长波辐射强迫分别为0.11和0.085 W/m2;全球平均短波地面辐射强迫冬夏两季分别为-1.362和-1.559 W/m2;长波辐射强迫分别为0.274和0.23 W/m2。沙尘气溶胶在对流层顶和地面的负辐射强迫的绝对值都随太阳天顶角的余弦和地表反照率的增加而增大;地表反照率对沙尘气溶胶辐射强迫的强度和分布都有重要影响。研究指出:云对沙尘气溶胶的直接辐射强迫的影响不仅取决于云量,而且取决于云的高度和云水路径,以及地面反照率和太阳高度角等综合因素。中云和低云对沙尘气溶胶在对流层顶的短波辐射强迫的影响比高云明显。云的存在都使对流层顶长波辐射强迫减少,其中低云的影响最为明显。因此,在估算沙尘气溶胶总的直接辐射强迫时,云的贡献不可忽视。

太湖遥感反射率变化特征及其影响因素分析

基于2010年10月4—8日在太湖全湖范围32个样点的水体光学参数和理论数值模拟结果,研究了太阳天顶角θ、散射系数和吸收系数的比值b/a及表征光场分布的参数Q对太湖遥感反射率变化的影响。结果表明,遥感反射率随θ的增大而增大,且当θ较小(0°～20°)或较大(80°～89°)时,其变化对遥感反射率增幅的影响较小;当b/a增大时,遥感反射率也随之增大,二者变化趋势呈显著正相关;Q较大时(如6～7),其变化对遥感反射率增幅的影响较小;Q较小时(如2～3),其变化对遥感反射率增幅的影响明显;遥感反射率随Q的增大呈递减的趋势。

面向高光谱大气臭氧传感器的多观测几何条件下紫外辐射模拟及对TOMS V8算法臭氧初值估算模型改进与评价

新型高光谱大气臭氧传感器大多计划搭载地球静止轨道平台,其对大视场范围和时间范围内的臭氧总量提取提出了更高的需求。TOMS V8算法在低轨卫星大气臭氧传感器得到广泛的应用和发展,但其在大观测几何条件下的提取精度不足,因此如何提高TOMS算法在新型传感器上的提取精度是当前亟待解决的问题。利用MODTRAN大气辐射传输模型模拟了晴空场景TOMS算法标准廓线各观测几何条件下的地球紫外后向散射辐射,分析了各观测几何条件下后向散射辐射亮度与臭氧总量拟合模型,并根据模型拟合精度情况,得到了不同观测几何条件下后向散射辐射随臭氧总量的变化关系,提出了改进的臭氧总量初值估算模式。对改进模式与传统模式的臭氧总量初估结果表明,传统模式依赖于指数模型的拟合精度,而改进模式依赖于对数模型的拟合精度,指数模型和对数模型均表现出高的拟合精度,但对数模型的拟合精度比指数模型在整个臭氧浓度范围内平均高约0.9%。改进模式使臭氧总量初估的总体精度得到改善,RMSE降低约0.087%~0.537%,并且在较大观测几何和臭氧总量低值区（175~275DU）间则更加显著。在臭氧总量低值区间以及较大观测天顶角和太阳天顶角条件下,改进模式具有更高的估算精度和更大的适用范围。该改进的臭氧总量初值估算模式可为日后TOMS算法的更新提供支持和参考依据。

中纬热层大气质量密度经向结构差异研究

本文利用CHAMP卫星以及全球电离层-热层模型（GITM）来研究太阳活动低年（2007—2009年）中纬热层大气质量密度（ρ）的经度结构变化.结果如下：（1）ρ存在明显的经度单波结构（单峰和单谷）,且南北半球反相,波峰和波谷随着地方时增加而向东移动;（2）模拟表明离子拖曳效应在ρ结构差异的形成中起到了重要的作用,欧亚地区电子密度经度差异性较弱,不足以影响ρ经度分布,导致该地区ρ经度差异不明显;（3）在磁中纬地区,太阳天顶角的经度差异可达20°~30°,太阳光加热的经度不均匀性是导致ρ经度差异的另一个主要原因.

“高分五号”全谱段相机可展开定标漫反射板设计

为了对"高分五号"卫星全谱段光谱成像仪的太阳反射谱段辐射性进行长期监测与校正,并针对其谱段范围宽、精度要求高、口径大、使用寿命长等特点与要求,优化设计了可展开的漫反射板进行全光路全视场的辐射定标。定标漫反射板安装在相机光学系统的前端侧面,不影响相机正常成像,在定标时通过驱动机构展开漫反射板到相机前端,根据"高分五号"卫星轨道特点、定标能量要求及相机安装矩阵等设计定标漫反射板展开角度为39°。研制了430 mm×430 mm大尺寸聚四氟乙烯漫反射板组件以保证在展开时满足全光路全视场的定标,漫反射板在420~2400 nm光谱范围内半球反射率高于95%,在相机观测方向BRDF变化优于2.5%。同时,设计了漫反射板稳定性监视辐射计用于监测漫反射板在轨性能衰减,监测精度1.5%。在轨定标精度分析为4.76%,满足指标要求。

我国中低纬地区电离层f_(o)E经验模型初步研究

利用电波环境观测网中低纬地区(以满洲里、重庆、昆明、海口为例)电离层f_(o)E数据,参照前人工作,分析了f_(o)E月中值与太阳活动指数、太阳天顶角的变化关系,建立了我国中低纬多个地区的f_(o)E月中值经验模型.结果表明:f_(o)E月中值与F10.7存在很强的相关性(相关系数大于0.9);与正午太阳天顶角余弦存在反相关性(相关系数绝对值大于0.7);与实测数据对比发现本文模型计算值标准偏差小于0.1 MHz,优于国际参考电离层(international reference ionosphere,IRI)模型.本文研究对于IRI模型改进与我国区域电离层经验模型研究建立具有重要意义.

OMI-TOMS与OMI-DOAS臭氧柱总量产品在中国地区的比较

臭氧是十分重要的痕量气体,它具有活跃的化学反应特性和较强的辐射特性,直接影响全球气候变化和人类的生活环境,因此,获得准确的臭氧柱浓度信息十分重要。搭载在AURA上的OMI探测仪可以测量大气中的臭氧含量,其获得的臭氧产品有两种,一个是基于TOMS V8算法反演得到的OMI-TOMS产品,另一个是由DOAS算法得到的OMI-DOAS产品。本文首先分析了两种算法产品的统计特征,结果表明两者具有较好的一致性;其次,分别分析了两种算法与像元位置的关系,在不受行异常现象影响的像元处,两种算法均不受像元位置的影响;此外,本文还研究了云和太阳天顶角对两种算法的影响,有云时两者的差异更大,云量在70%时两者的差异最大,而且,当有云存在时,两者的偏差随着太阳天顶角的增加而增加。平流层SO_2和吸收性气溶胶对两种算法没有显著影响。

电离层对耀斑响应的GPS观测分析

利用全球定位系统(GPS)台网数据,研究了耀斑爆发期间电离层总电子含量(QTEC)的突然增强(SITEC)现象.基于GPS差分群时延和差分载波相位联合数据处理方法,利用双频的GPS数据计算了2003年10月28日大耀斑期间各GPS台站QTEC,其最大增量达到17.7 TECU(1 TECU=1016e.m-2).结果表明,当观测点太阳天顶角>40°时,QTEC增量与观测点太阳天顶角成线性反比例关系,对这种关系进行拟合,确定了反比例系数.进而与2003年10月29日和11月4日两次耀斑事件进行了比较,可以确定上述反比例系数与耀斑对电离层的影响程度有关.同时对QTEC的时空变化问题进行了定量分析,证实了对于耀斑事件,可以忽略GPS卫星的空间变化对QTEC随时间变化的影响.