卫星遥感中不同偏振量对气溶胶反演的影响分析

偏振探测是提高气溶胶卫星遥感能力的重要途径。作为目前全球重要的偏振数据源,我国高分五号卫星搭载的多角度偏振探测仪（DPC）能够测量不同的偏振量,包括Stokes矢量偏振分量、偏振辐亮度（L_ｐ）和线偏振度（DOLP）。各偏振量所包含的有效信息和测量误差不同,进而影响气溶胶参数的反演精度。针对此,在最优估计反演框架下,利用信号自由度（DFS）和后验误差定量化分析了各偏振量对气溶胶参数反演的影响,为后续DPC气溶胶算法开发提供参考。研究结果表明：Stokes矢量包含的信息量最高,其次是线偏振度和偏振辐亮度,相应的气溶胶总DFS分别为7.5,6.1和5.2;采用不包含偏振方向信息的L_P反演时,复折射指数虚部和粒子谱有效方差的信息量比采用Stokes矢量和DOLP反演时显著下降,表明这两个参数对偏振方向和测量误差敏感,增加偏振方向信息和降低测量误差能够有效提高这两个参数的可反演性;偏振方向的探测对提高气溶胶遥感能力有重要价值,采用L_P和DOLP反演时,气溶胶各参数的后验误差比采用Stokes矢量反演分别增加67.6%和65.5%,其中细模态体积柱浓度和粒子谱有效半径受到的影响最大;在全部气溶胶参数中,复折射指数实部后验误差最小,虚部的反演不确定性最大。总体来说,细模态气溶胶的三个参数（体积柱浓度、复折射指数实部和粒子谱分布有效半径）在三种偏振量反演情况下平均DFS均大于0.85,能够较好的通过DPC观测反演得到,而粗模态气溶胶反演与气溶胶类型有关,参数反演不确定性较大。     

基于遥感观测的折射指数光谱特性反演大气气溶胶中沙尘组分含量

矿物沙尘是气溶胶的重要化学组分,对气候和环境都有重要影响。本文基于2010年的北京AERONET站点的气溶胶产品资料,分析了复折射指数在440～1 020nm范围内的变化特性,发现实部(n)在各个波段的取值差异不大;而虚部(k)由于受到矿物沙尘吸收的影响从440到670nm呈现出明显下降的趋势。据此,将k(440nm)与其他波段的值分开考虑,增加了一维信息量,从而能将目前基于复折射指数反演气溶胶化学组成的三组分模型(水、黑碳、硫酸铵)扩展为包含矿物沙尘的四组分模型,解决了以往在粗粒子较多时无法进行化学成分反演的难题。针对北京沙尘、灰霾、晴朗三种典型天气进行了气溶胶中沙尘组分的反演试验,获得的体积比例分别为88%,37%和48%,与基于气溶胶粒子体积谱分布计算的粗粒子比例的相对大小具有很好的一致性。     

利用T-matrix计算非球形粒子散射特性的研究

本文用T-matrix方法计算了非球形气溶胶粒子的光学特性,得到了气溶胶粒子的消光截面、散射截面、吸收截面与气溶胶粒子形状的关系,不同形状气溶胶粒子的有着相同的散射相函数和不同的偏振度,非球形气溶胶粒子的散射相函数对其复折射指数的实部和虚部都不太敏感,而偏振相函数对其实部和虚部都比较敏感.此结论为研究大气辐射传输提供了较好的方法,尤其是偏振度与偏振相函数的提出为用偏振的方法进一步的反演气溶胶的光学参数提供了理论基础.     

纯转动拉曼法确定激光雷达几何因子

提出了一种确定激光雷达几何重叠因子的新方法。研究了大气分子纯转动拉曼谱线强度分布特征。利用大气分子总的纯转动拉曼激光雷达信号结合瑞利-米氏散射激光雷达信号能精确反演激光雷达几何因子。这种方法消除了振动拉曼方法中气溶胶波长指数影响以及水平测量法气溶胶非均匀性的限制。数值模拟结果表明:在大气温度三种分布模型和气溶胶波长指数三种分布模型下几何因子反演的最大相对误差小于0.5%。根据实际激光雷达信号反演得到了系统的几何因子。     

从MODIS数据反演粗细粒子气溶胶

陆地气溶胶一般由粗粒子和细粒子气溶胶组成,二者的光学特性并不相似,如何利用卫星观测数据获取粗粒子和细粒子气溶胶是反演中所面临的重要问题.基于AERONET/PHOTONS北京站地面观测数据,本文分析得到了北京地区的气溶胶模式(包括气溶胶复折射指数和谱分布函数),结果表明北京地区的气溶胶呈明显的粗细粒子混合的双峰分布,粗...     

基于差分吸收激光雷达的一种新的对流层臭氧浓度反演算法

差分吸收激光雷达探测对流层臭氧浓度时,气溶胶的干扰会造成较大的误差。提出了一种算法,该算法能够同时反演得到对流层臭氧浓度和气溶胶消光系数,减少气溶胶对反演结果的影响。使用实验数据,分析计算了气溶胶雷达比,气溶胶波长指数、标定点气溶胶后向散射比各种变化参数对反演结果的误差。结果表明,1 km以下,各种变化参数造成的反演误差小于8%,1 km以上臭氧浓度误差主要来源于信号和背景噪声,各种参数反演误差小于3%。最后给出了利用该算法得到对流层臭氧浓度和气溶胶的消光系数垂直廓线,并和传统的双波长差分算法反演结果作了比较分析。实验结果表明该算法是可行的,该算法可以减少气溶胶对差分吸收激光雷达测量结果引起的误差。     

光散射和消光参量对气溶胶折射系数的敏感性分析

利用米氏理论，对满足不同Ｊｕｎｇｅ谱型气溶胶的后向散射、消光以及两者之比对其折射系数实部和虚部的敏感性进行了数值计算，得出了有益的结论．     

光散射和消光能量对气溶胶折射系数的敏感性分析

利用米氏理论，对满足不同Ｊｕｎｇｅ谱型气溶胶的后向散射、消光以及两者之比对其折射系数实部和虚部的敏感性进行了数值计算，得出了有益的结论。     

振动拉曼散射信号反演激光雷达几何因子分析

利用研制的探测大气二氧化碳廓线的振动拉曼激光雷达系统采集的氮气分子振动拉曼散射信号,结合激光雷达探测时的大气消光数据,反演求出激光雷达的几何因子曲线。并对气溶胶波长指数变化对振动拉曼信号反演几何因子造成的影响进行分析与估算。气溶胶消光波长指数变化对振动拉曼散射信号反演几何因子会带来较大的误差影响。当气溶胶消光波长指数或其谱分布确定时,振动拉曼散射信号反演几何因子具有简便、可靠等优点,在振动拉曼激光雷达系统几何因子确定中可以充分应用此方法。     

利用HITRAN资料研究黑碳和沙尘气溶胶粒子的光学特性

在IDL程序语言中实现Mie理论的数值算法,利用HITRAN资料提供的气溶胶粒子复折射指数,计算分析了沙尘、黑炭2种气溶胶粒子在不同半径（1μm,2.5μm和10μm）时,对波长为400nm和860nm光的散射效率以及散射相函数矩阵元素。结果表明：黑炭与沙尘有明显的光学性质差别,沙尘粒子不仅散射效率大于黑碳,而且后向散射比黑碳粒子强。 2种粒子对400 nm和860 nm太阳光的偏振也不同,可以利用此特性鉴别这2种气溶胶。     

北京城区污染过程气溶胶光学特性观测分析

基于激光雷达连续观测数据反演得到的多种气溶胶光学参数,包括气溶胶后向散射系数(355/532/1064nm)、消光系数(532/607nm)、退偏比(532p/532s)、激光雷达比(532nm)及波长指数(355/532nm和532/1064nm),分析了2019年10月北京城区三种不同污染事件(空气污染/污染沙尘/纯沙尘)的气溶胶光学特性。结果表明,空气污染气溶胶退偏比(波长指数)为0.10±0.02(1.2±0.19),激光雷达比(43±7sr)相比典型城市污染气溶胶偏低,可能与硝酸盐等水溶性气溶胶吸湿增长或二次有机气溶胶的生成有关;污染沙尘退偏比(波长指数)为0.19±0.03(1.0±0.35),激光雷达比为51±7sr;纯沙尘相比前者退偏比(0.25±0.03)较大,波长指数(0.11±0.44)较小,激光雷达比为40±4sr。     

一种内混合气溶胶粒子模型光散射的等效性

以包含灰尘、黑碳和水三种成分的单分散内混合初次气溶胶为例,利用消光、吸收、散射效率因子和不对称因子,探讨了以等效折射率描述具有不同成分的内混合气溶胶粒子系统的适用性。结果表明,在尺度参数为0.1～25时不同半径比下,消光、吸收和散射效率因子的等效性较好,相对误差分别在3%、3%和4%以内;不对称因子的等效性相对稍差,相对误差在13%以内。当半径比a/b小于1/5,即内混合体中所含灰尘和黑碳较少时,等效折射率实部和虚部值基本可以确定,而不必考虑尺度参数的影响。用除散射相函数之外的其他光学量来等效时,较为容易找到等效的气溶胶粒子。     

多波段激光雷达颗粒物质量浓度探测方法

为了获得大气颗粒物的质量浓度廓线,提出一种基于多波段激光雷达回波信号的大气气溶胶消光系数与颗粒物质量消光效率相结合的新型算法。该方法利用覆盖紫外到近红外波段的激光雷达作为遥感探测工具,获取气溶胶的消光与后向散射系数,反演得到气溶胶粒子谱分布;同时,根据米散射理论算出气溶胶消光效率,结合粒子谱分布,提出颗粒物质量消光效率模型,从而建立基于消光系数与质量消光效率相结合的反演颗粒物质量浓度的新型数学模型与算法。采用该算法对两组不同天气条件多波段激光雷达实测数据进行反演,并与地表采用的颗粒物浓度对比,证明该方法的可行性,为实现颗粒物质量浓度空间分布的探测提供科学依据和方法论。     

气溶胶光学特性对宽谱差分吸收激光雷达NO2质量浓度反演结果的影响

针对宽谱连续波差分吸收激光雷达(DIAL)的特点,通过仿真不同大气条件下的激光雷达信号,计算分析宽谱DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的二氧化氮(NO₂)质量浓度反演误差。研究结果表明：当大气气溶胶均匀分布时,NO₂质量浓度反演误差主要取决于气溶胶消光效应,而后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差一般可忽略不计;当大气气溶胶非均匀分布时,气溶胶后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差依赖于气溶胶非均匀分布程度,且与波长指数成反比。此外,适当增大分段拟合距离可有效降低气溶胶后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差。利用光谱近似得到宽谱NO₂-DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差的近似模型,通过对比模拟计算的结果,验证了近似模型评估NO₂质量浓度反演误差的可行性。     

基于POLDER数据反演陆地上空气溶胶光学特性

针对利用POLDER数据反演陆地上空气溶胶光学特性和地表反射率进行研究.POLDER探测器能够提供可见光到红外的地气系统反射太阳光的反射率和偏振反射率的多方向数据.发展了一种基于多角度的总反射率和偏振反射率联合反演气溶胶光学参数的算法,根据倍加累加法矢量辐射传输模式构建查找表,反演过程中还考虑了测量数据的云检测处理,气体吸收校正和平流层气溶胶校正,通过865 nm波段总反射率和偏振反射率的模拟计算值和实际测量值的对比实现局部区域的气溶胶光学特性参数和地表反射率分布图的同时反演.并用CNES提供的POLDER气溶胶产品对反演结果进行了验证,该方法能够得到气溶胶光学厚度、折射指数、粒子有效半径和地表反射率较合理的反演结果.     

图像动态光散射法纳米颗粒粒度分布反演算法研究

针对基于整体相关的图像动态光散射法(IDLS)测量颗粒粒径分布(PSD)问题,研究了全局搜索(GS)算法反演颗粒粒径分布,对峰值为79nm、多分布指数(PDI)为10%的单峰颗粒系和峰值分别为79nm与352nm、多分布指数均为10%的双峰颗粒系进行了反演数值仿真,结果表明全局搜索算法能较好地反演出颗粒粒径分布情况。以此为基础,对峰值为79nm的单峰分布颗粒系,峰值为79nm和352nm、79nm和482nm的两组双峰分布颗粒系进行了实验测量及算法对比研究,结果表明在单峰分布颗粒系下,相对于累积量法,全局搜索算法反演效果较好;在双峰分布颗粒系下,全局搜索算法与双指数法反演结果基本一致。由此可知,对于图像动态光散射颗粒粒径分布测量方法,全局搜索算法能够有效地反演出单峰分布和双峰分布颗粒系的颗粒粒径分布,是反演多分散颗粒系的一种有效方法。     

利用MODIS数据同时反演中国近海海域气溶胶光学厚度和Junge谱指数

基于中分辨率成像光谱辐射仪第15和16两个近红外通道的反射率数据和空间几何角度参量,利用Junge谱近似实际大气气溶胶模型,采用一种物理迭代法,同时反演了中国近海海洋上空气溶胶光学厚度和Junge谱指数,并对反演方法进行了验证.结果表明:在所研究的海域上空,大部分气溶胶的光学厚度处于0.02~0.17间,Junge谱指数的范围集中在2.8~3.8间,且都有从海岸到远海递减的趋势,得到了合理的气溶胶Junge谱指数与气溶胶光学厚度的空间分布.将反演结果与中分辨率成像光谱辐射仪产品和气溶胶观测网数据作对比,发现反演结果更加逼近气溶胶观测网数据的观测值,具有更高的反演准确度,在该区域具有较好的适用性,以及一定的可行性与可靠性.     

大气气溶胶偏振遥感研究进展

POLDER-1是国际上第一个可以获取偏振光观测的星载对地探测器, 随着POLDER/PARASOL等偏振仪器的应用, 偏振遥感在国际上已成为一个快速发展的研究领域, 并在大气气溶胶监测等方面发挥了重要的作用, 取得了一系列研究成果。从POLDER/PARASOL,APS(aerosol polarimetry sensor)和航空偏振相机、地基偏振观测平台三个方面综述了大气气溶胶偏振遥感近20年(1993-2013)的研究进展, 重点介绍: (1)POLDER/PARASOL陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; POLDER/PARASOL气溶胶光学厚度(AOD)产品精度验证、应用以及与MODIS等卫星AOD产品的对比分析。(2)MICROPOL,RSP和APS陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; 国产多角度航空偏振相机(directional polarimetric camera, DPC)的气溶胶参数反演算法。(3)CE318-2和CE318-DP的气溶胶地基偏振反演算法。其中卫星、航空和地面气溶胶参数反演的结果包括总的AOD、细粒子AOD、粗粒子AOD、粒子谱分布、粒子形状、复折射指数、单次散射反射率、散射相函数、偏振相函数以及云顶AOD。在以上研究基础上, 提出了大气气溶胶偏振遥感研究存在的问题及展望, 为大气气溶胶偏振遥感研究提供有价值的参考。     

Compton散射对斜入射激光脉冲在等离子体中传输的影响

应用多光子非线性Compton散射模型和等效折射指数模型,研究了Compton散射对斜入射激光脉冲在等离子体中传输特性的影响,提出了将入射光和Compton散射光形成的耦合光脉冲作为在等离子体中传输的新机制,用等效耦合折射指数和折射定律分别计算和数值模拟了等离子体中耦合光的反射和折射,结果表明,散射使等离子体中法拉第效应增强,产生了一个与折射界面平行的、较小等幅度附加折射波平面;使等效耦合折射指数的实部和虚部的实参数、折射角和等效折射指数之间的差异明显减小;使用等效耦合折射指数和折射定所得到的反射系数几乎均表现出相同的先增大后迅速减小的规律;使等离子体的反射系数随碰撞频率的增大而迅速减小,透射增强,透射增强的频率位置向高频明显移动。     

Compton散射对斜入射激光脉冲在等离子体中传输的影响

应用多光子非线性Compton散射模型和等效折射指数模型,研究了Compton散射对斜入射激光脉冲在等离子体中传输特性的影响,提出了将入射光和Compton散射光形成的耦合光脉冲作为在等离子体中传输的新机制,用等效耦合折射指数和折射定律分别计算和数值模拟了等离子体中耦合光的反射和折射,结果表明,散射使等离子体中法拉第效应增强,产生了一个与折射界面平行的、较小等幅度附加折射波平面;使等效耦合折射指数的实部和虚部的实参数、折射角和等效折射指数之间的差异明显减小;使用等效耦合折射指数和折射定所得到的反射系数几乎均表现出相同的先增大后迅速减小的规律;使等离子体的反射系数随碰撞频率的增大而迅速减小,透射增强,透射增强的频率位置向高频明显移动。