基于多角度多光谱Stokes参数<em> Q</em>和<em> U</em>测量反演气溶胶偏振相函数

引用本文

李莉, 李正强, 伽丽丽, 许华, ManfredWendisch. 基于多角度多光谱Stokes参数 Q和 U测量反演气溶胶偏振相函数 . 光谱学与光谱分析, 2018,38(12): 3699-3707
LI Li, LI Zheng-qiang, QIE Li-li, XU Hua, Manfred Wendisch. Retrieval of the Polarized Phase Function of Aerosol Particles Based on Multi-Angle Multi-Spectral Measurements of the Stokes Parameters Q and U . Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(12): 3699-3707. 复制到剪切板

Doi: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3699-09
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基于多角度多光谱Stokes参数 Q和 U测量反演气溶胶偏振相函数

李莉¹, 李正强^1,^*, 伽丽丽¹, 许华¹, ManfredWendisch²

1. 中国科学院遥感与数字地球研究所国家环境保护卫星遥感重点实验室, 北京 100101

2. Leipzig Institute for Meteorology, Leipzig University, Leipzig 04103, Germany

*通讯联系人 e-mail: lizq@radi.ac.cn

作者简介: 李莉, 1983年生, 中国科学院遥感与数字地球研究所助理研究员 e-mail:lili3@radi.ac.cn

收稿日期: 2017-11-20 接受日期: 2018-03-29

基金项目: 国家自然科学基金项目(41501390, 41671367, 41671364), 中国科学院科研装备研制项目(YZ201664)资助

摘要

偏振相函数是气溶胶重要的光学参数之一, 它对气溶胶复折射指数、粒子尺度和形状都十分敏感。多角度多光谱偏振遥感可以有效获取气溶胶偏振相函数信息。新一代CIMEL太阳-天空偏振辐射计CE318-DP作为高精度地基气溶胶偏振遥感仪器已被引入全球气溶胶自动观测网AERONET(AErosol RObotic NETwork), 并作为扩展多波长偏振测量的太阳-天空辐射计观测网SONET(Sun/sky-radiometer Observation NETwork)的主要仪器, 已在不同类型气溶胶观测站点积累了多年的偏振数据。但目前偏振反演仅能利用线偏振度或偏振辐亮度。与线偏振度和偏振辐亮度相比, Stokes参数 Q和 U不仅包含天空光线偏振强度信息还包含偏振方向信息。利用CE318-DP多光谱多角度测量的天空光Stokes参数 Q和 U反演气溶胶偏振相函数的方法。针对CE318-DP标准主平面偏振观测模式PPP(Polarized Principal Plane)下Stokes参数 U对气溶胶特性变化不敏感、信息难以利用的不足, 测试了新的平纬圈偏振扫描模式ALMP(ALMucantar Polarization)获取Stokes参数 Q和 U, 并成功应用于偏振相函数的反演。系统分析了340~1 640 nm多光谱通道上典型生物质燃烧型气溶胶和水溶性气溶胶的- P₁₂ /P₁₁反演结果并测试了反演方法在晴朗和灰霾不同大气条件下的适用性。无论在主平面还是平纬圈观测几何下, 反演结果在可见光和近红外通道上均与真实值具有较好的一致性。进一步讨论了模型中基于气溶胶参数初始值和大气气溶胶参数真实值计算的“大气单次散射/大气散射”的比值近似相等的假设条件在短波通道不能很好地满足是造成紫外波段反演结果偏差较大的原因之一。后续有待进一步提高反演模型在短波通道的适用性, 为利用不同光谱通道上- P₁₂ /P₁₁的变化特征改进气溶胶微物理参数反演奠定了基础。

关键词: 气溶胶遥感; 偏振; Stokes参数; 偏振相函数; CE318-DP

中图分类号:P407 文献标识码:A

Retrieval of the Polarized Phase Function of Aerosol Particles Based on Multi-Angle Multi-Spectral Measurements of the Stokes Parameters Q and U

LI Li¹, LI Zheng-qiang^1,^*, QIE Li-li¹, XU Hua¹, Manfred Wendisch²

1. State Environmental Protection Key Laboratory of Satellite Remote Sensing, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

2. Leipzig Institute for Meteorology, Leipzig University, Leipzig 04103, Germany

Abstract

The polarized phase function is one of the important optical parameters, which is very sensitive to the aerosol complex refractive index, particle size and shape. The multi-angle multi-spectral polarization remote sensing is an effective means for obtaining the aerosol polarized phase function. As a ground-based high-accuracy polarization instrument for aerosol remote sensing, the new generation CIMEL dual-polar sun-sky radiometer CE318-DP has been introduced into the worldwide AErosol RObotic NETwork (AERONET). Meanwhile, as the main instrument of the Sun/sky-radiometer Observation NETwork (SONET) with the extension of multi-wavelength polarization measurements, it has accumulated polarization data for many years over observation stations with different aerosol types. However, the retrieval has been based only on the degree of linear polarization or the polarized radiance up to now. Compared to the degree of linear polarization and the polarized radiance, the Stokes parameters Q and U contain information not only on intensity of linear polarization but also on the orientation of polarization. This study introduces an algorithm to retrieve the aerosol polarized phase function based on the Stokes parameters Q and U of skylight from the multi-angle multi-spectral polarization measurements of the CE318-DP. Considering that the Stokes parameter U is changeless with different aerosol properties for the CE318-DP standard polarization observation scenario PPP (Polarized Principal Plane), which is difficult to be utilized, a new ALMP (ALMucantar Polarization) observation scenario is tested to obtain the Stokes parameters Q and U, then to be applied in retrieval of polarized phase function. As to the typical biomass burning and water-soluble aerosols, the results of - P₁₂ /P₁₁ in the channels centered at 340 to 1 640 nm were presented and analyzed systematically. Moreover, the applicability of the inversion algorithm in clear and hazy sky conditions was also tested. For the visible and near-infrared channels, the results were in agreement with the truth values not only for the PPP but also for the ALMP geometries. One of the reasons for the obvious deviation of the results in the ultraviolet (UV) bands was also discussed, which was the assumption of the approximately equivalent “ratios of atmospheric single scattering and atmospheric scattering” based on the initial aerosol parameters and the real aerosol parameters could not be satisfied in the UV bands. The inversion model should be improved to be applied to the short-wave channels in further studies. On this basis, some subsequent researches can be engaged in to utilize the features of multi-spectral - P₁₂ /P₁₁ to improve the retrieval of aerosol microphysical properties.

Key words: Aerosol remote sensing; Polarization; Stokes parameters; Polarized phase function; CE318-DP

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引言

气溶胶光学特性参数由粒子微物理特性和化学组成决定, 直接体现了气溶胶对电磁辐射吸收和散射的影响, 对研究地-气系统的辐射收支、能量平衡和气候变化至关重要^[1]。粒子的光散射特性可由散射相矩阵完整地描述, 其中偏振相函数P₁₂是散射相矩阵的第二个元素, 是气溶胶重要的光学参数之一。与散射相函数P₁₁相比, 它对粒子的形状等某些微观特性更加敏感^[2]。多角度多光谱偏振遥感可以有效获取气溶胶偏振相函数信息^[3]。气溶胶偏振探测的代表性星载仪器POLDER(POLarization and Directionality of the Earth’ s Reflectances)已于2013年结束寿命, 中国、美国、欧洲等后续均规划了一系列多角度多光谱偏振探测卫星。在下一代星载遥感器发射前, 地基多光谱多角度偏振遥感是目前可以持续稳定获取气溶胶偏振测量的重要手段^[4]。

新一代CIMEL太阳-天空偏振辐射计CE318-DP作为高精度地基偏振遥感仪器已被引入全球气溶胶自动观测网AERONET (AErosol RObotic NETwork), 并作为中国建立的扩展多波长偏振测量的太阳-天空辐射计观测网SONET(Sun/sky-radiometer Observation NETwork)的主要仪器, 已在城市、乡村、海洋、荒漠、高原等十几个典型站点开展气溶胶特性的长期稳定观测^{[4, 5, 6]}。

从多角度多光谱偏振测量信号构成的物理含义出发, 通过矢量辐射传输计算可实现气溶胶偏振相函数的高精度反演。 Li等^[3]综合利用地基CE318-DP的多光谱、多角度和偏振测量信息反演整层大气气溶胶单次散射反照率、散射相函数和偏振相函数。 Bayat等^[8]应用该方案基于CE318-2型太阳辐射计的偏振测量同时反演气溶胶单次散射反照率和偏振相函数。

虽然太阳-天空偏振辐射计已开展十年左右的偏振观测, 但目前偏振反演仍仅能利用线偏振度或偏振辐亮度。 Stokes参数Q和U不仅包含天空光线偏振强度信息还包含偏振方向信息^[8]。但由于这些偏振参数的取值随参考平面变化, 而CE318仪器光学头和机械臂每次组装时都会带来参考平面的不确定变化, 因此, 与线偏振度和偏振辐亮度相比, 它们更难以获得。 Li等^[6]解决了在仪器非理想安装情况下求解Stokes参数Q和U的问题, 使CE318-DP获取的偏振参数涵盖了Stokes参数I, Q, U, 线偏振度和偏振角。并针对CE318-DP标准主平面观测模式下U的信息难以利用的不足, 扩展了新型平纬圈偏振观测模式。本文在前人研究的基础上扩展利用CE318-DP平纬圈和主平面多角度多光谱偏振测量获取的天空光Stokes参数Q和U来反演气溶胶偏振相函数。

1 实验部分

1.1 数据获取

法国CIMEL公司的CE318-DP型太阳-天空辐射计发展了偏振片和滤光片组合的双滚轮技术。在CE318-2型太阳-天空偏振辐射计仅有一个870 nm偏振测量通道的基础上, 扩展了从紫外到近红外340~1 640 nm范围内八个波段的偏振测量能力^[4], 为获取天空光多光谱偏振信息提供了新的手段。

CE318-DP在太阳主平面(即太阳入射方向与天顶方向组成的平面)-85° ~85° 扫描角范围内进行35个角度的天空光偏振测量^[4](见图1)。在太阳主平面上, Stokes参数U近似等于0, 对气溶胶特性变化不敏感, 这部分信息难以利用^[6]。除主平面偏振测量外, 部分仪器(例如Beijing-RADI站点)还扩展了平纬圈偏振扫描的测试功能。固定观测天顶角等于太阳天顶角, 改变相对方位角获得30° ~330° 范围内28个相对方位角上的天空光偏振分布信息^[4](见图1)。 Stokes参数Q和U在平纬圈观测几何下受气溶胶特性的影响显著, 有助于我们获取更丰富的气溶胶微观信息。

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图1 太阳-天空偏振辐射计的观测几何
PPP: 主平面偏振观测模式; ALMP: 平纬圈偏振观测模式; O: 仪器位置; θ ₀: 太阳天顶角; θ : 观测天顶角Fig.1 Observation geometries of the CE318-DP
PPP: the Polarized Principal Plane scenario; ALMP: the ALMucantar Polarization scenario; O: the position of the instrument; θ ₀: the solar zenith angle; θ : the viewing zenith angle

1.2 反演方法

在可见光和近红外波段, 不考虑热发射的情况下, 地面测量在无云条件下的天空光散射受到大气单次散射(包括空气分子的单次散射和气溶胶粒子的单次散射)、多次散射和地面贡献的影响(即地表反射和散射辐射)^[3]。要求解气溶胶的散射相矩阵元素需要将多次散射影响和地表贡献从总散射中扣除, 得到单次散射影响。再将气溶胶和分子的单次散射分开考虑, 得到仅由气溶胶产生的单次散射。地表测量的单次散射的归一化辐亮度可表达为

$L^{(1)} (μ, φ) = \frac{π I^{-} (τ_{s}, μ, φ)}{F_{0}} = \frac{ω_{0} τ_{s}}{4 μ} p (μ, φ, μ_{0}, φ_{0}) (1)$

其中, I^-为下行漫射光谱辐亮度, F₀为大气外界太阳辐照度。 τ _s为大气整层光学厚度。 τ _s=τ _A+τ _M, 其中τ _A为气溶胶光学厚度, τ _M为分子光学厚度。 ω ₀为单次散射反照率。 p为散射相函数(即散射相矩阵的第一个元素P₁₁), 它描述了光子被散射到散射角为Θ 的特定方向上的概率。 (μ ₀, φ ₀)为太阳入射方向的天顶角的余弦和相对方位角; (μ , φ )为观测方向的天顶角的余弦和相对方位角。其中, μ ₀=cosθ ₀, μ =cosθ 。上标“ (1)” 表示单次散射。用散射角Θ 为变量表达为

$L^{(1)} (Θ) = \frac{ω_{0} τ_{s}}{4 \cos θ} p (Θ) (2)$

现将气溶胶和空气分子的单次散射分开考虑, 在非分子吸收通道, 仅有气溶胶粒子的吸收, 大气的单次散射反照率即为气溶胶单次散射反照率。则

$\begin{array}{l} L^{(1)} (Θ) = L_{A}^{(1)} (Θ) + L_{M}^{(1)} (Θ) = \frac{π I}{F_{0}} = \\ \frac{ω_{0} τ_{A} p_{A} (Θ) + τ_{M} p_{M} (Θ)}{4 \cos θ} (3) \end{array}$

其中, p_A为气溶胶散射相函数, p_M为分子散射相函数。

与地表测量的单次散射的归一化总辐亮度对应, 地表测量的单次散射的Stokes线偏振分量Q和U也满足

$\begin{array}{l} \frac{π Q}{\cos 2 α F_{0}} = \frac{ω_{0} τ_{A} P_{A, 12} (Θ) + τ_{M} P_{M, 12} (Θ)}{4 \cos θ} (4) \\ \frac{π U}{\sin 2 α F_{0}} = \frac{ω_{0} τ_{A} P_{A, 12} (Θ) + τ_{M} P_{M, 12} (Θ)}{4 \cos θ} (5) \end{array}$

式中, α 为逆时针旋转角(即散射平面和当地子午面之间的夹角)。 Stokes参数Q和U的测量以当地子午面(即观测方向与天顶方向组成的平面)为参考平面。大气分子的光学参数包括: τ _M, P_{M, 11}(即p_M)和P_{M, 12}。气溶胶粒子的光学参数包括: τ _A, ω ₀, P_{A, 11}(即p_A)和P_{A, 12}。其中, 大气分子光学厚度可通过测量点的气压和海拔高度计算得到。 P_{M, 11}和P_{M, 12}可由大气分子瑞利散射计算得到。 τ _A可以通过太阳-天空辐射计的太阳直射通道消光测量得到。气溶胶粒子的散射相矩阵元素P_{A, 11}和P_{A, 12}与ω ₀耦合在一起, 要反演P_{A, 11}和P_{A, 12}首先要获得ω ₀。

初始假设一组气溶胶单次散射反照率 $ω_{0}^{*}$ 和散射相矩阵元素 $P_{A, 11}^{*}$ 和 $P_{A, 12}^{*}$ 。其中, $ω_{0}^{*}$ 在0.5~1.0之间取5个初始值。对于球形粒子, 假定初始的粒子尺度谱分布满足Junge尺度分布模型, 根据CE318-DP太阳直射通道多波段气溶胶光学厚度的测量结果得到的Angströ m指数, 代入可得到粒子尺度分布, 结合气溶胶复折射指数m=1.40-i0.00的初始假设, 通过Mie散射理论计算出初始散射相矩阵元素 $P_{A, 11}^{*}$ 和 $P_{A, 12}^{*}$ ; 根据观测经验^[3], 当Angströ m≤ 0.5并且气溶胶光学厚度τ _A≥ 0.3时, 认为是沙尘气溶胶。对于非球形沙尘粒子, 采用椭球数据库(Spheroids)给出散射相矩阵元素 $P_{A, 11}^{*}$ 和 $P_{A, 12}^{*}$ 的初始值。

地表反射率对地基天空光偏振测量影响不大。假定地表为朗伯体并给定地表反照率 $ρ_{g}^{*}$ 的初始值。输入1)大气分子的光学参数τ _M, P_{M, 11}和P_{M, 12}; 2)通过直射测量得到的气溶胶光学厚度τ _A以及气溶胶单次散射反照率 $ω_{0}^{*}$ 和散射相矩阵元素 $P_{A, 11}^{*}$ , $P_{A, 12}^{*}$ 的初始假设; 3)地表反照率 $ρ_{g}^{*}$ , 就可以通过SOS矢量辐射传输模型^[7]分别计算得到CE318-DP主平面和平纬圈观测几何下的总散射辐射的归一化Stokes参数 $I_{nor}^{*}$ , $Q_{nor}^{*}$ , $U_{nor}^{*}$ 和无地表影响下( $ρ_{g}^{*}$ =0)的归一化Stokes参数 $I_{nor, 0}^{*}$ , $Q_{nor, 0}^{*}$ , $U_{nor, 0}^{*}$ 。从总散射辐射中扣除地表影响即为大气散射的贡献。前人模拟研究表明, 当假设的气溶胶光学参数 $ω_{0}^{*}$ , $P_{A, 11}^{*}$ , $P_{A, 12}^{*}$ 与实际大气的气溶胶光学参数ω ₀, P_{A, 11}, P_{A, 12}接近时, 对应的“ 大气单次散射/大气散射(即总散射-地表贡献)” 的比值也近似相等^[3], 可得

$\begin{array}{l} \frac{ω_{0} P_{A, 11}}{ω_{0}^{*}} = \frac{I_{nor} - (I_{nor}^{*} - I_{nor, 0}^{*})}{I_{nor, 0}^{*}} P_{A, 11}^{*} + \\ \frac{I_{nor} - I_{nor}^{*}}{I_{nor, 0}^{*}} \frac{τ_{M}}{ω_{0}^{*} τ_{A}} P_{M, 11} (6) \end{array}$

由于气溶胶粒子的散射相函数满足归一化条件

$\frac{1}{4 π} \underset{4 π}{\int \int} p (Θ) d^{2} Ω = \frac{1}{2} {\int_{π}}_{0} p (Θ) \sin Θ d Θ = 1 (7)$

则,

相应地, 可以通过地基偏振测量得到的Stokes参数Q和U, 结合有/无地表影响下的模拟值 $Q_{nor}^{*}$ , $Q_{nor, 0}^{*}$ , $U_{nor}^{*}$ , $U_{nor, 0}^{*}$ 计算得到气溶胶偏振相函数P_{A, 12}

$\begin{array}{l} P_{A, 12} = \frac{Q_{nor} - [Q_{nor}^{*} (ω_{0}) - Q_{nor, 0}^{*} (ω_{0})]}{Q_{nor, 0}^{*} (ω_{0})} P_{A, 12}^{*} + \\ \frac{Q_{nor} - Q_{nor}^{*} (ω_{0})}{Q_{nor, 0}^{*} (ω_{0})} \frac{τ_{M}}{ω_{0} τ_{A}} P_{M, 12} (9) \\ P_{A, 12} = \frac{U_{nor} - [U_{nor}^{*} (ω_{0}) - U_{nor, 0}^{*} (ω_{0})]}{U_{nor, 0}^{*} (ω_{0})} P_{A, 12}^{*} + \\ \frac{U_{nor} - U_{nor}^{*} (ω_{0})}{U_{nor, 0}^{*} (ω_{0})} \frac{τ_{M}}{ω_{0} τ_{A}} P_{M, 12} (10) \end{array}$

由于偏振模拟值 $Q_{nor}^{*}$ ≈ $Q_{nor, 0}^{*}$ , $U_{nor}^{*}$ ≈ $U_{nor, 0}^{*}$ , 式(9)和式(10)可以简化为

$\begin{array}{l} P_{A, 12} = \frac{Q_{nor}}{Q_{nor}^{*} (ω_{0})} P_{A, 12}^{*} + \frac{Q_{nor} - Q_{nor}^{*} (ω_{0})}{Q_{nor}^{*} (ω_{0})} \frac{τ_{M}}{ω_{0} τ_{A}} P_{M, 12} (11) \\ P_{A, 12} = \frac{U_{nor}}{U_{nor}^{*} (ω_{0})} P_{A, 12}^{*} + \frac{U_{nor} - U_{nor}^{*} (ω_{0})}{U_{nor}^{*} (ω_{0})} \frac{τ_{M}}{ω_{0} τ_{A}} P_{M, 12} (12) \end{array}$

2 结果与讨论

2.1 不同类型气溶胶的反演结果分析

首先利用SOS矢量辐射传输模型结合Mie散射计算分别模拟了典型生物质燃烧型气溶胶和水溶性气溶胶影响下CE318-DP主平面和平纬圈8个光谱通道天空光偏振测量获得的Stokes参数I, Q, U(见表1)。利用模拟的CE318-DP观测值迭代计算单次散射反照率ω ₀, 代入反演不同类型气溶胶粒子的散射相矩阵元素P₁₁和-P₁₂/P₁₁。将单次散射计算的散射相矩阵进行归一化处理, 作为真实值对-P₁₂/P₁₁的反演结果进行验证。

表1 不同类型气溶胶影响下的天空光Stokes参数的模拟条件 Table 1 Input parameters for the simulation of Stokes parameters of skylight affected by different types of aerosols

在主平面偏振观测模式下, 由于Stokes参数U对气溶胶特性变化不敏感^[7], 因此仅用Q进行气溶胶偏振相函数反演。图2给出了主平面偏振模式下Stokes参数Q反演的气溶胶的偏振相函数-P₁₂/P₁₁结果。对于以细模态粒子为主、强吸收的生物质燃烧型气溶胶, 在675~1 640 nm波段, 反演结果与真实值具有很好的一致性; 500 nm通道上的反演结果在80° ~153° 散射角范围内与真实值的绝对差异较明显, 但可以反映出原-P₁₂/P₁₁曲线的变化特征; 而340~440 nm的反演结果与真实值偏离较大。对于同样以细模态粒子为主但吸收性较弱的水溶性气溶胶, 在440~1 640 nm波段, 反演结果与真实值的一致性都较好; 在380 nm的反演结果虽然与真实值的绝对差异稍大, 但也基本可以反映出原-P₁₂/P₁₁曲线的变化特征; 而340 nm的反演结果则明显偏离真实值。除10° ~20° 散射角附近因Stokes参数Q在该散射角上穿越0点导致的反演异常外, 最大的反演差异主要出现在后向150° 散射角附近。

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图2 主平面偏振(PPP)观测模式下Stokes参数Q反演的生物质燃烧型气溶胶(bio)和水溶性气溶胶(wat)的-P₁₂/P₁₁比较
实线为真实值, 虚线为反演结果, 蓝色对应生物质燃烧型气溶胶, 红色对应水溶性气溶胶Fig.2 Comparison of -P₁₂/P₁₁ for the biomass burning and water-soluble aerosols retrieved from the Stokes parameter Q at the PPP observation geometry
The line notations are as solid line for truth values, dash line for retrieval results, blue line for biomass burning aerosol, and red line for water-soluble aerosol

在平纬圈模式下, 由于Stokes参数Q在115° 附近穿越0点, 导致该点附近较大的散射角范围内-P₁₂/P₁₁的反演结果出现异常值。因此, 仅采用U进行-P₁₂/P₁₁反演。图3给出了平纬圈偏振扫描模式下Stokes参数U反演的-P₁₂/P₁₁结果。对于生物质燃烧型气溶胶除紫外波段340和380 nm的反演结果与真实值偏离较大外, 其他波段上的一致性都较好。而对于水溶性气溶胶, 虽然短波波段(如340 nm)偏差略大, 但各波段上的反演结果均能较好地反映出原-P₁₂/P₁₁的变化特征。

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	图3 平纬圈偏振(ALMP)观测模式下Stokes参数U反演的生物质燃烧型气溶胶(bio)和水溶性气溶胶(wat)的-P₁₂/P₁₁比较实线为真实值, 虚线为反演结果, 蓝色对应生物质燃烧型气溶胶, 红色对应水溶性气溶胶Fig.3 Same as in Fig.2, but for the results retrieved from the Stokes parameter U at the ALMP observation geometry

2.2 晴朗和灰霾大气条件下的反演对比

SONET观测网Beijing-RADI站点(40.0° N, 116.4° E)位于中国科学院遥感与数字地球研究所楼顶, 属于典型的城市型气溶胶观测站点。从该站点的主平面和平纬圈偏振测量中, 选取典型晴朗和灰霾大气条件下的观测案例, 反演实际大气中不同气溶胶影响下的-P₁₂/P₁₁。

图4给出了2014年1月15日(晴朗)和2013年12月7日(灰霾)两日SONET观测网反演的Beijing-RADI站点440 nm的气溶胶光学厚度AOD(aerosol optical depth)。可以看出, 2014年1月15日气溶胶光学厚度变化不大, 一整天都维持在较低水平。在观测案例选取的时间段内(02:17— 02:51 UTC), AOD仅在0.27~0.28之间变化。而2013年12月7日是典型的灰霾天气, AOD从早上(00:35 UTC)的1.02到晚上(06:59 UTC)逐渐升高到2.24。在观测案例选取的时间段内(04:12— 04:44 UTC), AOD高达1.59~1.61。

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	图4 晴朗和灰霾观测案例当日CE318-DP太阳直射通道反演得到的气溶胶光学厚度(参照AERONET1.0级AOD产品标准)Fig.4 Aerosol optical depth (AOD) derived from the CE318-DP sun measurements in the clear and hazy sky conditions (following AERONET level 1.0 data criteria

图5给出了晴朗和雾霾天气条件下主平面Stokes参数Q 和平纬圈Stokes参数U反演的-P₁₂/P₁₁。从晴朗案例的结果可以看出, 主平面和平纬圈的反演结果整体分布比较接近。随着散射角增大, 各波段的-P₁₂/P₁₁都先增大后减小。 440和500 nm的-P₁₂/P₁₁随散射角的增大由正值变为负值。两种观测模式下反演的-P₁₂/P₁₁曲线都不太平滑, 这主要是由于观测案例中偏振通道的DN(digital number)值整体较低造成的。在主平面扫描模式下, 获取的-P₁₂/P₁₁反演结果比平纬圈反演的角度范围更大。主平面反演结果的散射角范围为3° ~147° , 而平纬圈反演结果的散射角范围仅为28° ~125° 。主平面反演结果在15° 散射角附近的反演异常主要是由于Stokes参数Q在该角度穿越0点造成的。

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	图5 晴朗和雾霾大气条件下主平面偏振观测获取的天空光Stokes参数Q和平纬圈偏振观测获取的天空光Stokes参数U反演的-P₁₂/P₁₁Fig.5 -P₁₂/P₁₁ retrieved from the Stokes parameter Q at the PPP observation geometry and from the Stokes parameter U at the ALMP observation geometry under the clear and hazy sky conditions

从灰霾案例的-P₁₂/P₁₁结果对比可以看出, 在灰霾大气条件下, 主平面和平纬圈的反演结果也比较一致。说明反演模型不仅在晴朗大气条件下适用而且在灰霾大气条件下也有较好的适用性。各波段-P₁₂/P₁₁都随散射角的增大而增大, 在90° 散射角附近达到最大值后, 再随散射角的增大而减小。主平面和平纬圈的反演结果都表现出统一的光谱变化特征, 即-P₁₂/P₁₁随波长的增大而增大。对比主平面和平纬圈的反演结果, 最大差异位于440和500 nm波段, 这是由于这两个波段的反演结果本身误差较大造成的。

从前面结果可以看出, 无论在主平面还是平纬圈观测几何下, 675~1 640 nm通道上的-P₁₂/P₁₁反演结果均与真实值有较好的一致性; 在可见光波段440和500 nm通道, 散射角较小时误差也较小, 而散射角大于90° 后, 反演结果与真实值差异较大; 但在紫外波段340和380 nm的-P₁₂/P₁₁明显偏离真实值, 这与前人基于偏振反射率的反演结果基本一致^[3]。说明反演模型在波长较短的情况下(如紫外波段)的适用性不太好。这可能是模型中基于气溶胶参数假设值和大气气溶胶参数真实值计算的“ 大气单次散射/大气散射” 的比值近似相等的假设条件在短波通道不能很好地满足造成的。为此, 图6进一步给出了PPP和ALMP测量模式下短波通道(340~500 nm)和长波通道(675~1 640 nm)上Stokes参数I, Q和U的“ 大气单次散射/大气总散射” 的比较。

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图6 不同观测模式下短波通道340~500 nm(左列)和长波通道675~1 640 nm(右列)Stokes参数的“ 大气单次散射/大气总散射”
实线为初始假设气溶胶参数模拟结果, 虚线为真实的生物质燃烧型气溶胶参数模拟结果。 Stokes参数Q和U曲线上的异常值是穿越0点造成的Fig.6 Ratio of atmospheric single to total scattered Stokes parameters in the short-wave channels 340~500 nm (left column) and long-wave channels 675~1 640 nm (right column) for different observation geometries
The line notations are as solid line for results simulated with the initially guessed aerosol parameters, dash line for results simulated with the realistic model of biomass burning aerosol. The abnormal values on the curves can be attributed to the Stokes parameters Q and U are close to 0 at these positions

从图6中可以明显看出, 在短波通道上基于气溶胶参数的初始假设计算得到的主平面和平纬圈上的Stokes参数I的“ 大气单次散射/大气总散射” 比值(虚线)与真实气溶胶模型参数计算得到的相应比值(实线)偏离较大[见图6(a, e)], 在大部分散射角上(特别是在前向附近10° 散射角以内)不能充分满足反演模型推导的假设条件。这导致短波通道上基于Stokes参数I迭代计算的单次散射反照率偏差较大, 从而使-P₁₂/P₁₁的反演结果误差也较大。而在长波通道上, 两者的偏离相对较小[见图6(b, f)], 能够满足这一假设条件。虽然675 nm通道的平均偏差与340~500 nm通道相比并没有明显减小, 但前向附近(10° 散射角以内)的偏差比340~500 nm通道要小得多。在单次散射反照率的循环迭代计算中, 前向的贡献起主导作用。因此, 675 nm通道的反演结果要明显优于340~500 nm通道。

此外, 与长波通道相比, 在某些短波通道上的Stokes参数Q和U的“ 大气单次散射/大气总散射” 比值(虚线)与真实气溶胶模型参数计算得到的相应比值(实线)偏离并不大, 例如340 nm通道上主平面观测的Stokes参数Q[见图6(c)]以及平纬圈观测的Stokes参数Q和U[见图6(g, i)], 满足模型假设条件, 但在这些通道上单次散射反照率的误差传递到-P₁₂/P₁₁的反演中, 仍导致-P₁₂/P₁₁的结果与真实曲线偏离较大。

3 结论

发展了基于太阳-天空辐射计CE318-DP多角度多光谱偏振测量的天空光Stokes参数Q和U反演气溶胶偏振相函数的方法。针对在CE318-DP主平面偏振扫描(PPP)测量仅能利用Stokes参数Q的信息, U基本不随气溶胶特性变化, 信息无法利用的不足, 扩展利用平纬圈偏振(ALMP)观测几何下测量的天空光偏振参数进行气溶胶光学特性的反演。这不仅增加了天空光偏振测量获取Stokes参数U的信息, 还能使太阳天顶角较大情况下能够获得更好的反演结果。

本文给出了紫外到近红外八个光谱通道上典型生物质燃烧型气溶胶和水溶性气溶胶的-P₁₂/P₁₁反演结果, 分析了反演方法在晴朗和灰霾不同大气条件下的适用性。总体上无论是主平面还是平纬圈观测几何下, 在675~1 640 nm通道上, 反演得到-P₁₂/P₁₁均与真实值有较好的一致性; 在可见光波段440和500 nm通道, 散射角较小时误差也较小, 而散射角大于90° 后, 反演结果与真实值差异略大; 而紫外波段(340和380 nm)的反演结果与真实值的偏差较明显。讨论了反演模型在波长较短的情况下适用性不好的原因, 在后续研究中有待进一步对反演算法进行改进, 提高反演模型在短波通道的适用性。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

文献选项

[1]	Wendisch M, Yang P. Theory of Atmospheric Radiative Transfer. Weinheim: Wiley-VCH, 2012. [本文引用:1]
[2]	Huang X, Yang P, Kattawar G, et al. Journal of Quantitative Spectroscopy & radiative Transfer, 2015, 151: 97. [本文引用:1]
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[4]	LI Zheng-qiang, LI Dong-hui, LI Kai-tao, et al(李正强, 李东辉, 李凯涛, 等). Journal of Remote Sensing(遥感学报), 2015, 19(3): 495. [本文引用:5]
[5]	FAN Xue-hua, CHEN Hong-bin, XIA Xiang-ao (范学花, 陈洪滨, 夏祥鳌). Chinese Journal of Atmospheric Sciences(大气科学), 2013, 37(2): 477. [本文引用:1]
[6]	Li L, Li Z, Li K, et al. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 2014, 149: 334. [本文引用:3]
[7]	Bayat A, Khalesifard H, Masoumi A. Atmospheric Measurement Techniques Discussions, 2013, 6: 3317. [本文引用:2]
[8]	Li L, Li Z, Wendisch M. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 2014, 17: 012026. [本文引用:2]

2012

0.0

... 引言气溶胶光学特性参数由粒子微物理特性和化学组成决定, 直接体现了气溶胶对电磁辐射吸收和散射的影响, 对研究地-气系统的辐射收支、能量平衡和气候变化至关重要^[1] ...

2015

0.0

... 与散射相函数P₁₁相比, 它对粒子的形状等某些微观特性更加敏感^[2] ...

2006

0.0

... 多角度多光谱偏振遥感可以有效获取气溶胶偏振相函数信息^[3] ...

... Li等^[3]综合利用地基CE318-DP的多光谱、多角度和偏振测量信息反演整层大气气溶胶单次散射反照率、散射相函数和偏振相函数 ...

... 2 反演方法在可见光和近红外波段, 不考虑热发射的情况下, 地面测量在无云条件下的天空光散射受到大气单次散射(包括空气分子的单次散射和气溶胶粒子的单次散射)、多次散射和地面贡献的影响(即地表反射和散射辐射)^[3] ...

... 根据观测经验^[3], 当Angstr#cod#x000f6 ...

... 的比值也近似相等^[3], 可得 ...

... 但在紫外波段340和380 nm的-P₁₂/P₁₁明显偏离真实值, 这与前人基于偏振反射率的反演结果基本一致^[3] ...

2015

0.0

... 在下一代星载遥感器发射前, 地基多光谱多角度偏振遥感是目前可以持续稳定获取气溶胶偏振测量的重要手段^[4] ...

... 新一代CIMEL太阳-天空偏振辐射计CE318-DP作为高精度地基偏振遥感仪器已被引入全球气溶胶自动观测网AERONET (AErosol RObotic NETwork), 并作为中国建立的扩展多波长偏振测量的太阳-天空辐射计观测网SONET(Sun/sky-radiometer Observation NETwork)的主要仪器, 已在城市、乡村、海洋、荒漠、高原等十几个典型站点开展气溶胶特性的长期稳定观测^[4,5,6] ...

... 在CE318-2型太阳-天空偏振辐射计仅有一个870 nm偏振测量通道的基础上, 扩展了从紫外到近红外340~1 640 nm范围内八个波段的偏振测量能力^[4], 为获取天空光多光谱偏振信息提供了新的手段 ...

... 扫描角范围内进行35个角度的天空光偏振测量^[4](见图1) ...

... 范围内28个相对方位角上的天空光偏振分布信息^[4](见图1) ...

2013

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FAN

Xue-hua

, CHEN

Hong-bin

, XIA

Xiang-ao

(范学花, 陈洪滨, 夏祥鳌). Chinese Journal of Atmospheric Sciences(大气科学), 2013, 37(2): 477.

Long-term and systemetic observation data of aerosol radiative properties creates an important foundation for the quantitative study of aerosol radiative and climatic effects. This paper introduces progress in observation studies of atmospheric aerosol radiative properties in China, emphasizing the following five aspects: (1) observations of Aerosol Optical Thickness (AOT), Single Scattering Albedo (SSA), and volume size distribution by using the ground-based sunphotometer network; (2) retrieval of AOT and SSA from whole-spectral solar direct radiation; (3) ground-based measurements of aerosol scattering and absorption coefficients by the nephelometer and the aethalometer; (4) ground-based and spaceborne lidar measurements of aerosol (backscattering coefficients) vertical distribution; and (5) remote sensing of aerosol optical properties from polar-orbiting and geostationary satellites.

长期系统的气溶胶辐射特性观测资料是定量研究气溶胶辐射和气候效应的重要基础。本文综合介绍中国大气气溶胶辐射特性观测与研究现状和成果,重点包括以下内容：地面太阳光度计联网观测气溶胶光学厚度、单次散射反照率、尺度谱；从全波段太阳辐射反演气溶胶光学厚度、单次散射反照率；浊度计和黑碳仪测量地面气溶胶散射系数和吸收系数；地基/星载激光雷达观测气溶胶(后向散射系数)垂直分布；极轨/静止卫星遥感反演气溶胶光学特性。

2014

0.0

... Li等^[6]解决了在仪器非理想安装情况下求解Stokes参数Q和U的问题, 使CE318-DP获取的偏振参数涵盖了Stokes参数I, Q, U, 线偏振度和偏振角 ...

... 在太阳主平面上, Stokes参数U近似等于0, 对气溶胶特性变化不敏感, 这部分信息难以利用^[6] ...

2013

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... , 就可以通过SOS矢量辐射传输模型^[7]分别计算得到CE318-DP主平面和平纬圈观测几何下的总散射辐射的归一化Stokes参数 Inor#cod#x0002A ...

... 在主平面偏振观测模式下, 由于Stokes参数U对气溶胶特性变化不敏感^[7], 因此仅用Q进行气溶胶偏振相函数反演 ...

2014

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... Bayat等^[8]应用该方案基于CE318-2型太阳辐射计的偏振测量同时反演气溶胶单次散射反照率和偏振相函数 ...

... Stokes参数Q和U不仅包含天空光线偏振强度信息还包含偏振方向信息^[8] ...