AMPR(图1)是中科院安徽光学精密机械研究所研制的机载气溶胶偏振观测传感器。 它采用扫描方式获取多角度数据, 一个扫描周期获取111个角度(天底方向-55° ~+55° 每1° 采样一次)数据; 通过Wollaston棱镜在0° 和90° , 45° 和135° 四个方向上同时实现偏振检测; 6个波段通道(490, 555, 665, 865, 960和1 640 nm)获取多光谱数据信息。 一个扫描周期约0.863 s, 飞行高度为3.7 km时星下点分辨率约为64 m。 因此, 每一周期测量获取4(检偏方向数)× 6(波段数)个通道、 111个角度方向的信号。 经过处理, 解译成各个观测角度和波段的STOKES参量。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 实验室中和安装于遥感飞机上的AMPR照片Fig.1 Pictures of AMPR at laboratory and equipped on airplane

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 飞行实验主要参数 Table 1 Main parameters of the flight experiments Flight Date Time (G+8) Flight altitude/km Area F1 2012.8.10 09:49— 10:53 3.1 38.9° — 39.2° N, 117.3° — 118.6° E F2 2013.4.29 10:31— 12:38 3.7 38.9° — 39.2° N, 117.3° — 118.6° E F3 2013.4.30 09:30— 12:02 3.7 38.9° — 39.2° N, 117.3° — 118.6° E F4 2013.5.1 09:53— 12:18 3.7 38.9° — 39.2° N, 117.3° — 118.6° E F5 2014.9.18 11:31— 12:48 3.7 38.8° — 39.8° N, 116.7° — 118.5° E

表1 飞行实验主要参数 Table 1 Main parameters of the flight experiments

将AMPR安装在遥感飞机上可以进行区域大气遥感探测作业(如图1所示), 用于定量研究大气气溶胶在飞机航行区域范围内的时空变化特征。 京津唐地区是我国工业较为发达的地区, 该区域人口数量大, 气溶胶观测具有较大的应用价值。 为了深入探测京津唐地区的气溶胶分布状况, 在2012年8月到2014年9月进行了5个架次的观测实验(2012年8月10日、 2013年4月29日、 30日、 5月1日以及2014年9月18日各一个架次)。 为方便表述, 5个架次按时间顺序分别用F1— F5表示, 各架次飞行情况数据如表1所示。 图2为飞行航线和实验区域示意图, F1— F4架次航线基本一致, 图中用红色线段示意, 绿色线段为F5架次的航行轨迹。

在航空实验进行时, 选取曹妃甸(图2中A点, N39.18, E118.34)、 丰南(图2中B点, N39.55, E118.10)、 玉田(图2中C点, N39.67, E117.67)和宝坻(图2中D点, N39.71, E117.30)作为地基观测点, 同时进行观测。 地面站点主要探测仪器为地基太阳光度计(CE318), 它能提供较为精确的不同波段大气气溶胶的光学厚度(AOD)数据。 所有航次均经过A点, 可以提取5(P1— P5)条验证数据, B, C和D点在F5经过时各提取1条验证数据(P6— P8)总共8条验证数据。 相应观测点在飞机过境时的光学厚度(675 nm)如表2所示。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 飞行轨迹和地基观测站点Fig.2 Flight tracks and ground based observation stations

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 过境时刻CE318观测的光学厚度 Table 2 AODs from CE318 at the transit time CE318 site AOD(675 nm) P1 0.24 P2 0.23 P3 0.14 P4 0.33 P5 0.15 P6 0.19 P7 0.45 P8 0.32

表2 过境时刻CE318观测的光学厚度 Table 2 AODs from CE318 at the transit time

大气顶向上的辐射包括大气自身辐射、 地表反射辐射和地-气交叉辐射, 可以写成如式(1)所示形式, 等号后面三项分别对应上述三部分内容^[5]

ρcal=ρatm+t+ρsurft-+(T+dρsurft-+t+ρsurfT-d+T+dρsurfT-d)(1)

式中下标+(-)代表上(下)行, ρ ^atm和ρ _surf分别为大气和地表反射量, T^d为漫射透射因子, t为直射透射因子。 式中括号内的部分为地表-大气间的多次交叉辐射成分, 研究发现地气交叉辐射对入瞳处偏振贡献较小, 通过改进直射透射因子, 观测高度向上的偏振辐射可以近似表述为^[5]

ρcal=ρatm+t+* ρsurft-* (2)

式中 t+*和 t-*为加修正的上行和下行透过率

t+* =exp-Ψτm(z)+ζτa(z)μv(3)t-* =exp-Ψτm+ζτaμs(4)

τ _m和τ _a分别为大气分子光学厚度和气溶胶光学厚度。 μ _s和μ _v分别为太阳天顶角和观测天顶角的余弦。 Ψ 和ζ 分别为与大气分子和气溶胶散射贡献有关的参数。 大气偏振反射率可以写为^[16]

ρatm=τmqm4μv+ρaerexp-τmμs+τm(z)μv(5)

其中ρ ^are为气溶胶偏振反射率, q_m为大气分子散射偏振相函数。 气溶胶偏振反射率与气溶胶类型、 气溶胶光学厚度相关, 大气分子光学厚度与气压、 气温等因素相关。

AERONET(aerosol robotic network)站点数据主要是基于太阳光度计获取, 太阳光度计可以得到精确的气溶胶光学厚度数据和微物理特性数据。 Lee等^[17]使用聚类分析技术研究了东亚地区AERONET观测数据, 在双峰对数正态粒子尺度谱分布(log-normal size distribution)条件下, 分别提取出六种细粒子类型和六种粗粒子气溶胶类型(表3), 每一种类型参数包括复折射率(m)、 中值半径(r_m)和方差(σ )。 双峰对数正态粒子尺度谱分布 dVdlnr可以较为真实地反映气溶胶粒子尺度分布情况

dVdlnr=Ncσc2πexp-(lnr-lnrm, c)22σc2+Nfσf2πexp-(lnr-lnrm, f)22σf2(6)

式中下标c和f分别表示粗模态和细模态气溶胶, r是粒子半径, N=N_f+N_c是大气柱中气溶胶粒子数浓度。

结合表3中的气溶胶类型参数, 采用双峰对数谱分布模型, 使用RT3偏振辐射传输程序计算观测高度Stokes矢量, 建立气溶胶偏振反射率查找表, 结构如表4所示。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 细模态和粗模态气溶胶参数 Table 3 Detailed parameters of fine and coarse model Model Rm/μ m σ m (0.675 μ m) m (0.870 μ m) Fine 1 0.219 0.531 1.480-0.008 6i 1.485-0.008 8i Fine 2 0.257 0.535 1.483-0.007 4i 1.483-0.007 8i Fine 3 0.208 0.619 1.549-0.002 4i 1.537-0.002 3i Fine 4 0.192 0.504 1.458-0.010 0i 1.468-0.010 2i Fine 5 0.177 0.474 1.472-0.008 8i 1.482-0.009 0i Fine 6 0.162 0.538 1.535-0.003 7i 1.536-0.003 6i Coarse 1 2.724 0.583 1.480-0.008 6i 1.485-0.008 8i Coarse 2 2.580 0.568 1.483-0.007 4i 1.483-0.007 8i Coarse 3 2.241 0.531 1.549-0.002 4i 1.537-0.002 3i Coarse 4 2.915 0.618 1.458-0.010 0i 1.468-0.010 2i Coarse 5 2.265 0.656 1.472-0.008 8i 1.482-0.009 0i Coarse 6 2.286 0.594 1.535-0.003 7i 1.536-0.003 6i

表3 细模态和粗模态气溶胶参数 Table 3 Detailed parameters of fine and coarse model

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 查找表参数设置 Table 4 Parameters of LUT Parameters Values No. of values Wavelength 665, 865, 1 640 nm 3 τa665 0.05, 0.10, 0.20, 0.40, 0.80, 1.60, 3.00 7 θ s Interval [0° , 78° ], increments of 2° 40 θ v 0.00° , 6.97° , 12.76° , 18.51° , 24.24° , 29.96° , 35.68° , 41.40° , 47.12° , 52.84° , 58.56° , 64.28° , 69.99° , 75.71° , 81.43° , 87.14° 16 φ Interval [0° ~ 180° ] , increments of 5° 37

表4 查找表参数设置 Table 4 Parameters of LUT

遥感传感器接收的信息包含地表贡献成分和大气贡献成分, 当对地表(大气)贡献的估计趋近于真实值时, 对大气(地表)贡献的估计也同时趋近于真实值。 利用这一特性, 在反演中采用迭代的方式, 逐步分离观测数据中包含的大气和地表辐射成分, 构建起反演流程, 实现气溶胶光学厚度反演。 反演中, 采用最小二乘残差来寻找合适的模拟偏振反射率(ρ ^cal)与观测偏振反射率(ρ ^meas)的配对。 在M个波段N个观测角度的情况下, 残差项式(7)中, λ _j是第j个波段, θ _{s, i}, θ _{v, i}和φ _i为第i个观测角度对应的太阳天顶角、 观测天顶角和相对方位角。

反演流程如图3所示, 图中和文中的表述ρ ^mol, ρ ^aer, ρ ^cal和ρ ^meas均指665和865 nm两个波段的数据。 定义第n(n≥ 1)个循环得到的光学厚度为τ _n, 从第二个循环开始τ _n-τ _n-1表示第n个循环和第n-1个循环的反演结果差异。 由于地表偏振反射率不随波段变化而变化, 反演中不同波段使用相同的地表偏振反射率, 当n=1时, 以1 640 nm波段的偏振反射率测量值(ρ ^{meas, 1 640})作为ρ ^surf, 之后通过查找表提取气溶胶类型参数和光学厚度; 当n> 1时, 执行如下流程:

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 反演算法流程图Fig.3 Flow chart of retrieval algorithm

(1)依照观测几何, 从查找表中调出各种气溶胶类型和光学厚度条件下的气溶胶偏振反射率ρ ^aer, 结合大气分子散射贡献(ρ ^mol)和地表反射贡献(ρ ^surf), 计算出ρ ^cal;

(2)计算ρ ^cal与测量值ρ ^meas的最小二乘残差项X, 找到X的最小值X_min以及对应的τ _n和气溶胶类型参数;

(3)判断两个条件是否满足: ① X_min< 10^-3, ② τ _n-τ _n-1< 0.01, 如果这两个条件同时满足, 反演流程结束, τ _n即为目标参数, 否则进入下一步计算;

(4)根据τ _n和气溶胶类型参数计算1 640 nm波段气溶胶光学厚度, 结合查找表计算ρ ^{aer, 1 640}, 将1 640 nm观测数据ρ ^{meas, 1 640}扣除气溶胶和大气分子散射成分, 重新得到下垫面偏振反射率;

(5)重新开始第(1)步到第(3)步的计算。