基于SCIATRAN模型的二氧化氮DOAS反演敏感性试验

气溶胶和地表反照率是影响星载SCIAMACHY仪器观测数据定量遥感NO2大气柱总量的2个主要因子。文中利用高光谱分辨率大气辐射传输模型SCIATRAN,在考虑分子吸收和气溶胶多次散射影响基础上,精确模拟了气溶胶、地表反照率和NO2气体浓度变化对差分处理前后卫星反射光谱的影响,并定义影响因子f,对3个模拟参数进行综合评价。结果表明:(1)通过剔除卫星反射光谱中慢变光谱变化成分,DOAS方法明显降低了气溶胶和地表反照率对卫星反射光谱的影响;(2)差分处理前,3个模拟参数的影响强弱依次为地表反照率、气溶胶和NO2浓度;而差分处理后,3个模拟参数的影响强弱依次为NO2浓度、地表反照率和气溶胶。在影响趋势上,气溶胶和地表反照率很相似,均体现为宽带效应,在440—450nm内有水汽强吸收和多次散射复杂相互作用导致的较大峰值;NO2浓度变化对差分处理前后的光谱都呈现气体吸收结构的影响特性;(3)由于吸收和散射相互作用等因素的影响,在基于卫星观测的差分光谱中仍然残留有气溶胶和地表反照率的误差,地表反照率约占18.6%,气溶胶约占6.2%。因此,当前SCIAMACHY遥感的NO2产品在中国区域浓度偏高,需要对气溶胶和地表反照率进行二次精细化的订正。

应用EOS-MODIS卫星资料反演西北干旱绿洲的地表反照率

地表反照率是一个广泛应用于地表能量平衡、中长期天气预测和全球变化研究的重要参数,作者应用EOSMODIS卫星数据和目前发展的推算反照率比较完善的一种二向反射(BRDF)模型RossThickLiSparseR核算法(AMBRALS算法),对西北干旱绿洲区非均匀分布的地表反照率进行反演与分析,结果表明,应用该方法反演的地表参数与实际观测值基本接近。敦煌戈壁站的反演值与观测值的春、夏、秋季绝对误差最大为0.019,冬季为0.051,黑河绿洲实验站的反演值较观测值低0.019;绿洲、绿洲沙漠交界地带、戈壁和沙漠等反照率差别明显,并划分了区域内阶梯状反照率的变化值;另外,植被区四季反照率差异较大,夏季(8月)最小,冬(2月)、春季(4月)最大,与植被指数呈负相关关系,反照率的变化也充分体现了地表类型随气候变化的特性。

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。

沙尘气溶胶卫星遥感现状与需要关注的若干问题

沙尘暴是全球干旱、半干旱地区特有的一种灾害性天气,所产生的沙尘气溶胶是全球气溶胶系统重要组成部分,对全球环境、天气、气候和生态有复杂的影响。沙尘气溶胶作为一种吸收性气溶胶,对太阳辐射有着较强的吸收,还能通过加热大气、改变大气稳定度、蒸发云滴、减少云量等"半直接方式"影响气候。卫星遥感对沙尘气溶胶的监测具有独特的优势,是全球沙尘研究的重要手段。本文系统整理和介绍了目前常用的可见近红外、热红外、被动微波、紫外和主动激光测量等五类卫星遥感沙尘气溶胶的主要方法,在总结典型遥感仪器和主要产品基础上,讨论了遥感产品的定量精度和地面验证问题,结合辐射传输理论模拟了可见近红外和热红外的卫星观测,探讨了可见近红外遥感的地表反照率影响和热红外高光谱遥感的波段选择问题,最后对未来的一些研究重点进行了展望。

利用NOAA-AVHRR遥感资料反演长江三角洲地表反照率的试验

利用NOAA-AVHRR的CH1和CH2资料,反演了长江三角洲地区地表反照率瞬时值,与前人给出的不同地面覆盖物反照率进行对比,表明对该地区的反演是可行的。还提出一种由单一时刻反照率推算一天中其他任意时刻反照率的方法,发现方法可靠。最后比较了太阳天顶角和地表状况对地表反照率的影响大小,发现二者量级相当,说明在短时、超短时数值模式中,必须同时考虑二者的作用。

利用AVHRR数据反演陆地气溶胶光学厚度

开发AVHRR可见光通道反演陆地气溶胶光学厚度（AOD）的算法对于研究长时间序列AOD的变化有重要意义。AVHRR由于缺少2．1肛m通道而不能采用MODIS的暗背景算法，该文利用背景合成算法进行陆地AOD反演。背景合成算法是指假设一段时间内地表反射率变化不大且会出现相对清洁大气，采用最小值合成即可得到地表反射率，再通过辐射传输模式6S制作的查算表查算得到AOD的反演结果。将此算法应用到2009年AVHRR中国部分陆地区域（15°～45°N，75°～135°E）得到AOD的时空分布，将反演结果与同期Aqua／MODIS的MOD04AOD产品进行对比分析表明，华北和华东地区的反演效果较好，西北地区结果较差。以长江三角洲地区为例可知，AVHRRAOD产品与MODISAOD产品以及AERONET观测的AOD相比相关系数基本在0．6以上，从时间变化规律来看，AVHRRAOD和MODISAOD产品年变化趋势具有很好的一致性。该文为建立长时间序列AVHRRAOD数据集提供了一个较为可行的方法。

利用MODIS资料反演兰州地区气溶胶光学厚度

借助6S模式对MODIS的蓝光(0.46μm)、红光(0.66μm)和中红外(2.1μm)通道进行了行星反照率对地表反射率和气溶胶光学厚度的敏感性试验, 并对蓝光和红光通道的路径辐射对行星反照率的贡献做了数值试验; 计算了MODIS的蓝光、红光和中红外通道在兰州市及其周围地区的地表反射率, 检验了Kaufman给出的三个通道地表反射率之间的关系。检验结果表明, 在兰州周围地区蓝光通道与中红外通道地表反射率之间的关系与Kaufman给出的关系比较符合, 对于兰州周围大范围区域都是适用的。利用此关系通过6S模式进一步反演了兰州城市及其附近地区 1×104 km2 范围内的气溶胶光学厚度, 反演结果较为合理。

高反射率地区气溶胶光学厚度遥感反演:现状及展望

气溶胶在地球大气辐射收支平衡和全球气候变化中扮演着重要的角色。利用卫星数据反演水体、浓密植被等暗背景上空的气溶胶光学厚度已经达到了较高的精度,而对于干旱、半干旱以及城市等高反射率地区,气溶胶光学厚度反演仍面临严峻挑战。高反射率地区气溶胶光学厚度反演的困难主要是地表反射率的确定精度较低;气溶胶的指示作用随着地表反射率的升高而降低。为精确反演高反射率地区的气溶胶光学厚度,国内外开展了大量的研究工作。本文介绍了对比算法、高反差地表法等几种主要的反演方法,介绍了这些方法的理论基础,指出了它们的优势与不足,并分析了高反射率地区气溶胶光学厚度反演的发展前景。

青藏高原MODIS地表反照率反演结果的空间分布

为了促进MODIS地表反照率产品的应用及其反演算法的改进,应用MODIS地表反照率反演质量数据MCD43B2,并结合数字海拔高程模型DEM(Digital Elevation Model)数据和MODIS地表覆盖类型数据MOD12Q1,统计分析了2003-2013年青藏高原MODIS地表反照率不同反演结果的空间分布情况,结果表明:(1)MODIS地表反照率全反演结果主要分布在中西部和北部,春季全反演结果的概率超过80%,夏季向西北收缩且概率降低,秋季高概率全反演结果的范围最大、冬季最小。(2)冬季高概率当量反演结果主要分布在青藏高原西北、东南两翼,其他季节主要分布在昌都、那曲、林芝、山南地区和拉萨市。(3)在山南地区中东部、林芝及其与昌都地区交界处构成的"入"字形区域,四季无反演结果的概率都比较高,最高可达100%。(4)全反演结果的概率随海拔的增加呈下降趋势,当量反演结果则相反,无反演结果的概率在各海拔区间都较恒定且不超过10%。(5)在三种主要地表类型中,开放灌木区和裸土稀疏植被区全反演结果的概率高于草地,约为70%;草地当量反演结果的概率最高,约为30%;三者无反演结果的概率大致相当,均不足10%。以上结果表明青藏高原地区MODIS地表反照率反演质量的空间分布具有较为明显的地域特征,并且与海拔和地表覆盖类型存在一定的联系。

长江三角洲地区大气顶气溶胶直接辐射强迫遥感估算

利用MODIS和OMI卫星遥感数据估算长江三角洲地区大气顶气溶胶直接辐射强迫并分析其时空变化特征.结果表明了大气顶辐射强迫和气溶胶光学厚度(AOT)存在明显的线性相关关系,R和RMSE分别为0.89和5.50.大气顶辐射强迫的区域月平均变化范围大约在-10--70W/m2之间,一年中最大值(-53.97±6.14W/m2)和AOT一样出现在6月,最小值(-16.41±2.10W/m2)出现在12月.4个季节的大小依次是:夏季(-44.30±9.09W/m2)>春季(-42.00±7.83W/m2)>秋季(-28.02±6.32W/m2)>冬季(-20.40±5.00W/m2).在6月,大气顶气溶胶辐射强迫空间差异最明显,在太湖沿岸的城市地区,如上海、杭州,辐射强迫可达-70W/m2,而在千岛湖地区大约为-10W/m2.在12月,空间差异最小,北部城市地区大约为-20 W/m2;南部地区大约为-10 W/m2.

利用多通道MODIS遥感资料反演沙尘气溶胶尺度分布的个例试验

为了利用水面进行大气气溶胶粒子尺度分布的反演,需要水体光谱反射率资料;本文利用水库上空MODIS观测的表观反射率资料来订正出实际的水体光谱反射率。假设在干旱的春季水库水面反射率变化不大,用订正的水库水面光谱反射率平均值进行大气气溶胶尺度分布的反演。从两天个例研究来看,利用多通道MODIS资料可以反演出大气气溶胶粒子的尺度变化。结合天气分析2002年4月11日水库上空气溶胶光学厚度增加、粒子变粗,是由于上游区域的沙尘在高空强西北气流引导下到达本地区。

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。

利用MODIS数据反演植被指数的敏感性研究

根据Kaufman等提出的暗像元法,通过6S辐射传输模式,对MODIS的红光、蓝光、近红外通道辐射特性进行了敏感性实验.结果表明:三个通道的行星反射率对地表反射率都非常敏感,行星反射率随地表反射率的增加而增加.进一步提出了对地表反射率进行大气订正的思路,讨论了暗像元法确定地表反射率误差对大气气溶胶光学厚度反演结果的影响.最后计算分析了光学厚度反演误差对地表反射率大气订正传递误差的大小及其对NDVI、SAVI、ARVI和EVI 4种植被指数计算结果的影响.光学厚度误差对植被指数反演误差的影响以ARVI最为敏感,其误差范围与气溶胶光学厚度误差可达同一量级,两者呈负相关;NDVI与SAVI误差变化范围大致相近,与光学厚度误差均呈负相关.EVI受气溶胶光学厚度误差影响最小.

大气气溶胶对用红外窗区通道遥感陆面温度的影响

分析了大气气溶胶对红外窗区通道辐射传输的影响 ,考察了在用红外窗区通道反演陆面温度中 ,大气温度和湿度廓线没有误差时 ,大气气溶胶的不确定性对反演精度的影响 ,以及大气温度。

青藏高原地表反射率卫星反演资料的评估

该文重点介绍了ＩＳＣＣＰ资料中的地表可见光反射率资料及ＬｉＺｈａｎｑｉｎｇ等用参数化反演模式从ＥＲＢＥ宽带行星反射率得到的地表反射率资料。我们选择青藏高原及其邻近地区为目标区，结合高原野外地面观测资料对它们进行了比较和评估，分析了误差的可能原因，并提出了反演青藏高原地表反射率时应注意的问题。

基于SCIATRAN模型的大气CO_2敏感性分析

SCIATRAN是一种高光谱分辨率辐射传输模型,其参数丰富、调节性强,为反演CO_2浓度提供更可靠的仿真资料。研究采用SCIATRAN模型模拟了不同气溶胶类型、气溶胶光学厚度以及地表类型的CO_2辐射亮度,分析了不同条件下影响CO_2辐射亮度的规律。研究结果表明:气溶胶类型对CO_2辐射亮度的影响比例在8%以内。由于城市型气溶胶成分复杂,对CO_2辐射亮度的影响比乡村型和海洋型气溶胶稍大;气溶胶光学厚度对CO_2辐射亮度的影响比例在-3.52%~42.97%之间,光学厚度越小,CO_2辐射亮度则越大;地表类型对CO_2辐射亮度影响最大,与参考值差值比例最高达166.43%,且CO_2辐射亮度随地表反照率的增强而增强。该研究还通过仿真信号与实测信号的对比,验证了SCIATRAN模型仿真信号的有效性和可行性。

利用遥感数据反演长江三角洲瞬时地表反照率的研究

利用极轨气象卫星遥感影像处理软件挑选出无云的长江三角洲地区的NOAA-AVHRR影像数据,对该数据应用Liang(2000)算法进行瞬时地表反照率的反演,从中提取出不同下垫面的反照率,并与已有的研究结果进行对比.结果显示,各主要下垫面的卫星反演结果基本在地面观测和已有的结果范围之内,反演精度比较高,可为如何利用热红外遥感数据有效进行区域性或全球性的大范围地表反照率的反演提供科学依据.

附加气溶胶信息以改进地表温度反演算法

FY-3A上搭载的中分辨率成像光谱仪(MERSI)和扫描辐射计(VIRR)都包含热红外通道,可用于地表温度的反演。结合热红外通道的光谱响应函数,用MODTRAN模拟清洁大气、城市气溶胶、乡村气溶胶和沙尘气溶胶条件下的亮温值,通过分裂窗算法求解不同气溶胶类型和光学厚度下的地表温度。结果表明:气溶胶类型和光学厚度之间的差异会造成热红外通道的亮温差发生变化,这一现象在VIRR的热红外通道表现得尤为显著。通过拟合系数和气溶胶光学厚度之间的关系建立新的反演算法,发现:在分裂窗算法基础上加入气溶胶光学厚度这一参量之后,地表温度反演的均方根误差有所降低,尤其是在气溶胶浓度高时改进效果更佳,其中对城市气溶胶这一类型改善效果明显(RMSE由0.814 K下降到0.442 K,BIAS从0.998K降到0.668 K)。

从NOAA卫星AVHRR资料反演中国区域地表反照率

由NOAA卫星AVHRR短波通道1、2反射率反演地表反照率需要3个反演模式,分别是窄-宽波段反射率转换模式、大气顶双向反射模式、大气订正模式.基于模式和国家卫星气象中心接收处理的NOAA-18 AVHRR1B数据,处理了2006年1月至2010年12月的中国区域地表反照率,由于云的影响,15天合成技术用来形成周期为15天的地表反照率数据文件.2006年、2010年2年的处理结果与MODIS同类产品对比,RMS为0.028～0.074、相关系数为0.76～0.93,误差较大出现在冬季,原因是两者15天合成方法不同；5年的日平均地表反照率与21个中国地面气象一级辐射站的观测测值作对比,结果是：RMS为0.053、相关系数为0.88.反演模式系统误差以及云和气溶胶影响是卫星反演地表反照率的主要误差来源.

基于卫星气溶胶光学厚度反演地面能见度算法的研究

为了获得大范围的能见度空间分布信息,提出一种把MODIS卫星气溶胶光学厚度陆面产品转化为地面能见度分布的反演算法。该算法以CALIPSO卫星的气溶胶标高为更新观测值,以GEOS-Chem模拟的气溶胶标高场为背景场,通过最优插值的资料同化方法,将两者整合成误差更小的气溶胶标高分析场,然后通过气溶胶标高分析场,把MODIS卫星气溶胶光学厚度转化为地面能见度。与中国地区地面气象多年观测资料的对比结果表明,反演能见度与观测能见度之间,点对点的月相关系数可达0.5以上,两者多年的逐月变化趋势与地域分布形势较为一致。