L曲线方法在地基红外高光谱反演温度廓线中的应用

利用地基红外高光谱辐射数据可以反演得到高时间分辨率的边界层大气温度廓线。目前的AERIoe最优化反演算法相比于传统的＂剥洋葱＂算法有较大的改进,且对初值的依赖程度较低。但AERIoe算法中正则化算子的选择对反演结果的稳定性和反演时间有重要影响。目前主要采用经验的方法选择正则化算子,迭代步数较多,耗费大量的计算时间。提出了利用L曲线方法代替经验法选取正则化算子的改进方案,以提高AERIoe方法的反演速度。改进后的算法通过绘制解范数和残余范数的二维曲线图,取其拐点作为最优的正则化参数,相比于传统的经验法有着更好的理论基础。采用2011年美国大气辐射测量计划中SGP站点的晴空大气红外辐射数据进行反演实验。结果表明,利用该方法得到的反演结果具有很好的稳定性、收敛性和精度。相比于经验的方法,利用L曲线方法获得的正则化算子反演温度廓线时的收敛速度更快,迭代步数较少,可以节约大量的计算时间;在反演精度方面,L曲线方法在边界层中上层的反演精度更高,1~3km高度上温度廓线的RMSE值提高了大约0.2K。

卫星遥感中不同偏振量对气溶胶反演的影响分析

偏振探测是提高气溶胶卫星遥感能力的重要途径。作为目前全球重要的偏振数据源,我国高分五号卫星搭载的多角度偏振探测仪(DPC)能够测量不同的偏振量,包括Stokes矢量偏振分量、偏振辐亮度(L_(p))和线偏振度(DOLP)。各偏振量所包含的有效信息和测量误差不同,进而影响气溶胶参数的反演精度。针对此,在最优估计反演框架下,利用信号自由度(DFS)和后验误差定量化分析了各偏振量对气溶胶参数反演的影响,为后续DPC气溶胶算法开发提供参考。研究结果表明:Stokes矢量包含的信息量最高,其次是线偏振度和偏振辐亮度,相应的气溶胶总DFS分别为7.5,6.1和5.2;采用不包含偏振方向信息的L_(p)反演时,复折射指数虚部和粒子谱有效方差的信息量比采用Stokes矢量和DOLP反演时显著下降,表明这两个参数对偏振方向和测量误差敏感,增加偏振方向信息和降低测量误差能够有效提高这两个参数的可反演性;偏振方向的探测对提高气溶胶遥感能力有重要价值,采用L_(p)和DOLP反演时,气溶胶各参数的后验误差比采用Stokes矢量反演分别增加67.6%和65.5%,其中细模态体积柱浓度和粒子谱有效半径受到的影响最大;在全部气溶胶参数中,复折射指数实部后验误差最小,虚部的反演不确定性最大。总体来说,细模态气溶胶的三个参数(体积柱浓度、复折射指数实部和粒子谱分布有效半径)在三种偏振量反演情况下平均DFS均大于0.85,能够较好的通过DPC观测反演得到,而粗模态气溶胶反演与气溶胶类型有关,参数反演不确定性较大。

气溶胶细粒子比偏振遥感最优化反演方法研究

针对PM2.5遥感模型对气溶胶细粒子比FMF(Fine mode fraction)参数的需求,结合多光谱偏振传感器对大气探测的优势,基于最优估计OE(Optimal Estimation)反演框架,提出了一种基于线偏振度(Degree of Linear Polarization)测量的FMF最优化反演方法。采用矢量化的辐射传输模式UNL-VRTM进行地基天空光的线偏振度观测模拟,分析了线偏振度对FMF参数的波段敏感性,并基于仿真数据开展了算法的反演测试。研究结果表明:偏振测量在长波近红外波段对FMF的敏感性高于可见光波段;基于OE框架的FMF反演算法具有良好的闭合性;在地基天顶观测模式下,引入线偏振度测量参与反演能够有效提高FMF的反演精度,FMF反演误差从1.4%下降到了0.18%。最优化反演方法对于气溶胶遥感具有一定的潜力和可行性,有望成为提高PM2.5遥感监测能力的新途径。

卫星PSAC载荷陆地观测中气溶胶和地表参数的信息量分析

针对卫星载荷大气校正仪分系统PSAC在陆地上空气溶胶反演领域的应用需求,基于最优化反演框架,引入信息量和后验误差分析方法,讨论了不同观测模式下气溶胶和地表参数的信号自由度(DFS)的观测角度依赖性,给出了气溶胶和地表参数的后验误差。在此基础上,分析了气溶胶和地表参数的DFS随光学厚度(AOD)和地表反射率的变化趋势。研究表明:1)不同的观测几何下,气溶胶参数总的DFS有很大差异,反演气溶胶参数的最优散射角范围是140°~180°;2)任意观测角度,细粒子为主的细模柱浓度v_(0)^(f),粗粒子为主的气溶胶柱浓度v_(0)^(f)和v_(0)^(c)能被反演出来,谱分布部分参数以及折射指数部分参数在大散射角能被反演获得;3)对不同AOD和地表反射率下参数的DFS分析,偏振信息的增加有助于亮地表下气溶胶参数的反演,增加短波红外波段能提升在AOD高值条件下对地表参数的获取能力。