【摘要】：大氣氣溶膠是影響對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要因素,并且時(shí)空分布變化顯著,一直以來(lái)都是定量遙感和大氣校正的研究熱點(diǎn)。氣溶膠對(duì)光輻射傳輸?shù)挠绊懣梢酝ㄟ^(guò)光學(xué)厚度、譜指數(shù)、復(fù)折射率指數(shù)等方面來(lái)分析。目前,地基測(cè)量可以高精度地獲取氣溶膠的光學(xué)、物理參數(shù)甚至是化學(xué)特性,但是氣溶膠的時(shí)空分布決定了地面單點(diǎn)測(cè)量是無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要。然而,對(duì)地遙感是可以實(shí)時(shí)獲取大面積的衛(wèi)星數(shù)據(jù),其中就包含了大氣氣溶膠的數(shù)據(jù),只要從中提取出來(lái)就可以獲得大氣氣溶膠的時(shí)空分布,與傳統(tǒng)的地基測(cè)量相比,具有顯著的優(yōu)勢(shì)。本文圍繞大氣氣溶膠光學(xué)厚度、Junge譜指數(shù)和復(fù)折射率指數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)深入的研究,利用輻射傳輸模型模擬分析了這些參數(shù)對(duì)衛(wèi)星表觀反射率的影響,提出了能夠同時(shí)反演獲得這些參數(shù)的雙波段雙角度迭代算法,通過(guò)數(shù)值模擬、衛(wèi)星反演驗(yàn)證了算法的可行性。論文的主要工作及創(chuàng)新如下:(1)通過(guò)控制變量法,利用6S輻射傳輸模型模擬了不同Junge譜指數(shù)和復(fù)折射率指數(shù)條件下海洋上空VIIRS各波段的大氣表觀反射率,研究了各個(gè)參數(shù)的影響。研究表明:Junge譜指數(shù)的影響主要在波長(zhǎng)小于1.24μm的可見(jiàn)光和近紅外通道,譜指數(shù)越大,紅光和近紅外通道的反射率差異越大。此外,復(fù)折射率指數(shù)實(shí)部隨波長(zhǎng)的變化較小,通�？梢允褂媒�(jīng)驗(yàn)值;虛部隨波長(zhǎng)的變化較大,對(duì)大氣表觀反射率的影響也較大。(2)以Sealifts近紅外雙波段、AATSR近紅外和短波紅外波段為例,利用6S模型分別模擬了氣溶膠為Junge譜、對(duì)數(shù)正態(tài)譜分布時(shí)的海洋上空雙角度表觀反射率,利用雙角度迭代算法從表觀反射率中反演氣溶膠的光學(xué)參數(shù),并與模擬時(shí)的氣溶膠輸入值比較。結(jié)果表明:當(dāng)氣溶膠滿(mǎn)足Junge譜分布時(shí),雙角度迭代算法可以得到高精度的氣溶膠光學(xué)厚度、Junge譜指數(shù)和復(fù)折射率指數(shù)虛部;當(dāng)氣溶膠為對(duì)數(shù)正態(tài)譜時(shí),仍然可以假設(shè)其為Junge譜,并反演得到高精度的氣溶膠光學(xué)厚度。(3)為了進(jìn)一步驗(yàn)證雙角度迭代算法的可行性,分別從Terra-Aqua雙星搭載的MODIS、AATSR、SLSTR近紅外-短波紅外通道數(shù)據(jù)反演氣溶膠參數(shù),研究區(qū)域包括渤海、黃海、臺(tái)灣海峽和青海湖四大咸水水體,以及太湖和巢湖淡水水體,將反演結(jié)果和MODIS氣溶膠產(chǎn)品值比較,以驗(yàn)證反演精度,針對(duì)臺(tái)灣海峽,還將虛部和POLDER數(shù)據(jù)反演值進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明:近紅外和短波紅外通道的組合可以用于反演沿岸海水、大洋水、內(nèi)陸咸水水域上空的氣溶膠參數(shù)。受圖像間配準(zhǔn)誤差的影響,在MODIS水陸掩膜數(shù)據(jù)中顯示為陸地淡水的像元在雙角度衛(wèi)星數(shù)據(jù)中并不是水體,此外,臨近淡水像元在假設(shè)是一類(lèi)水體的情況下,氣溶膠復(fù)折射率指數(shù)初值設(shè)置無(wú)規(guī)律可循,并且表觀反射率模擬值與實(shí)際值差異顯著,說(shuō)明水體成分對(duì)表觀反射率的作用不能忽略,本文手動(dòng)跳過(guò)了這些像元,最終只有一部分像元能夠順利反演,這些都增加了淡水水域業(yè)務(wù)化反演的難度。通過(guò)Terra-Aqua雙星 MODIS 構(gòu)造了雙星觀測(cè)數(shù)據(jù),并選取氣溶膠含量變化不大的像元反演氣溶膠,并與雙星對(duì)應(yīng)的氣溶膠產(chǎn)品值和均值比較,反演結(jié)果是可以接受的,也表明雙星協(xié)同可用于大氣監(jiān)測(cè)。(4)利用雙波段迭代算法從MODIS和CHRIS數(shù)據(jù)中反演獲得氣溶膠參數(shù),進(jìn)一步計(jì)算得到離水反射率光譜,利用MODIS水色產(chǎn)品進(jìn)行精度驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)水色產(chǎn)品的離水反射率在近紅外通道為負(fù),說(shuō)明MODIS存在過(guò)校正現(xiàn)象,即其在相應(yīng)海域的氣溶膠產(chǎn)品值比實(shí)際值偏大。此外,我們利用生物光學(xué)模型從Sentinel-3A的離水反射率中反演了水色三要素,發(fā)現(xiàn)黃色物質(zhì)的反演結(jié)果與歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)的規(guī)律差異較大。(5)受海洋氣溶膠反演中雙角度、雙波段的影響,利用結(jié)構(gòu)函數(shù)法從Sentinel-3AB數(shù)據(jù)中反演北京地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度,并分別考慮了角度和波長(zhǎng)的影響,研究結(jié)果表明雙波段并不能提高反演精度,除了865nm通道外,雙角度時(shí)的反演結(jié)果也不如單角度的好。為了驗(yàn)證星載激光雷達(dá)的回波信號(hào),從地基微脈沖激光雷達(dá)數(shù)據(jù)計(jì)算得到了 532nm退偏比和1064nm與532nm的色比,與CALIOP的計(jì)算結(jié)果比較,發(fā)現(xiàn)地基和星載數(shù)據(jù)在高度2km以下差異明顯。
【圖文】：

氣溶膠星載探測(cè)所用通道以可見(jiàn)光一近紅外為主，雖然探測(cè)方式有主動(dòng)與被逡逑動(dòng)之分，，但是被地表反射的輻射信號(hào)到達(dá)傳感器元件前都會(huì)經(jīng)過(guò)大氣層，因此，逡逑傳感器探測(cè)的信息是地表信號(hào)和大氣層的耦合結(jié)果（Ｌｉｏｕ，２００２），圖２．１簡(jiǎn)要描述逡逑了太陽(yáng)輻射在“太陽(yáng)一大氣一地表一大氣一傳感器”系統(tǒng)中的傳輸過(guò)程（趙英逡逑時(shí)，２００３）。逡逑太陽(yáng)逡逑＼上逡逑＾邋ＵＶ邋＼邐＾逡逑地球逡逑圖２．１輻射傳輸過(guò)程示意圖逡逑圖２．１中用標(biāo)識(shí)的過(guò)程都受到不同程度的大氣影響，這種影響又可以逡逑細(xì)分為大氣吸收和大氣散射。大氣吸收由臭氧（0３）、水汽（Ｈ２０）和二氧化碳逡逑（Ｃ０２）等氣體分子引起，其中：水汽在整個(gè)紅外區(qū)間均有很強(qiáng)的吸收能力；臭逡逑氧的吸收帶主要在紫外區(qū)間；而二氧化碳的吸收集中在２ｎｍ以上的紅外區(qū)間。逡逑然而，在０．４—０．７６ｎｍ之間，大氣吸收是很弱的（盛裴軒，２００３）。逡逑大氣散射是指輻射原有的傳播方向被大氣粒子改變，而傳播方向的改變又取逡逑９逡逑

利用公式計(jì)算的，實(shí)際上單純形優(yōu)化的因素只有氣溶膠光學(xué)厚度及復(fù)折射率指數(shù)逡逑虛部。逡逑對(duì)于雙因子的單純形優(yōu)化，如圖２．３所示，由Ａ、Ｂ、Ｃ三點(diǎn)構(gòu)成得單純形逡逑稱(chēng)為初始單純形，計(jì)算三個(gè)頂點(diǎn)的響應(yīng)值，比較響應(yīng)值大小，最壞響應(yīng)值的點(diǎn)為逡逑壞點(diǎn)，去掉最壞點(diǎn)，用其對(duì)稱(chēng)點(diǎn)Ｄ作新頂點(diǎn)，即規(guī)則１。Ｄ邋＝［留下各點(diǎn)之和］—逡逑［去掉點(diǎn)］＝邋Ｂ邋＋邋Ｃ邋—邋Ａ，若Ｂ、Ｃ、Ｄ中Ｃ為壞點(diǎn)，去點(diǎn)Ｃ點(diǎn)，取其反射點(diǎn)Ｅ，此逡逑時(shí)Ｃ、Ｄ、Ｅ三點(diǎn)又構(gòu)成新的單純形。若最壞點(diǎn)為Ｄ，那么對(duì)稱(chēng)點(diǎn)就會(huì)返回到與逡逑Ａ重合，此時(shí)改用規(guī)則２：去掉次壞點(diǎn)后，用其對(duì)稱(chēng)反射點(diǎn)作新頂點(diǎn)。如果有一逡逑個(gè)頂點(diǎn)總是被保留下來(lái)，必須使用規(guī)則３：重復(fù)、停止和縮短步長(zhǎng)。如果一個(gè)頂逡逑點(diǎn)經(jīng)３次單純形后仍未被淘汰，它可能是一個(gè)很好點(diǎn)，也可能是假象。此時(shí)需要逡逑多次試驗(yàn)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：P407

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本文編號(hào)：2627260