耦合地表BRDF特性的陆地气溶胶遥感定量反演研究

气溶胶是影响气候的重要因素，是地球－大气－海洋系统研究中的重要组成部分。针对气溶胶遥感反演中面临的地气分离和地表朗伯假设问题，本研究利用现有的多角度卫星数据，通过构建地表BRDF模型与大气辐射传输模型耦合的一体化模型，突破传统气溶胶反演中对地表的朗伯假设，通过耦合模型可实现气溶胶与地表反射率的联合反演，解决地气分离问题，从而达到提高气溶胶反演精度的目的。具体内容包括：开展BRDF模型对不同下垫面适用性分析及模型的简化处理，构建地表BRDF与大气辐射传输模型耦合的数学模型；通过模型参数敏感性分析及先验知识的建立，研究并解决模型的病态反演问题；选择典型实验区对模型进行一定时间序列的反演并进行验证，通过参数修正提高模型反演的可靠性及稳定性。通过本项目研究，为陆地上空大气气溶胶的精确反演及区域/全球气溶胶光学厚度产品的生成提供理论支撑和技术基础，有利于进一步推动遥感数据在各个行业的定量化应用。

大气气溶胶及其对气候变化、环境空气污染等的影响已成为当今大气科学和国际全球变化研究的前沿与焦点，也是定量遥感的重要前提。然而，目前陆地上空气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，简称AOD）卫星反演的精度尚需进一步提高。对气溶胶的反演来说，如何剔除地表反射的贡献是提取气溶胶参数的关键。暗地表（如浓密植被或水体）情况下不考虑地表的非朗伯特性不会给大气气溶胶的反演带来太大误差，亮地表（如沙漠、冰雪下垫面）时假设地表为朗伯体则会带来较大误差。因此，大气气溶胶的反演需要考虑地表的非朗伯特性，并真正耦合到气溶胶的反演模型中。地表的非朗伯特性可用二向性反射函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function，简称BRDF）来描述。.本研究针对传统气溶胶反演算法中将大气和地表信息割裂分开计算以及对地表进行朗伯假设的不足，提出了考虑BRDF效应的AOD反演模型，通过协同反演AOD和地表BRDF参数，进一步提高了亮地表上空的气溶胶反演精度。具体来说，通过收集整理BRDF数据和BRDF模型，建立了面向气溶胶反演所需的先验知识，分析了基于朗伯和非朗伯假设前向模型的理论误差及对气溶胶反演的影响，构建了基于非朗伯前向模型的气溶胶反演算法，利用NASA最新发布的C6版数据对中国东部地区的气溶胶进行了反演测试和验证，表明新算法可有效提高AOD的反演精度，而朗伯假设的C6版MODIS AOD产品在中国东部地区系统性偏高；利用MODIS双星和AATSR双角度数据，基于考虑BRDF效应的气溶胶反演模型获得了陆地和冰雪上空的AOD，验证结果表明AOD反演结果与AERONET观测结果存在良好的相关性（MODIS陆地上空反演的判定系数为0.812，AATSR冰雪上空的相关系数为0.76）；利用MSG静止卫星的多时相数据，基于时间序列技术的陆地气溶胶与地表BRDF联合反演算法获得了北非地区每小时的AOD，AOD反演结果与地基AERONET的判定系数为0.804，均方根误差为0.037。通过构建和分析一系列耦合地表BRDF特性的陆地上空大气气溶胶遥感定量反演算法，结果表明：在气溶胶反演模型中考虑地表的方向性反射特性，通过BRDF更精细的描述地表，能够减小气溶胶反演的不确定性，有效提高陆地上空尤其是亮地表上空AOD的反演精度。