高分辨率遥感应用中的三维云层光谱辐射积分方法研究

Clouds have significant inhomogeneous structural features in both horizontal and vertical directions, which should be discussed in the three-dimensional (3D) radiative transfer framework for high-resolution remote sensing. The widespread application of 3D atmospheric radiative transfer models is dramatically restricted by their huge computational cost, and the spectral integration is one of the main causes for this problem. This project focuses on the integral calculation of spectral radiation in 3D cloudy atmospheres for high-resolution remote sensing applications, breaks through the traditional research on spectral integration methods in 1D models, and explores the application of the correlated k-distribution (CKD) method and its extended theory in 3D cloud radiative transfer. A robust and effective optimization algorithm for CKD parameters will be developed to realize the fast calculation of upwelling band radiances at the top of 3D clouds. The physical mechanism behind the CKD parameters with excellent performance will be studied. The research achievements can also be used as a reference to solve the spectral integration problem in other inhomogeneous media or coupled environmental systems.

云层在水平方向和垂直方向具有显著的非均匀性结构特征，在高分辨率遥感应用中需要在三维辐射传输框架下进行讨论。计算成本是目前制约3D大气辐射传输模型广泛应用的核心问题，其中辐射传输的光谱积分是导致该问题的主要原因之一。本项目针对高分辨率遥感应用中3D云层的光谱辐射积分计算，突破传统1D模型中光谱积分方法的研究，探索相关k分布（CKD）及其扩展理论在3D云层辐射传输中的应用。研究稳健有效的CKD参数优选算法，实现波段内3D云顶上行辐射亮度的快速计算，揭示表现优异的CKD参数背后的物理机制。研究成果也可以作为解决其他非均匀介质或耦合环境系统波段光谱积分问题的参考。

三维（3D）云层波段辐射特性计算是遥感应用的重要基础支撑，由于3D空间内云层结构复杂、光谱辐射求积技术的计算成本高昂，3D辐射传输模型的广泛应用受到制约。鉴于此，本项目针对3D云层辐射传输中光谱辐射积分的高计算成本问题，提出一种基于相关k分布（CKD）的3D云层光谱辐射积分方法。通过分析不同类型云层的冰水含量等统计特征，建立3D云层空间结构模型。通过研究云层中不同形状、尺度冰水粒子单次散射特性，分析3D云层辐射效应，提出基于有限邻域的多次散射近似模型，实现单谱线3D云层上行辐射亮度快速有效计算。构建波段适应的目标函数，针对透过波段和吸收波段，分别利用3D空间透过率和上行辐射贡献函数构建目标函数。以积分权重为待优化参数，针对初值、步长约束和权重约束设计求解优化方案。稳健有效地优选出CKD参数，实现鲁棒性强、计算效率高的3D云层光谱辐射积分计算，拓展了CKD理论在3D云层辐射传输中的应用。利用I3RC Phase Ⅱ提供的云场数据和基于实测修正的随机分形算法得到的云场数据进行验证实验，结果表明：计算单谱线辐射亮度时，与独立像元近似模型（IPA）和严格单次散射结合爱丁顿多次散射模型（SSEMS）相比，本项目所提模型计算精度更高，光谱辐射亮度图像能更好表征3D云场辐射特性，与球谐函数离散坐标模式（SHDOM）相比，计算效率提升约为15倍；计算波段辐射亮度时，本项目所提方法与Δlogk法相比所需的k区间数量更少，在透过波段和吸收波段，达到4%的波段辐射亮度计算精度时，分别仅需9和12个k区间，计算时间为均小于10分钟。本项目所提方法适用于遥感应用中大规模场景的3D云层辐射传输计算，也可作为解决其他非均匀介质中波段光谱积分问题的参考。