基于时间序列技术的NOAA/AVHRR陆地气溶胶遥感反演研究

Atmospheric aerosols play an important role in the radiation balance and global climate changing. Satellite remote sensing is an effective method to obtain aerosol's spatial and temporal distribution. Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) is the only sensor which can provide the Earth observation datasets as long as 30 years. However, it is difficult to retrieve aerosol over land and provide the global products because of the band limitation of AVHRR sensor. In our study, we will focus on modeling and inversion from AVHRR data. Aerosol optical depth and bidirectional reflectance distribution function (BRDF) parameters will be retrieved by a new time series technique. To determined aerosol's type, prior knowledge is needed. We will test our algorithm over many different sites. After evaluating the accuracy and feasibility of our algorithm, we will apply it to AVHRR data for the generatation of aerosol product over China. From our study, it is possible to get aerosol datasets over 30 years and support the climate changing study.

大气气溶胶是地气辐射平衡的重要影响因子。利用卫星观测资料能够反演气溶胶的时空分布，进而为研究气候变化提供支持。AVHRR是唯一能够提供30年对地观测资料的卫星传感器。由于AVHRR传感器通道有限，其在陆地气溶胶反演方面进展缓慢，难以提供全球产品。本研究将针对AVHRR传感器特点，建立地气耦合的气溶胶光学厚度遥感反演模型，利用时间序列技术实现地气分离，同时获得陆地气溶胶光学厚度和地表二向性反射参数。为解决气溶胶遥感反演中类型参数确定的难题，本研究将基于地面长年观测资料和其他辅助数据，建立AVHRR陆地气溶胶反演先验知识库。通过选取不同实验区进行反演测试，评价反演算法的适用性和反演精度，之后应用于中国地区大尺度气溶胶光学厚度产品样例生产。通过本项研究建立的基于时间序列技术的AVHRR陆地气溶胶遥感反演算法，有望实现30年中国地区的气溶胶产品生产，进而为全球气候变化研究提供必要的数据支撑。

AVHRR能够提供将近40年连续且全球覆盖的卫星数据，对于研究气溶胶属性长时间变化趋势有着其他卫星传感器无法替代的重要作用。由于海洋表面反射率较低且空间变化较小，海洋表面信号弱对卫星信号贡献小且稳定，使得基于AVHRR反演的气溶胶产品局限于海洋上空。而陆地地表反射率空间上不均一，时间上不稳定等因素限制了陆地气溶胶反演研究的发展。本研究针对AVHRR传感器特点，建立了地气耦合的气溶胶光学厚度遥感反演模型，利用不同方案实现地气分离，达到获取气溶胶光学厚度的目的。AVHRR发射前进行了实验室定标，发射升空后，运行环境（失重、真空、温度和光照等条件的剧烈变化）和发射前截然不同，导致传感器相应也发生很大变化，且传感器在长期的运行过程中也会发生衰减，继续应用发射前的定标系数会产生很大的误差，且随着运行时间的增加定标误差会增大。本研究使用国际通用的七个恒定目标，以高质量SeaWiFS数据为参考，实现了对目前所有16颗搭载AVHRR传感器，覆盖30余年的可见光/近红外通道数据的重定标，生产了AVHRR 30余年重定标数据集。为解决气溶胶遥感反演中类型参数确定的难题，本研究基于地面长年观测资料和其他辅助数据，建立了AVHRR陆地气溶胶反演先验知识库。采用时间序列技术与构建波段关系的方法，分别构建了陆地气溶胶反演模型LABITS与ALAD。选取不同实验区进行反演测试，评价反演算法的适用性和反演精度，之后应用于气溶胶光学厚度产品样例生产。最后，应用本研究建立的LABITS算法生产了中国区2008年陆地气溶胶与地表反射率产品，应用ALAD算法于AVHRR重定标数据集生产了中国华北地区与欧洲中部地区自1980年30余年陆地气溶胶产品，进而为全球气候变化研究提供必要的数据支撑。