氣溶膠光學(xué)厚度

1、第2章氣溶膠光學(xué)厚度反演的原理和方法氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth)簡稱AOD，定義為介質(zhì)的消光系 數(shù)在垂直方向上的積分，描述的是氣溶膠對光的消減作用。它是氣溶膠最重要的參數(shù)之一，表征大氣渾濁程度的關(guān)鍵物理量，也是確定氣溶膠氣候效應(yīng)的重要 因素。通常高的AOD值預(yù)示著氣溶膠縱向積累的增長，因此導(dǎo)致了大氣能見 度的降低?，F(xiàn)階段對于 AOD的監(jiān)測主要有地基遙感和衛(wèi)星遙感兩種方法。其中 地基遙感又有多種形式：多波段光度計遙感、全波段太陽直接輻射遙感、激光雷 達(dá)遙感等。其中多波段光度計遙感是目前地基遙感研究中采用的最廣泛的方法。 美國NASA和法國LOA-PHOTONS聯(lián)合

2、建立的全球地基氣溶膠遙感觀測網(wǎng) AERONET所使用的就是多波段太陽光度計(Sun/Sky PhotomererS，在全球共 布設(shè)1217個站點(diǎn)長期觀測全球氣溶膠的光學(xué)特性，積累了大量的 AOD數(shù)據(jù)， 并用作檢測氣溶膠光學(xué)厚度反演精度的標(biāo)準(zhǔn)。而近年來衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展， 多種傳感器被用來研究氣溶膠特性，加上經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的大氣污染問題使得利用 衛(wèi)星遙感資料反演AOD成為熱門課題。2.1氣溶膠光學(xué)厚度反演的基本原理大氣光學(xué)厚度是指沿輻射傳輸路徑單位截面上氣體吸收和粒子散射產(chǎn)生的 總消弱，是無綱量值。在可見光和近紅外波段，它可以由下列公式計算得出：(0 = ,m( 0 v ?1( 0 V (:?

3、_:?i-d，j) ( A，j 一 ;?i，j d)(2-17)在衛(wèi)星高度上的結(jié)構(gòu)函數(shù)為:M2(d)二 M(d)T2(7is)T2Gv)(2-18)假定 清潔日” 1t和 污染日”2地表特征保持不變，則M(d,t1) = M (d, t2)，觀測結(jié) 構(gòu)函數(shù)關(guān)系根據(jù)式(2-12)得：M(d,t1)= Tl9s(t1), 6v(t1), Ta(t 1)(2 19M (d, t 2)Xds(t2), rv(t2), .a(t2)由上式可得在已知 清潔日”的氣溶膠光學(xué)厚度的情況下，污染日”的氣溶膠光學(xué)厚度就可以由衛(wèi)星觀測值獲取。224雙星協(xié)同反演算法近年來隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，對地觀測衛(wèi)星攜帶的

4、傳感器種類不斷 增多，這對于不同平臺之間的結(jié)合研究起到了推動作用。 為了解決氣溶膠光學(xué)厚 度反演中未知參數(shù)過多導(dǎo)致氣溶膠光學(xué)厚度信息難以提取的問題，唐家奎等提出了基于Terra和Aqua雙星的MODIS遙感數(shù)據(jù)協(xié)同反演算法17。該算法具有以下幾種優(yōu)點(diǎn)：（1）不需要事先假設(shè)氣溶膠的類型等參數(shù)。（2）不需要假設(shè)或利用其它統(tǒng)計資 料預(yù)先估計地表反射率，雙星協(xié)同算法是將真實(shí)的表觀反射率作為反演氣溶膠光 學(xué)厚度的變量之一與其同時反演。（3）不收地表反射類型的影響，可應(yīng)用高反 射率的陸地氣溶膠反演。（4）可以同時獲取兩次過境時間的氣溶膠信息，有利 于分析氣溶膠的動態(tài)變化規(guī)律17?；驹砣缦拢涸谡麄€大氣層

5、范圍內(nèi)對微元體積大氣的輻射性質(zhì)進(jìn)行積分稱為地球一大氣 系統(tǒng)的輻射傳輸模型。根據(jù)以前學(xué)者的研究分析42，地球一大氣系統(tǒng)之間的輻 射傳輸方程可以表達(dá)為：COSI匚P dz 4 兀I (z, )(z, r ,r)d (k Oi (z, r)(2-20)其中表示傳感器天頂角，表示空氣密度，二表示散射系數(shù)，z表示咼度,（z, r, r）表示散射相函數(shù)，表示固體角，r表示方位（天頂角，方位角），I （z,r）表示在z高度r方向的輻射強(qiáng)度。方程（2-20）中不能夠得到| （z, r）的解析解，只能夠獲得方程的近似解，Xue等通過用多個不同變量將方程簡化后得 到地表反射率L和表觀反射率L之間的關(guān)系如下43:(

6、a _b) E/sec 野(2-21)_ (Lb - a) a(1 - L)e0_(a _b) EJsec &(Lb - a) b1 - L)e 0其中表示后向散射系數(shù)（通常取值為 0.1）， a二sec二，b=2， 表示表 示氣溶膠光學(xué)厚度。在雙星協(xié)同反演模型中，僅考慮了空氣分子和氣溶膠粒子散 射兩種影響因素，將大氣氣溶膠光學(xué)厚度分為大氣分子的瑞利散射和大氣氣溶膠 粒子的散射兩部分：(2-22)根據(jù)Linke等的研究大氣分子的瑞麗散射近似解為44:(2-23)4. 09mC：)二 0. 00879 一利用？ngstr?m濁度公式可以求出氣溶膠粒子散射光學(xué)厚度為:(2-24)將式（2-24）和

7、（2-23）以及（2-22）代入（2-21 ）中，可以得出地表反射率 L以及？ngstr? m濁度系數(shù)一：和波長指數(shù):-之間的關(guān)系方程。首先假設(shè)在兩次衛(wèi)星過境時間間隔內(nèi)，地表反射率不變，且氣溶膠類型保持 不變，這樣波長指數(shù)：不變，只有氣溶膠粒子濃度變化，即濁度系數(shù)是變化的。然后利用0.47,0.55以及0.66m三個通道實(shí)現(xiàn)雙星協(xié)同反演算法但該算法在實(shí)際應(yīng)用中存在一些制約因素：（1）反演過程中很難獲得方程的解析解，只能通過迭代法獲取其近似解，計算量大，很難將其業(yè)務(wù)化。（2）有些像元出現(xiàn)不收斂的情況誤差較大.（2）不同衛(wèi)星傳感器之間會存在圖像的配 準(zhǔn)誤差，反演過程中影響精度，導(dǎo)致部分反演結(jié)果誤差

8、較大。（ 3）不同衛(wèi)星過 境時間有一定間隔，氣溶膠以及大氣中其它成分的性質(zhì)數(shù)量會發(fā)生變化，導(dǎo)致部分像元反演結(jié)果無法收斂。2.2.5高反差地表法20世紀(jì)70年代Kondratyev等提出了利用高反差地表發(fā)反演晴空條件下陸地 上空的氣溶膠光學(xué)厚度45;46。利用該方法反演陸陸地上空氣溶膠光學(xué)厚度需要 在兩個空間位置相近的區(qū)域，假設(shè)大氣光學(xué)特性不變，選擇明暗兩種對比明顯的 像元進(jìn)行反演。這里要求的明暗像元是相對而言，并不局限于濃密植被覆蓋的特 定區(qū)域，在一定程度上解決了亮地表上空反演的問題。 但實(shí)際應(yīng)用中，該方法要 求傳感器誤差極小，且地表光譜反射值的差異要足夠大， 實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化反演比較困 難。2.3

9、 本章小結(jié)本章節(jié)主要介紹了利用遙感影像數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學(xué)厚度的基本原理， 并介 紹暗像元法、 V5.2 算法、結(jié)構(gòu)函數(shù)法、雙星協(xié)同反演算法以及深藍(lán)算法和高反 差地法。詳細(xì)講述了各自算法的原理， 并描述了它們的應(yīng)用范圍、 反演效果以及 優(yōu)缺點(diǎn)?？傮w來說，暗像元法應(yīng)用最為廣泛， 它利用紅、藍(lán)以及中紅外通道信息， 根據(jù)它們之間地表反射率的關(guān)系進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度的反演， 但僅適用于地表反 射率較低時的情況， 相對來說結(jié)構(gòu)函數(shù)法在針對城市及其周邊地區(qū)的氣溶膠污染 監(jiān)測有一定的優(yōu)勢。 雙星協(xié)同反演算法雖然不受地表類型限制， 適用于城市等亮 地表的氣溶膠光學(xué)厚度反演， 但由于該算法計算量大而且容易受到外界環(huán)境 （如 傳感器間隔時間內(nèi)溫度、 濕度）等的影響部分像元存在較大誤差。 高反差地法獲 取的反演結(jié)果只是相對氣溶膠光學(xué)厚度，很難實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化