卫星近红外偏振通道反演气溶胶光学厚度的气溶胶模型影响

卫星偏振测量是气溶胶遥感的一种重要手段.气溶胶模型的准确性是影响卫星遥感气溶胶参数精度的关键因素之一.在卫星反演气溶胶算法中,若忽略气溶胶粗模态贡献(星载偏振传感器气溶胶反演的一种常用假设)或选错气溶胶类型,均会带来反演结果的误差.基于六种典型的气溶胶类型(沙尘型、生物质燃烧型、乡村背景型、污染大陆型、污染海洋型和重污染型)模型,模拟研究了气溶胶模态和类型选择对卫星近红外偏振通道反演气溶胶光学厚度(AOD)的影响.利用矢量的辐射传输模式,模拟分析了六种气溶胶类型在865 nm波长的大气偏振反射分布函数(BPDF);发现大气BPDF与气溶胶粒子尺度密切相关,粗模态对大气BPDF的贡献远小于细模态;粗、细模态同时存在时,大气BPDF反而小于仅细模态时的BPDF.在此基础上,分析了"忽略粗模态贡献"和"选择错误气溶胶类型"两种情况下AOD的反演误差,得到如下结论:(1)忽略气溶胶粗模态贡献,会导致反演的细模态气溶胶光学厚度(AOD_f)偏小.六种典型气溶胶类型模型情况下,AOD_f反演结果可偏低12.3%~35.7%,其中沙尘型气溶胶时AOD_f反演误差最大,污染大陆型气溶胶时AOD_f反演误差最小.(2)若气溶胶类型选择错误,反演的AOD可能偏大或偏小,取决于与气溶胶类型对应的大气BPDF的差别.测试的六种气溶胶类型中,沙尘型与重污染型的大气BPDF差别最大,二者互换(即"选择错误")时,AOD反演误差最大,分别可达220.3%或-60.6%;乡村背景型与污染大陆型的大气BPDF差别最小,两者互换时,AOD反演误差最小,分别为7.1%和-3.0%.研究结果对于发展新一代星载偏振传感器及其气溶胶反演算法研究具有参考价值.     

大气散射辐射偏振特性测量研究

大气散射辐射偏振特性测量是研究大气光学和物理特性的有效手段之一.利用PVF021型光谱偏振辐射计,以合肥地区大气为例,通过野外地基测量,获取了大量不同时空的大气光谱偏振数据,对它们处理和分析,可以得到大气偏振特性的时空分布信息.此项工作为反演大气参数、建立大气散射辐射偏振特性模型提供素材.     

气溶胶单粒子的偏振散射特性研究

建立了气溶胶单粒子的偏振散射实验装置,采用T-matrix方法模拟球形粒子和长形粒子的光散射计算, 讨论了偏振强度因子(Pf)和穆勒矩阵元素(Z11、Z12)随粒径、形状的变化关系,结果表明,球形粒子和杆状粒子的Pf和Z12随着粒径的增大存在明显差异。通过对单分散的气溶胶颗粒物样品的实验测量,得到不同样品的Pf值和Z12。实验结果表明,以油酸粒子的Z12为基准, 差值△Z12=12可以作为球形的油酸粒子和长形的核黄素以及石棉纤维的区分阈值, △Z12 介于12~41主要为核黄素粒子, △Z12达到59时粒子可被认为是长形的石棉纤维粒子, 而立方形的NaCl气溶胶粒子的△Z12与油酸粒子非常接近,难以区分。初步实验表明,穆勒矩阵元素Z12可以用于识别长形粒子,该研究为颗粒物形态的偏振测量提供依据。     

机载双波长偏振激光雷达探测大气气溶胶分布

为了满足在区域尺度上大气气溶胶垂直分布的探测需求,在中国科学院重大科技基础设施项目“航空遥感系统”的资助下,研制了机载双波长偏振激光雷达。本文介绍了该机载激光雷达的主要功能和性能参数,以及在华北地区开展的飞行观测实验,取得的结果表明,该机载激光雷达性能稳定,其探测精度达到设计要求,可以为污染源的识别和传输路径的探测提供高时空分辨率的数据,为认知大气气溶胶的微物理特性和分类提供了重要的机载遥感平台。     

大气灰霾高浓度气溶胶光学散射传输特性研究进展

讨论了灰霾、沙尘等高浓度气溶胶条件下的有关散射传输问题的研究进展,内容包括：（1）灰霾、沙尘等高浓度气溶胶粒子的物理光学特性;（2）气溶胶粒子吸湿变化对粒子散射传输的影响;（3）气溶胶偏振反射特性;（4）地气间多次散射问题,高浓度气溶胶背景下矢量辐射传输建模的研究。     

灰霾期间硫酸盐包裹沙尘气溶胶粒子的光学特性研究

灰霾期间硫酸盐与沙尘矿物颗粒表面经过系列化学反应形成复杂的混合状态,为气溶胶光学性质模拟带来很大困难。因此,厘清硫酸盐壳对沙尘矿物颗粒光学特性的影响机制具有重要意义。文中根据灰霾期间硫酸盐与沙尘矿物颗粒反应过程中的混合结构变化,建立了沙尘-硫酸盐颗粒的核壳椭球结构模型。采用T矩阵方法,研究了四波段条件（0.44、0.675、0.87、1.02 μm）下,混合比对单分散系沙尘-硫酸盐粒子光学特性的影响。结果表明:混合比对沙尘-硫酸盐粒子光学特性的影响主要在Mie散射区,在瑞利散射区,混合比对粒子光学特性影响不大。同时研究结果还表明,当混合比小于0.3时,硫酸盐壳在粒子散射特性中占主导地位;当混合比大于0.7时,粒子散射特性主要受沙尘核的影响;在此区间内,粒子散射特性由硫酸盐与沙尘共同影响,并会出现强于（或弱于）任何一种纯颗粒物的现象。该研究对理解灰霾老化期间单颗粒气溶胶混合结构及其光学特性具有重要意义。     

大气气溶胶航空多角度偏振观测实验及数据分析

鉴于多角度偏振辐射数据可以有效提升大气气溶胶参数的反演精度,设计了多角度偏振探测航空实验及数据处理流程。将我国自主研制的多角度偏振成像仪DPC搭载在航空平台上,同时在地面布设太阳辐射计CE318观测站点,设计航线串联地面观测站点,开展了航空飞行实验。对实验获得的数据进行分析处理,结果表明,多角度偏振探测航空实验可获取高精度的偏振、辐射数据;使用该数据反演大气气溶胶光学厚度,反演误差小于3%,初步验证了多角度偏振成像仪可为大气气溶胶多参数反演提供有效的数据。     

合肥地区背景大气气溶胶的偏振激光雷达测量研究

为了研究合肥地区背景大气气溶胶的后向散射特性和偏振特性,利用2007年1月至2009年2月期间无云晴天偏振激光雷达常规测量数据进行统计分析。结果表明：合肥地区对流层中、上部气溶胶散射比和大气退偏振比具有明显的季节变化,其均值春季最大、冬季次之、夏季再次、秋季最小;在春季由于非球形粒子增多,使得其结果明显偏大。数据分析结果为低对流层米散射激光雷达测量数据反演提供参数选取依据,并为特殊天气过程大气气溶胶结构层（沙尘层、污染层等）的深入研究提供有用资料。     

基于多角度偏振探测仪的经验正交函数气溶胶细粒子光学厚度反演算法

针对GF-5卫星搭载的多角度偏振探测仪（DPC）平台上气溶胶细粒子反演算法中半经验模型不适用于城市地表偏振反射率估算的问题。基于DPC的经验正交函数方法,开展了气溶胶细粒子光学厚度反演研究。基于米散射计算气溶胶辐射贡献,采用经验正交函数方法计算地表贡献,利用多角度偏振数据以及矢量辐射传输方程,反演气溶胶细粒子光学厚度。本研究的反演结果与中分辨率成像光谱仪的气溶胶细粒子光学厚度产品分布趋势具有一致性,然后与AERONET北京、香河、香港站点的测量结果进行定量对比,相关系数为0.97、0.96、0.9,平均绝对误差为0.08、0.07、0.12,均方根误差为0.12、0.11、0.17,验证了算法的高精度与合理性。最后呈现2019年中国部分地区的气溶胶细粒子光学厚度月平均数据,并分析山东地区气溶胶细粒子光学厚度变化情况,发现6月是全年最高的时期,均值为0.7。上述结果验证了本文算法的可靠性,可为DPC有效监测气溶胶的时空分布提供技术支持     

霾天气气溶胶谱分布特征分析

霾天气是一种常见的天气现象,它严重影响大气能见度和大气光传输。为了研究霾气溶胶的特性,利用粒子计数器对不同地区霾天气气溶胶实际测量结果使用Junge谱和对数正态谱对霾气溶胶粒子谱进行拟合,得到不同地区霾气溶胶粒子谱分布的特征,最后还分析了霾天气过程中气溶胶粒子大小随相对湿度的变化规律。     

探测云和气溶胶的机载双波长偏振激光雷达

针对机载双波长偏振激光雷达的技术特点,结合搭载遥感飞机的基本性能,分析了激光雷达的设计方法;仿真计算了激光雷达的配置参数;解决了激光雷达应用于航空平台的一些关键技术。通过实验取得了初步的结果,地基实验表明,激光雷达达到设计指标要求的探测能力。初步的飞行实验结果表明,激光雷达采用的关键技术符合航空平台关于体积、重量、功耗以及环境适应性的要求。利用激光雷达的主动探测能力,结合机上同时搭载的被动遥感仪器,将实现国家关注的大气成分及其环境要素的科学实验研究目标。     

基于粒子偏振特性的雾霾区分算法研究

雾、霾粒子的组成成分不同,雾滴具有大粒子特性,霾的成分复杂,小粒子居多。偏振观测对小粒子具有很强的敏感性,基于该特性利用矢量辐射传输模型(Vector linearized discrete ordinate radiative transfer, VLIDORT) 计算雾粒子和霾粒子的偏振辐射特性,模拟结果经公式计算可得到雾、霾粒子的偏振反射率。模拟结果表明: 在散射角125$^\circ\sim150^\circ$范围内,雾粒子和霾粒子的偏振反射率随散射角分布有明显不同的变化趋势。利用该偏振辐射特性结合雾霾粒子的辐射特性,基于2008年3月11日的多角度偏振成像观测的卫星载荷 (Polarization and directionality of the earth's reflectances, POLDER)数据对雾和霾进行区分。将区分结果与中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)图像及地面站观测资料进行对比,验证了算法的有效性。这对高分五号大气气溶胶多角度偏振探测仪(Directional polarimetric camera, DPC) 遥感数据的应用具有重要的参考价值和科学意义。     

用于气溶胶探测的偏振遥感器及其在轨定标技术

太阳辐射与气溶胶相互作用具有偏振特性,利用偏振技术研究气溶胶微物理特性比传统遥感方法更具有优势。首先介绍了定标的重要性和主要定标方法;其次介绍了用于气溶胶探测的偏振遥感器的工作原理和技术特点;再次,详细叙述偏振遥感器的在轨定标技术并分析总结其特点。最后对偏振遥感器及其在轨定标技术的发展趋势做了展望。     

偏振遥感的研究现状及发展趋势

偏振遥感以目标辐射能量的偏振特征作为探测信息,能够很好地分辨目标上低反射区域和目标轮廓,在复杂的背景中提取目标的三维信息,解决传统遥感所不能解决的大气探测和伪装识别方面的问题.本文介绍了偏振遥感的基本原理,详细阐述了偏振遥感仪器、数据处理和目标偏振特征的国内外研究现状,并指出了偏振遥感的未来发展趋势.     

大气气溶胶和云雾粒子的激光雷达比

对探测大气气溶胶和云雾粒子的激光雷达的关键参量——激光雷达比问题进行了详细的讨论，利用实际大气气溶胶和云雾粒子的光学特性对0．532μm和l.064μm波长上的激光雷达比进行了计算分析，得到了各种气溶胶粒子组份和典型的集合状态以及云雾粒子的激光雷达比。发现激光雷达比和粒子的物理、光学性质密切相关，不同种类的粒子的激光雷达比有巨大的差异，并且两个波长上激光雷达比的相互关系也不相同，这些结果为激光雷达探测大气气溶胶和云雾粒子提供了依据。     

航空型多波段偏振遥感探测及其光学系统的研究与设计

本文简要分析了遥感偏振探测的机理和与遥感强度探测相比所具有的优越性，并指出了偏振遥感探测广阔的应用前景．结合８６３课题给出了航空型多波段偏振遥感探测中光学系统的设计与分析，同时也给出了一定应用结果．     

多角度偏振浊度计中扫描机构的设计

多角度偏振浊度计是一种利用了多角度散射和偏振测量技术的大气气溶胶测量仪器.核心扫描机构的设计是浊度计能否获取高精度大气气溶胶参数的关键.根据浊度计测量要求,选择了扫描机构实现方案,讨论了关键要求的实现方法,完成了扫描机构的设计并进行了验证.