非球形气溶胶偏振特性及其光学性质反演方法研究

• Main Author: 陈伟
• Other Authors: 北京大学
• Format: Thesis
• Language: Chinese
• Published: 2013
• Subjects: 非球形气溶胶; 偏振特性; 光学性质; 辐射效应; Aerosol Robotic Network
• Online Access: https://hdl.handle.net/20.500.11897/373812

地球辐射收支平衡由大气中的气溶胶、云、大气气体及地表反射辐射共同决定。气溶胶、云和大气气体会吸收和散射入射太阳光并且辐射长波红外。在此过程中伴随着海洋、陆地和大气之间的能量动态重新分布。目前，这个过程可以由气侯模型模拟。在过去几十年的研究中，物理过程引进气候模型使得模拟结果更为精确。然而，对大气气溶胶的气侯效应的模拟却由于气溶胶性质反演的复杂多变性而仍处于高度不确定的状态。大气气溶胶有存在时间短，空间分布不均匀的特点，且与大气辐射、云及其他大气成分有着复杂的相互作用。目前常规利用光强遥感传感器难以有效获取气溶胶光学性质来确定其辐射效应，其主要原因有两个:一是这些参数通过传统光强反演精度有限;二是难以将气溶胶信号与地表信号完全分离开来。<br> 本文利用偏振信号对大气中的气溶胶信息进行分离反演。这是因为在偏振遥感研究的过程中发现:一方面地表的偏振效应相对较弱，对于传感器接收到的偏振信号贡献较少;另一方面，大气在可见光近红外波段有着强烈的偏振效应，且在天空中出现较为稳定的模式图;此外，气溶胶有着明显的非球形特性，且对偏振信息极为敏感，而采用球形模型计算的气溶胶性质在气候模式计算中可能会给短波辐射强迫及长波辐射强迫带来10％左右的误差。因此，利用偏振信号结合地表偏振反射模型可以有效地进行非球形气溶胶信号的反演。<br> 本文利用偏振遥感手段，着重研究以下三个方面的内容:(1)深入研究气溶胶粒子模型，探讨不同气溶胶粒子模型，尤其是球形与非球形气溶胶粒子模型所带来的单次散射差异;(2)在非球形气溶胶散射特性的基础上，将非球形气溶胶模型结果输入到辐射传输模型中，获取并研究不同气溶胶模型对天空偏振模式图的影响，探讨不同类型的非球形气溶胶影响下天空偏振模式图的变化规律及其对气溶胶反演的影响;(3)采用合适的地表模型将地表与大气偏振贡献分离，基于天空偏振模式图理论，利用偏振遥感信号进行基于非球形气溶胶模型的气溶胶光学性质反演研究。<br> 本文的研究成果及创新点有以下几点:<br> 1.系统地研究了不同气溶胶模型的单次散射特性，尤其是非球形气溶胶模型及其对传感器接收到的信号所造成的影响。研究不同谱分布、不同吸收性、不同形状气溶胶模型之间的差异及对传感器接收到反射与偏振反射信号的影响。针对非球形气溶胶模型的进一步研究结果表明，采用非球形模型气溶胶计算所得TOA(Top Of Atmosphere)反射率差异可达到5％。而采用球形与非球形气溶胶模型所计算的气溶胶光学厚度差异最大可达30％。<br> 2.利用非球型气溶胶模型计算的单次散射特征，采用矢量辐射传输模型，全面地研究了天空偏振模式图分布特性非球形气溶胶类型对其影响。在全面分析各种气溶胶类型基础上，研究了全天空偏振信号分布的强度及其分布特征，结果显示，全天空偏振模式图与气溶胶光学厚度、气溶胶的模态（形状、谱分布、散射性及模态信息）密切相关。这个结果从理论上证明可以用天空偏振模式图理论作为气溶胶信息分离反演的重要基础。<br> 3.提出了利用偏振信号、采用非球形气溶胶模型对气溶胶光学厚度进行反演的方法。针对海洋与陆地特征，采用了不同地-气偏振信号分离的方法，并利用NASA(National Aeronautics and Space Administration)研制的RSP(Research Scanning Polarimeter)偏振航飞数据对海陆气溶胶反演结果进行了初步验证。针对海洋航飞结果的非球形气溶胶反演结果与AERONET(Aerosol Robotic Network)结果误差在0.02以内，比球形气溶胶模型反演结果精度提高0.04（AOD为0.25），比MODIS反演结果精度提高约0.12。陆地气溶胶反演结果与AERONET反演结果相比，误差在0.03-0.06之间。 0