【摘要】：云是由大氣中水滴、冰晶遇冷凝結(jié)聚集而形成的,地球表面大約50~70%以上區(qū)域被覆蓋。大量存在的云,會(huì)直接影響到遙感影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量,降低了數(shù)據(jù)的可用率;同時(shí)云也影響著全球大氣輻射,主要通過與太陽輻射的相互作用,對(duì)地球大氣輻射平衡及氣候變化有著重要的影響,是地球輻射收支平衡的重要組成部分。其中云參量是氣候變化、環(huán)境監(jiān)測和氣象預(yù)報(bào)中的重要輸入數(shù)據(jù),云參量的準(zhǔn)確反演將直接影響上述應(yīng)用結(jié)果的可信度。我國于2018年05月09日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了高分五號(hào)(GF-5)衛(wèi)星,它搭載了大氣氣溶膠多角度偏振探測儀(DPC),是中國首顆具有多角度偏振觀測能力的星載探測器,也是目前世界上唯一在軌的多角度偏振探測儀器。DPC通過對(duì)云進(jìn)行多角度偏振觀測,獲取云的強(qiáng)度輻射和偏振輻射信號(hào),為云的監(jiān)測和參量反演提供了更多有效的觀測信息,提高了云參量反演的能力。本文將基于DPC數(shù)據(jù),結(jié)合載荷自身所具備的特點(diǎn)和云的偏振特性,進(jìn)行云識(shí)別、云相態(tài)判識(shí)和云光學(xué)厚度的反演研究。云參量反演的關(guān)鍵在于云識(shí)別的準(zhǔn)確性,本文基于具有多光譜和多角度偏振特性的DPC數(shù)據(jù)構(gòu)建了云判識(shí)算法模型。在DPC云判識(shí)算法模型中,首先將地表分為陸地和海洋地表,并單獨(dú)進(jìn)行云判識(shí);同時(shí)相對(duì)于原有遙感數(shù)據(jù)云判識(shí)算法中較為固定的云判識(shí)閾值,根據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在陸地上空的藍(lán)光波段、海洋上空的近紅外波段以及氧A吸收波段在不同區(qū)域和時(shí)間下云檢測閾值存在很大的差異,本研究將針對(duì)上述的三個(gè)云判識(shí)算法構(gòu)建動(dòng)態(tài)云檢測閾值庫,同時(shí)針對(duì)特殊地表構(gòu)建了陸地和海洋上空的沙漠、裸土亮地表庫和冰雪覆蓋地表庫,可以在一定程度上提高特殊地表上空的云判識(shí)結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對(duì)陸地上空的云檢測,分別進(jìn)行了亮地表判識(shí)、藍(lán)光動(dòng)態(tài)云判識(shí)、氧A表觀壓強(qiáng)動(dòng)態(tài)云判識(shí)和偏振云判識(shí),獲取云、晴空和不確定結(jié)果。針對(duì)海洋上空的云檢測,分別進(jìn)行了氧A表觀壓強(qiáng)動(dòng)態(tài)云判識(shí)、近紅外動(dòng)態(tài)云判識(shí)和偏振云判識(shí),同樣獲取云、晴空和不確定結(jié)果。在上述DPC云判識(shí)的結(jié)果中,由于冰雪地表與云具有較為相似的光譜反射信息,所以針對(duì)DPC云判識(shí)結(jié)果進(jìn)行冰雪覆蓋表面的訂正,該方法主要是基于云和冰雪在氧A表觀壓強(qiáng)、藍(lán)光、紅外和近紅波段反射率存在差異,并輔以冰雪地表庫,最終將被誤判識(shí)為云像元的冰雪給剔除,以此獲得更為準(zhǔn)確的云判識(shí)結(jié)果。同時(shí)在構(gòu)建的動(dòng)態(tài)云檢測算法基礎(chǔ)上,構(gòu)建了一套基于DPC數(shù)據(jù)的云置信度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),將最終DPC云識(shí)別結(jié)果分為100%高置信度云、晴空和低于100%低置信度云、晴空四類。將上述構(gòu)建的動(dòng)態(tài)云檢測算法應(yīng)用到DPC數(shù)據(jù)進(jìn)行云檢測,并將云檢測結(jié)果與MODIS、CALIPSO的云判識(shí)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),發(fā)現(xiàn)單軌數(shù)據(jù)的云識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確性在90%以上,其中全天候云判識(shí)全球覆蓋結(jié)果的準(zhǔn)確性在80%以上,這也驗(yàn)證了DPC云判識(shí)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。在獲取準(zhǔn)確的DPC云檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上,開展了云相態(tài)和云光學(xué)厚度反演研究。在DPC數(shù)據(jù)的云相態(tài)判識(shí)中,由于水云液滴和冰晶粒子的散射和吸收特性不同,加之偏振輻射強(qiáng)度相比總輻射強(qiáng)度對(duì)多次散射不敏感,對(duì)水云液滴的單次散射敏感,這就形成了具有代表性的水云云虹現(xiàn)象。根據(jù)大氣輻射傳輸模擬獲得,在140°散射角附近水云存在明顯的865 nm偏振反射率峰值,基于該特性構(gòu)建了60~140°的偏振反射率曲線斜率判識(shí)、100°和140°偏振反射率比值判識(shí)、75~120°的偏振反射率中立點(diǎn)判識(shí)和140~180°的偏振反射率標(biāo)準(zhǔn)差判識(shí)四個(gè)判識(shí)標(biāo)準(zhǔn),并以此構(gòu)建了DPC數(shù)據(jù)的云相態(tài)判識(shí)算法模型。基于上述DPC云相態(tài)判識(shí)算法模型獲得的水云和冰云結(jié)果,分別開展了DPC水云和冰云光學(xué)厚度反演。在DPC云光學(xué)厚度反演中,首先利用UNL-VRTM矢量輻射傳輸模型,模擬分析了有云條件下670 nm和865 nm波段的反射率和偏振反射率對(duì)云光學(xué)厚度的敏感性,發(fā)現(xiàn)偏振對(duì)光學(xué)厚度較大情況下的云不敏感,證明了可采用670和865 nm兩個(gè)波段的反射率(標(biāo)量)來反演云的光學(xué)厚度。其次分析了水云云滴有效粒子半徑、冰云體散射模型、冰云有效粒子半徑、地表反射率和氣溶膠對(duì)于云光學(xué)厚度反演的影響,發(fā)現(xiàn)了隨著云有效粒子半徑的增大,云粒子對(duì)反射率的敏感性在逐漸減弱;同時(shí)地表反射率隨著云光學(xué)厚度的增加其對(duì)輻射數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)逐漸減弱,但高地表反射率卻仍然存在著很大的影響;在冰云粒子的體散射模型選擇上,選擇了Baum等提供的SC、ASC和GHM散射模型,通過分析發(fā)現(xiàn)ASC相對(duì)于SC和GHM散射模型受到有效粒子半徑的影響是比較小的,相對(duì)而言更適用于冰云光學(xué)厚度的反演。針對(duì)DPC數(shù)據(jù)的云光學(xué)厚度反演中,陸地上空選取了670 nm波段,海洋上空選取了865 nm波段,水云和冰云模型上分別選擇了標(biāo)準(zhǔn)水滴模型和ASC模型進(jìn)行云光學(xué)厚度反演。在DPC的云參量反演中,基于構(gòu)建的偏振多角度云相態(tài)識(shí)別算法模型對(duì)DPC數(shù)據(jù)進(jìn)行云相態(tài)識(shí)別,并將最終的結(jié)果與MODIS和CALIPSO結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)DPC水云識(shí)別的準(zhǔn)確性為93.70%,冰云識(shí)別的準(zhǔn)確性為85%。基于構(gòu)建的DPC云光學(xué)厚度反演算法模型并對(duì)DPC數(shù)據(jù)進(jìn)行云光學(xué)厚度反演,將最終云反演結(jié)果與MODIS的云光學(xué)厚度結(jié)果進(jìn)行比對(duì),獲得了水云光學(xué)厚度反演結(jié)果的R~2為0.86,冰云的R~2為0.81。從DPC云相態(tài)和光學(xué)厚度的驗(yàn)證結(jié)果中,可以看出DPC云相態(tài)和云光學(xué)厚度反演結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確和可信度。本文構(gòu)建的DPC云識(shí)別、云相態(tài)和云光學(xué)厚度反演算法模型為我國剛剛升空的GF-5 DPC數(shù)據(jù)提供了云識(shí)別和云參量反演產(chǎn)品,為下一步大氣污染物反演和氣象預(yù)報(bào)等應(yīng)用提供了前提和保障。
【學(xué)位授予單位】：安徽師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P407
【圖文】：

并提供不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用和服務(wù)，包括國土監(jiān)測等。到目前為止，CHEOS 已經(jīng)完成了 6 顆高用任務(wù)，包括 GF-1，GF-2，GF-3，GF-4，GF-5 -1 衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了高分辨率與大寬度視場相結(jié)合的觀遙感衛(wèi)星進(jìn)入亞米級(jí)分辨率時(shí)代[90]，GF-3 衛(wèi)星是化合成孔徑雷達(dá)成像衛(wèi)星[91]，GF-4 衛(wèi)星是世界上辨率成像衛(wèi)星[92]，GF- 5 衛(wèi)星具有大氣污染物及F-6 衛(wèi)星是中國第一顆高分辨率和覆蓋范圍廣的精

(b) 高分五號(hào)（GF-5）衛(wèi)星載荷分布圖圖 1.2 高分五號(hào)衛(wèi)星及載荷分布示意圖 Sketch map of Gaofen-5 (GF-5) satellite and payloads dis第一臺(tái)多角度偏振觀測儀器，類似于法國 POLDE量原理是基于電荷耦合器件（CCD）探測器單元有光學(xué)濾波器、偏振器、旋轉(zhuǎn)輪和寬視場探測的光轉(zhuǎn)輪的快速旋轉(zhuǎn)，獲得地表觀測物不同波段的光譜實(shí)現(xiàn)大視場（±50°）和多角度觀測成像，對(duì)任何地察[96][97]。同時(shí)，它可以在每個(gè)角度實(shí)現(xiàn) 3 個(gè)偏振以及 5 個(gè)非偏振波長（443、565、763、765 和 91 40 nm，在星下點(diǎn)觀測的空間分辨率為 3.3 km， POLDER（6×7 km）的空間分辨率提高了兩倍，檢索出云、氣溶膠和地表更高空間分辨率的信息，2 天的重訪周期，允許它可以觀測氣溶膠和云的時(shí)定標(biāo)誤差小于 0.05 和 0.02（線偏振度在 0-1 范圍

(b) DPC 數(shù)據(jù)及獲取方式示意圖 1.3 DPC 相機(jī)及數(shù)據(jù)獲取示意圖e Directional Polarimetric Camera表 1.1 DPC 相機(jī)的儀器參量[96]ental parameters of DPC payload值 參數(shù) 0°(穿軌/沿軌) 偏振角度 3.3 km 斯托克斯參量1850 km 輻射計(jì)算誤差≥ 9 偏振計(jì)算誤差512×512 波寬(nm) , 490 (P), 565, (P), 763, 765,65 (P), 910

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1 周喜訊;張華;荊現(xiàn)文;;中國地區(qū)云量和云光學(xué)厚度的分布與變化趨勢[J];大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào);2016年01期

2 王鵬舉,周秀驥;青藏高原大氣光學(xué)特性的測量與分析[J];氣象科學(xué)研究院院刊;1988年01期

3 A.W.Louderback;M.A.Zook;江l

本文編號(hào)：2765028