主被动卫星资料联合反演气溶胶和云特性的方法研究

Aerosol-cloud interactions have been one of difficulties and hot issues in the study of the climate change. Improvements on the estimation of the clear-sky aerosol direct radiative forcing has been substantial with availability of aerosol optical properties from the ground-based and satellite remote sensing. The uncertainties in the cloudy-sky aerosol radiative forcing remain large due to the lack of cloudy-sky aerosol properties measurements. It is common to distinguish "cloudy" and "cloud free" areas at the first step when deriving the aerosol properties from remote sensing measurements. However, it is necessary to make simultaneous retrieval of aerosol and cloud properties from satellites in order to quantify the aerosol and cloud effects on climate. The "A-train" satellite constellation allows a synergetic use of PARASOL, with MODIS/AQUA to obtain the spatial information on the cloudy parameters, and with CALIOP to get the accurate information on cloud/aerosol layer height and thickness. The proposed work aims to explore the capability of combining the active- and passive- satellite measurements for simultaneous retrieval of aerosol and cloud microphysical properties in clear and cloudy sky by using the statistical optimized theory and validate the retrieval results. The study can give reference for the instrument performance evaluation and data processing of the current and future polarization sensor. In addition, the study results will improve the undestanding of aerosol-radiation-climate effects.

云-气溶胶相互作用是气候变化研究中的热点和难点问题。晴空条件下气溶胶直接辐射强迫评估已有较大进展，但有云情况下气溶胶直接辐射强迫的评估不确定性仍很大。目前研究面临的主要问题是缺乏云天时的气溶胶观测资料，因为绝大多数卫星遥感都先将云剔除，只给出晴空区的气溶胶特性，不能提供云天时气溶胶和云的特性。A-Train卫星编队包括PARASOL偏振成像仪、MODIS中分辨率成像仪以及CALIOP星载激光雷达，具备主被动准同步联合遥感能力，为改进气溶胶遥感算法和同时反演云、气溶胶特性提供了契机。鉴于此，本项目拟联合利用上述主被动卫星观测资料，用最优统计理论发展晴空、云天（层云上存在气溶胶）和云-晴空过渡区条件下，气溶胶和云微物理特性同时反演的方法，并对反演结果加以验证。研究结果将为偏振传感器的仪器指标性能评估和资料处理提供理论依据，也将进一步提高对气溶胶辐射和气候效应的认识。

云-气溶胶相互作用是气候变化研究中的热点和难点问题之一。目前研究面临的主要问题是缺乏云天时的气溶胶观测资料，因为绝大多数卫星遥感都先将云剔除，只给出晴空区的气溶胶特性，不能提供云天时气溶胶和云的特性。A-Train卫星编队包括PARASOL偏振成像仪、MODIS中分辨率成像仪以及CALIOP星载激光雷达，具备主、被动准同步联合遥感能力，为改进气溶胶遥感算法和同时反演云、气溶胶特性提供了契机。鉴于此，本项目在深入研究最优统计理论的基础上，联合PARASOL多通道、多角度标量/矢量辐射资料和星载激光雷达CALIOP等资料，开展了晴空区气溶胶微物理特性（包括气溶胶光学厚度、埃斯屈朗指数和气溶胶单次散射反照率）反演的研究，获得了华北地区晴空条件下气溶胶的微物理特性；并用北京和香河测站的地基AERONET资料验证了反演的晴空区气溶胶微物理特性。本项目研究采用的反演方法不仅可以获得晴空条件下更高精度的AOD外，还可获得粗、细模态的气溶胶光学厚度、吸收光学厚度和气溶胶单次散射反照率，这些信息可用于区分人类活动排放源和自然源气溶胶的贡献，为后续控制人类活动排放源提供决策依据。与以往PARASOL业务反演产品相比，本项目采用的最优统计理论反演得到的气溶胶光学特性与地基AERONET观测结果有更好的一致性。在此基础上，本项目进一步开展并建立了有云条件下的气溶胶和云特性同时反演的前向模型，进行了模拟反演；用机载RSP偏振辐射资料，联合CALIOP星载激光雷达资料进行了云特性的反演试验；联合POLDER、CALIOP和MODIS资料进行云和气溶胶特性同时反演的方法研究。项目研究成果将为我国新一代偏振探测器的仪器指标性能评估和资料处理提供理论依据。