中国地区气溶胶散射对短波近红外CO2遥感探测影响研究

For the application of remote sensing techniques to monitor CO2 concentrations, measurements using short wave infrared (SWIR) band are more sensitive to the changes of CO2 concentrations in boundary layer of atmosphere compared with data using thermal infrared (TIR) band. Therefore, SWIR channels (~1.6 μm) are selected for space-based remote sensing of CO2. However, one challenge for the satellite measurements of CO2 using this SWIR wavelength range is the impact of multiple scattering by aerosols and cirrus. Since the rapid economic growth and associated increase in fossil fuel consumption have caused serious particulate pollution in many regions of China, remote sensing of CO2 using SWIR band in China needs to pay more attention to the scattering properties of aerosol particles and the multiple scattering. Considering the complexity of morphological and chemical properties, aerosol particles are grouped based on a large number of TEM/SEM images, and then their scattering properties at 1.6 μm band are calculated by the T-matrix method and GMM method. The Monte Carlo method is used to solve the multiple scattering problem by simulating photons transport in the scattering media. We combined this multiple scattering model with the LBLRTM as a forward radiative transfer model for studying the impact of aerosol scattering on the satellite observations of CO2 using SWIR band.

短波近红外波段由于对近地层CO2浓度的变化更为敏感而成为CO2探测的首选。然而，由于短波近红外通道观测数据受气溶胶和卷云的散射影响显著，而我国又是颗粒物污染较为严重的区域，因此，研究中国地区这种复杂的高浓度复合型污染大气情况下的气溶胶散射对CO2遥感探测的影响具有十分重要的意义和实际参考价值。针对气溶胶粒子的复杂性，本研究基于已有的气溶胶粒子电镜扫描分析结果对中国地区气溶胶粒子进行分类建模，并利用T矩阵、GMM等方法计算每类气溶胶粒子的散射特性参数。为解决高颗粒物浓度情况下导致的气溶胶多次散射加剧问题，本研究基于蒙特卡洛随机方法构建气溶胶多次散射模型，然后将其与LBLRTM进行耦合作为大气辐射传输正向模型，并结合气溶胶粒子的散射特性参数研究气溶胶散射对短波近红外CO2浓度遥感探测的影响。

在CO2遥感探测领域，与热红外遥感相比，短波近红外波段由于对近地层CO2浓度的变化更为敏感而成为CO2探测的首选。但是由于短波近红外通道观测数据受气溶胶和卷云的散射影响显著，而我国又是颗粒物污染较为严重的区域，因此，研究中国地区这种复杂的高浓度复合型污染大气情况下的气溶胶散射对CO2遥感探测的影响具有十分重要的意义和实际参考价值。针对气溶胶粒子的复杂性，本项目基于前人已有的气溶胶粒子电镜扫描分析结果对中国地区气溶胶粒子进行分类建模，并利用T矩阵、GMM等方法计算每类气溶胶粒子的散射特性参数。为解决高颗粒物浓度情况下导致的气溶胶多次散射加剧问题，我们基于蒙特卡洛随机方法构建了气溶胶多次散射模型，然后将其与LBLRTM进行耦合作为大气辐射传输正向模型，并结合气溶胶粒子的散射特性参数研究气溶胶散射对短波近红外CO2浓度遥感探测的影响。具体工作包括以下几个方面：. 1）分析了大量在中国地区收集到的气溶胶粒子TEM和SEM分析结果，并在此基础上根据粒子形态结构及其化学组分的不同，对其进行分类建模。. 2）利用T矩阵方法和CMGMM方法与等效介质理论、吸湿增长理论和粒子扩散凝聚理论相结合模拟了3类含黑碳粒子在1.6 μm波段处的散射特性，并着重分析了相对湿度对粒子散射特性的影响。在我们构建的吸湿增长模型中，不但考虑到了普通单粒子（或团簇粒子中的单体）的吸湿增长过程，同时还考虑到了团簇粒子发生收缩重构的吸湿过程。. 3）分别计算了3类污染性沙尘粒子在1.6 μm的散射特性参数，并主要讨论分析了污染性沙尘粒子中所含有的污染性成分对整个粒子散射特性的影响，结果表明污染性成分无论是以内混合形式还是以半外混合形式存在，都会给粒子的散射特性带来很大的影响。. 4）基于蒙特卡洛随机方法构建了气溶胶多次散射模型，并给出了基于离散散射相函数的散射角抽样方法，同时在计算光子权重时引入了俄罗斯轮盘赌方法以加快运算速度。将我们构建蒙特卡洛多次散射模型的模拟结果与DISORT的模拟结果进行比对，比对结果表明二者具有较好的一致性。. 5）将LBLRTM与多次散射模型进行耦合作为大气辐射传输正向模型，基于GOCART模式中气溶胶组分产品、AERONET粒子谱分布产品、CALIPSO气溶胶消光廓线产品、MODIS光学厚度和地表反照率产品，计算并分析了CO2浓度反演误差在中国地区的月均值变化。