海洋上非球形沙尘气溶胶散射和辐射特性的理论模拟及遥感应用

Similar to aerosols over lands, aerosols over oceans can impact local and globle climate through regulation of the radiative energy budget of the earth-atmosphere system. Due to the large temporal-spatial distribution variation, the optical properties retrieval for aerosols over oceans based on satellite remote sensing techniques is of significant interest. A special challenge posed by mineral dust aerosols over oceans，originating from arid and semi-arid regions, is associated with their predominantly nonspherical particle shapes.As a result, the trational Mie theory is not applicable for computing their scattering properties. In the present study, the particle shapes for mineral dust aerosols over oceans are assumed to be spheroids, and the scattering properties for these aerosols at visible wavelengths will be investigated based on the combination of the T-matrix method and an improved geometric optics method，with the Amsterdam laboratory measurements as a complement. A coupled ocean-atmosphere radiative transfer model will be developed based on adding-doubling theory in order to simulate the radiative properties (the top of atmosphere reflectance) for nonspherical mineral dust aeroosls over oceans. For comparison, the corresponding resutls based on Mie theory will also be produced in this project. Moreover, the sensitivity study about the effect of particle shape on the retrieved aerosol optical depth over oceans will also be studied in the present study，which will act as a reference for aerosol optical depth retrievals over global oceans based on our oceanic/meteorological optical satellites.

与陆地上气溶胶类似，海洋上气溶胶通过调节地气辐射平衡影响局部和全球的气候。考虑到海洋上气溶胶时空分布变化较大，卫星遥感成为海洋上气溶胶光学特性研究领域的一个热门课题。具有挑战意义的是起源于干旱、半干旱地区的沙尘气溶胶具有不规则的几何粒子形状，使得传统的Mie理论不适用于海洋上沙尘气溶胶散射特性的理论模拟。本项目利用椭球体近似海洋上非球形沙尘粒子的形状，基于T矩阵和改进的几何光学方法以及Amsterdam实验室测量数据计算海洋上非球形沙尘气溶胶的散射特性。为了研究海洋上沙尘气溶胶粒子的辐射特性，本项目将基于倍加累加原理开发一套海洋-大气系统辐射传输模式用于模拟海洋上非球形粒子的辐射特性（大气层顶反射率），并与球形气溶胶粒子的相应计算结果进行比较。在此基础上，本项目将开展关于粒子形状对于卫星遥感海洋上气溶胶光学厚度影响的灵敏性研究,为我国海洋/气象光学卫星的全球海洋上气溶胶遥感反演起参考作用。

利用现有的散射理论和辐射传输模型，本项目基于倍加累加原理开发了一套海洋-大气系统辐射传输模式用于模拟海洋上气溶胶粒子的辐射特性（大气层顶反射率）；结合现有的气溶胶光学特性反演算法，将沙尘气溶胶粒子的形状近似为椭球形和球形，利用MODIS光学卫星数据，敏感性分析了粒子形状对于卫星遥感沙尘气溶胶光学厚度的影响。对于椭球气溶胶粒子，本项目利用T矩阵和几何光学方法相结合计算单个椭球粒子的散射特性，而Mie理论则用于计算球形粒子的单散射特性。利用Amsterdam实验室沙尘粒子散射特性数据库并采用蒙特卡洛方法获得椭球粒子的形状分布。通过建立椭球形和球形沙尘气溶胶遥感反演查找表，并利用Deep Blue气溶胶光学特性反演算法获取气溶胶光学厚度信息。研究结果表明：由于椭球和球形粒子散射相函数在侧散射和后向散射方向的差异，粒子形状对于沙尘气溶胶光学厚度遥感反演的影响不能忽略。椭球粒子所对应的沙尘气溶胶光学厚度反演结果可能大于或小于球形粒子所对应的反演结果，这在很大程度上取决于反演沙尘气溶胶光学厚度所对应的散射角度。例如，在中等沙尘气溶胶光学厚度的条件下，椭球粒子和球形粒子所对应的光学厚度相对偏差在152º到156º散射角度范围内可以达到40%。本项目所开展的关于粒子形状对于卫星遥感海洋上气溶胶光学厚度影响的灵敏性研究,可以为我国海洋/气象光学卫星的全球海洋上气溶胶遥感反演起参考作用。利用Fu-Liou辐射传输模式，本项目讨论了粒子形状对晴空条件下沙尘气溶胶大气层顶瞬时短波直接辐射强迫的影响。研究结果表明：如果辐射强迫计算中忽略了粒子形状对于气溶胶反演结果的影响，那么椭球和球形气溶胶粒子在单散射特性方面的差异只能使瞬时短波直接辐射强迫计算产生最多５％的误差。相反，如果辐射强迫计算中考虑了粒子形状对反演沙尘气溶胶光学厚度影响的情况下，粒子形状对沙尘瞬时短波直接辐射强迫的影响不能忽略。