多源卫星遥感反演气溶胶光学特性研究

The use of satellite remote sensing data to retrieve aerosol optical properties, especially their absorptive characteristics, is of great significance in accurately estimating aerosol radiative effects for climate change studies, and for accurate atmospheric correction in quantitative remote sensing applications. Aerosol single scattering albedo (SSA) determines the sign (positive or negative) of aerosol radiative forcing, and the asymmetry factor of aerosols and aerosol optical depth (AOD) are highly correlative with the radiative forcing magnitude. To improve the accuracy of satellite retrieval of these above-mentioned aerosol optical properties, we propose to develop an inversion model for atmospheric aerosol optical properties retrieval using multi-source and multi-satellite remote sensing data. As opposed to a single sensor inversion product, it is expected to improve the coverage, accuracy and reliability of satellite aerosol products. At the same time, the proposed method would tackle the traditional limitation of requiring prior aerosol types in inversion algorithms by setting the SSA as an unknown quantity into the inversion process and constructing explicit expressions of simultaneous inversion model of AOD and SSA. This fulfilled retrieval model is of rigorous physical meaning, thereby would provide a more accurate and reliable basic dataset for the field of global change, environmental protection, and further promote the application of quantitative remote sensing data in various application domains.

利用卫星数据反演气溶胶光学特性，尤其是吸收特性，对气候变化领域准确评估气溶胶辐射效应，以及定量遥感中准确进行大气校正有着重要意义。气溶胶单次散射反照率（SSA）很大程度上决定了气溶胶辐射强迫的正负，而气溶胶光学厚度（AOD）和不对称因子与辐射强迫的大小直接相关。本项目研究并发展陆地大气气溶胶光学特性（AOD和SSA）多星多源遥感数据协同反演模型及算法，有望提高陆地气溶胶光学特性（AOD和SSA）反演的覆盖范围、精度和可靠性，解决气溶胶反演过程中预定气溶胶类型以及过分依赖先验知识带来的误差。同时，将SSA作为未知量加入反演过程，实现对陆地上空可见光波段SSA的卫星反演，从而为全球变化、环境保护领域提供更为准确、全面的数据集，进一步推动遥感数据在各个行业的定量化应用。

本项目的研究目标为研究并发展大气气溶胶光学特性的多星多源遥感数据协同反演模型及算法，提高陆地气溶胶光学特性反演的覆盖范围、精度和可靠性。通过开展、实施一系列的研究工作，先是基于AERONET数据对全球以及中国北方地区的气溶胶光学特征进行了时空分布规律特征分析，同时对代表性站点的气溶胶光学厚度（AOD）和单次散射反照率（SSA）的长期变化趋势和SSA的波长依赖关系进行了深入的分析和讨论；结合中科院大气物理研究所建立的中国太阳分光光度计观测网CSHNET，构建了中国各地区各季节的典型气溶胶光学特性参数数据，细致分析了中国地区的气溶胶类型，为卫星反演AOD提供了很好的先验知识；然后利用各种静止卫星数据（印度静止卫星INSAT-3D Imager、日本静止卫星Himawari-8/AHI、中国高分四号GF-4），通过自主研发的气溶胶卫星遥感协同反演模型，实现了小时级的AOD反演；通过CSHNET和AERONET的地基气溶胶观测对项目生成的气溶胶反演结果和已有的气溶胶产品进行对比和验证，表明本项目研发的气溶胶光学特性产品相比已有的官方产品在精度和覆盖性方面有明显优势；此外，基于空气质量数值模式WRF-Chem，通过不断调整参数化方案，模拟出AOD和SSA，并与卫星和地基结果进行了比对，为下一步更好的研究气溶胶的气候效应提供支持。该项目利用静止卫星生产的小时级的气溶胶光学厚度数据集，可为环境变化研究中沙尘和灰霾的实时监测提供良好的基础数据集，同时也可进一步开展气溶胶与云相互作用、辐射强迫等相关研究，为全球气候变化提供数据支持，以减少气溶胶气候效应的不确定性，对未来的气候变化进行预测。