东亚地区高时相气溶胶特性遥感反演研究

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大气气溶胶具有很强的时空变化特征,极轨卫星以天为单位的重访周期,难以有效的描述气溶胶随时间的变化。而静止卫星具有较高的时间分辨率,特别是随着传感器技术的发展,具有更高空间分辨、更高时间分辨率、更多光谱通道的新一代静止卫星陆续发射,静止卫星的观测能力得到了极大提升。本文针对新一代静止卫星高时相和多波段的特点,构建了适合东亚地区的多种气溶胶特性联合反演模型,对我国新一代静止卫星气溶胶反演提供方法和技术手段。  通过选取东亚地区长时间序列观测的地基气溶胶特性数据,进行模糊C均值聚类分析,获取了研究区代表性的气溶胶类型;基于新一代静止卫星多光谱的特性,构建波段间线性关系进行地气分离;基于静止卫星高频率观测获取的时间序列数据,以地表反射率在短时间内变化缓慢为约束条件,构建目标函数;利用辐射传输软件并耦合卫星波段特性,建立不同气溶胶类型的查找表,并进行气溶胶光学厚度、气溶胶类型以及细模式比例等气溶胶特性的反演。主要研究内容及结论如下:  (1)东亚地区的气溶胶特性研究。  由于东亚地区的气溶胶来源广、成分复杂、浓度高,而且气溶胶特性随着时空变化的特性更加突出,全球气溶胶类型难以有效表达该地区的气溶胶特性,因此本文开展了东亚地区的气溶胶类型研究。基于东亚地区22个典型的AERONET(AErosol RObotics NETwork)站点近18年(1998-2015)的气溶胶特性数据集(共18420条有效记录),采用模糊C均值聚类的方法,获取6种主导的气溶胶类型,分别是:细粒子非吸收型、细粒子中度吸收型(两种)、细粒子强吸收型、污染沙尘型和沙尘型气溶胶。并且验证了反演结果的有效性,详细分析了不同气溶胶类型的光学和微物理特性以及时间分布特征。结果表明,不同气溶胶类型的特性差异很大,而且气溶胶特性有很强的时间变化特征。春季主要受到沙尘和污染沙尘的影响,夏季主要受到细粒子非吸收型气溶胶的影响,秋季除沙尘外其它类型气溶胶均有较高频率的出现,而冬季则是由细粒子吸收性气溶胶主导,两种细粒子中度吸收型气溶胶在每个季节都有出现。  (2)基于新一代静止卫星进行高时相气溶胶反演研究。  首先结合Himawari-8的波段特点研究了云、雪和水体像元判别方法,以获取晴空数据;然后研究了卫星短波红外(2.26μm)与红(0.645μm)和蓝(0.455μm)波段地表反射率之间的相关性,并且基于统计方法构建了波段间的线性关系;基于该线性关系实现地气解耦,同时基于静止卫星观测几何不变,只有太阳角度随时间缓慢变化的特点,研究了静止卫星观测地表反射率随时间的变化情况,证明相邻两次观测(30分钟内)的地表反射率相关性非常高,相关系数大于0.98,因此将连续两次观测地表反射率变化很小作为目标函数,进行气溶胶特性的反演,以增加反演算法的稳定性;利用6SV辐射传输模型并且耦合卫星波段特性,构建了6种气溶胶类型的查找表,基于查找表,实现了气溶胶光学厚度、气溶胶类型和细模式比例等气溶胶特性的联合反演。  本文反演的气溶胶光学厚度与地基AERONET的观测数据的相关系数可达0.84,回归方程为τHimawari-8=0.64τAERONET+0.12。与Terra/MODIS(ModerateResolution Imaging Spectroradiometer)的对比结果为:相关系数0.81,回归方程为τHimawari-8=0.70τMODIS+0.14;与Aqua/MODIS的对比结果为:相关系数0.89,回归方程为τHimawri-8=1.08τMODIS+0.02。算法反演的细模式比例和气溶胶类型与地基AERONET观测和MODIS气溶胶产品相比,在分布趋势上具有一致性。
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