卫星气象学.doc
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_05.gif)
《卫星气象学.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《卫星气象学.doc(9页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流卫星气象学.精品文档.基于MODIS数据的城市地区气溶胶光学厚度遥感反演算法研究摘要: 气溶胶在地球大气辐射收支平衡和全球气候变化中扮演着非常重要的角色,气溶胶光学厚度作为其最重要的参数之一,是表征大气混浊度的重要物理量,也是确定气溶胶气候效应的一个关键因子,因此精确探测气溶胶光学厚度对于研究气候变化具有重要意义。与传统的地基探测方法不同,卫星遥感反演方法具有面积覆盖广、信息获取方便、快捷等特点,能更高效地获取大气气溶胶信息,摆脱了地基探测方法只是获取空间点上的数据,不能反映大区域气溶胶时空分布的缺点,为人们实时了解大区域范围内的气溶胶变化提
2、供了可能。本文总结了国内外遥感反演气溶胶光学厚度的算法,并且在具体的实践中把各种方法进行了比较。关键词: 遥感 反演算法 MODIS 大气气溶胶光学厚度1 绪论1.1 研究背景大气气溶胶是指悬浮在地球大气中的具有一定稳定性的,沉降速度小的,粒径范围在10-3um到10-2um之间的分子团、固态或液态微粒所组成的分散体系,大气中悬浮着的各种固体和液体粒子,例如尘埃、烟粒、微生物、植物抱子和花粉,以及由水和冰组成的云雾滴、冰晶和雨雪等粒子,都是气溶胶。由于其在大气层中广泛的分布、短暂的生命期、巨大的空间变化、复杂的化学成分,以及对区域和全球气候重要的影响作用,已经成为大气科学领域研究的热点问题。随
3、着全球经济的发展、城市规模的不断扩大和人口增长,区域和全球尺度的大气环境问题正引起人类广泛的关注,人为活动产生的前体污染物、二次污染物和氧化物正在影响着或破坏着长期建立的生态平衡系统和大气化学组成,地球生态环境和人类生存正面临着威胁。光化学烟雾、酸雨、对流层臭氧增加、对流层臭氧减少、全球气候变暖、大气化学系统改变及其对生态、气候的影响是当今全球面临的前沿性环境问题1。进入20世纪以来,世界人口越来越向城市集中,城市发展引起光化学烟雾、酸雨、生态环境恶化、生物多样性损失。环境恶化的问题,已经引起国际社会的严重关注2。城市人口急剧增长,城市工业过度发展,机动车大量增加,空气污染已成为一个日益严重的
4、问题,而其中突出表现在气溶胶污染3。因此,对这些环境问题进行快速、大范围、低成本、周期性动态监测就显得很有必要4。当前大气气溶胶监测主要以地面监测为主,全国环境保护系统已有2229个环境监测站,其中103个站组成大气监测网,己有248个城市共建设了空气自动监测系统,113个环保重点城市中已有109个实现环境空气质量日报,能够监测总悬浮颗粒物、降尘等项目,该监测网为我国大气环境质量监测、评估提供了大量数据,但由于网点分散,我国面积辽阔,仍然不能全面、连续动态的监测我国的环境质量状况,而遥感监测是实现这一目的的有效方式。与传统的地基探测方法不同,卫星遥感反演方法具有面积覆盖广、信息获取方便、快捷等
5、特点,能更高效地获取大气气溶胶信息,摆脱了地基探测方法只是获取空间点上的数据,不能反映大区域气溶胶时空分布的缺点,为人们实时了解大区域范围内的气溶胶变化提供了可能。1.2 气溶胶光学厚度研究的重要性气溶胶在地球辐射收支平衡和全球气候变化中扮演着重要的角色6。气溶胶通过两种机制对气候变化产生影响,一方面,通过对太阳短波辐射的散射,调节地-气系统的反射率,导致地气系统的降温过程,同时,由于气溶胶的组成成分不同,对太阳短波辐射的吸收、散射作用不同,对某些吸收作用强的气溶胶,它可以导致地-气系统增温过程的发生7;另一方面,气溶胶粒子作为云凝结核,可以使单位体积的云粒子数量增加、云滴半径减少,增加云的短
6、波反射率,同时增加云的生命时间,对地-气系统的辐射平衡产生影响8。气溶胶光学厚度9(Aerosol Optical Depth,AOD),是表征大气混浊度的重要物理量,也是确定气溶胶气候效应的一个关键因子。当前,使用遥感技术监测最多的是气溶胶的光学厚度,气溶胶的光学厚度是由气溶胶对光的吸收和散射特性产生的,主要以散射为主。气溶胶的散射,与粒子半径r的大小有关,通常以尺度参数(式中r为粒子半径,为波长)作为判断标准将散射过程分为三类:瑞利散射,米氏散射和光学散射。气溶胶光学厚度是指沿辐射路径传输,单位面积上所有吸收和散射气溶胶产生的总削弱,是无量纲量。以公式表示为: (1-1)式中分别是气溶胶吸
7、收和散射的质量削弱系数和体积削弱系数,为气溶胶密度,l为大气厚度。气溶胶光学厚度代表了大气的光学特性,是大气辐射和大气光学中很重要的物理量。它反映了整层大气中颗粒物对太阳辐射的削弱程度,也就是反映了该大气层中颗粒物含量多少或空气污染程度。因此精确的探测气溶胶光学厚度具有重要的意义。1.3 国内外研究状况卫星遥感全球和区域环境是一个重大的前沿问题,正在取得广泛的进展。近30年来气溶胶光学厚度卫星遥感反演呈现多样化,反演10所用的传感器向着多光谱、多角度、多偏振方向发展,基于不同传感器的气溶胶光学厚度产品众多,反演算法层出不穷,尤其是近年来国内外涌现出了大量优秀的研究成果,显示了良好的发展前景。1
8、.4 研究目的和背景1.4.1 城市地区气溶胶光学厚度遥感反演研究目的1.利用MODIS影像反映大区域气溶胶光学厚度分布差异的优势,通过算法的研究和比较,选取适宜的算法较为准确地反演区域尺度上的气溶胶光学厚度,为大范围动态监测气溶胶光学厚度提供参考。2.针对城市地区气溶胶光学厚度反演面临的困难,探讨城市地区气溶胶光学厚度的反演方法。1.4.2 城市地区气溶胶光学厚度遥感反演研究的意义由于大气中得气溶胶具有生命周期短暂性(通常只有几天的时间期)、强烈的时间分布变化性和强烈的空间分布变化性,在目前的检测中存在如下难点,常规的地面检测尽管具有独特的优势(如较高精度),但受到目前的经济以及自然条件等的
9、限制,很难适应业务化的需要。卫星遥感技术的发展,特别是最近几年地球观测系统(EOS)的发展,为这一难题的解决提供了一个可行的方法。在气溶胶遥感反演过程中,尤其是城市地区气溶胶光学厚度的反演过程中面临着两个问题:(1) 城市地区地表反射率确定困难城市地区地表类型复杂,包括水泥建筑物、柏油马路、植被、水体和裸体多种地表类型,地表反射率的精确确定非常困难;城市地区的地表结构复杂,地表的二向反射特性非常明显,尤其对于分辨率相对较低的宽幅覆盖图像,比如MODIS、MISR等,传感器天顶角、太阳高度等几何参数的变化,也会引起城市地表反射率的强烈变化,这给地表反射率的确定带来了极大的困难。(2) 较高的地表
10、反射率使得城市气溶胶对地表反射率的变化不敏感城市地区的反射率较高,对于高地表反射率像元,辐射值对气溶胶的变化不敏感,因此城市地区气溶胶光学厚度的反演非常困难。因此,利用卫星观测技术对城市地区开展定量反演研究就显得意义重大,不但监测费用低、范围广、时相较高,而且有利于空间分析。尽管MODIS的地面分辨率低,但是MODIS卫星遥感器回访率高,同一地区每天至少可获得至少昼夜两幅图像,图像景宽达2230km。因此,在大尺度区域资源环境动态监测方面有极高的利用价值。2 气溶胶光学厚度遥感反演理论2.1 遥感反演AOD理论基础卫星遥感气溶胶的理论研究始于70年代中期,目前利用AVHRR可见光通道遥感海洋上
11、空气溶胶已作为NOAA的业务运行,每周提供一次全球海上AOD分布图,用来分析全球海上气溶胶的分布特征11。近年来,随着对气溶胶特性认识的不断深入,利用卫星遥感AOD得到不断的发展,各种传感器包括多光谱、多角度、偏振、成像扫描等功能的应用将对遥感气溶胶光学特性提供更加全面的信息。2.2 遥感反演AOD基本原理卫星遥感反演大气气溶胶是基于卫星传感器探测到的大气上界的表现反射率,可以由下式12表示: (2-1)其中,L为卫星传感器探测到的辐射亮度,F为大气上界太阳辐射通量,(为太阳天顶角)。与地表二向反射率之间的关系为: (2-2)其中,是传感器天顶角,是太阳天顶角,为相对方位角(由太阳方位角和卫星
12、方位角确定);是路径辐射(与地表状况无关,是由大气分子和气溶胶的散射造成的);是在地表反射率归一化为零时总的向下辐射通量,等价于总的向下透过率,由于气溶胶和分子对太阳的吸收和后向散射作用,它的值小于1.0;T()是向上进入卫星传感器视场方向的总透过率,S是大气后向散射比,是在观测角和入射角上平均的地表反射率。在单次散射近似中,路径辐射与气溶胶光学厚度、气溶胶散射相函数和单次散射反射率成比例: (2-3) 式中,是由于分子散射造成的路径辐射(取决于大气模式),和分别是传感器和太阳天顶角的余弦。式(2-2)中,T和S也取决于,和。假设地表为朗伯体,式(2-3)代入式(2-2)得: + (2-4)式
13、中,为朗伯特性的地表反射率。由式(2-4)可以看出,卫星传感器探测的表现反射率既是气溶胶光学厚度的函数,又是地表反射率的函数13。地表的表现反射率),太阳和传感器的几何参数通过卫星遥感资料可以得到。若知道了地表反射率。并给定了一个能提供和参数的相关气溶胶模式和大气模式,理论上就可以反演得到其上空得气溶胶光学厚度;反过来,若已知地面上空气气溶胶光学厚度、气溶胶类型(气溶胶模式)和大气模式,也可以反演出地面的地表反射率。根据式(2-2),反演气溶胶光学厚度的的最佳条件:暗地表(即选择地表反射率较低的地区),短波长(即选择波长较短的光谱波段)。对于地表反射率很低的情况,气溶胶散射引起的路径辐射(式2
14、-2中右边第一项)对起主要作用,反演气溶胶光学厚度的误差较小;对于地表反射率较大的情况,地表贡献(式2-4中右边第二项)对表现反射率起作用,反演精度较低。而用于气溶胶反演得MODIS光谱是分辨率为250mm的1波段(620-670mm),500m的3波段(459-479mm)和7波段(2105-2155mm),满足短波长的条件。利用MODIS资料反演AOD有两个难点:地表反射率和气溶胶模式的确定。解决这两个难点也是进行反演陆地气溶胶光学厚度的前提条件。3 遥感反演AOD算法总结目前有很多方法利用卫星遥感来反演气溶胶光学厚度1415,概括卫星遥感气溶胶的方法,包括单通道反射比、多通道反射比、密集
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 卫星 气象学
![提示](https://www.deliwenku.com/images/bang_tan.gif)
限制150内