空天信息研究院|偏振卫星细模态气溶胶反演研究取得进展在大气环境科学领域

在大气环境科学领域，气溶胶一般是指悬浮在气体中的固体或液体微粒与气体载体组成的多项体系。气溶胶粒径通常在0.003至100μm之间，其中有效半径在0.25μm以下的称为细模态气溶胶。细模态气溶胶主要源自人为排放，它的化学组成复杂，时空变化性强，对于地球辐射平衡、气候变化以及人类健康影响评估等方面有重要影响。
卫星遥感是基于卫星平台的遥感观测技术，具有监测范围广、受地面约束条件少、成本低等优点，是实现较大范围气溶胶参数探测的有效手段。多角度偏振遥感能够获取观测目标多个角度和偏振的信息，是目前最先进的气溶胶探测技术之一。
多角度偏振遥感，相比于传统的遥感探测，在细模态气溶胶反演方面更具有显著优势。但是反演仍存在关键性技术难题，即地表偏振反射率的准确估计。传统的地表偏振反射率估算方法是利用半经验统计的地表偏振反射率二向性分布函数（BPDF）， BPDF至今已发展了多种模型，但没有一种模型能够高精度地适用于所有地表，在某些特定地表类型上存在着估算误差大的不足。中国科学院空天信息创新研究院遥感卫星应用国家工程实验室李正强研究员团队提出了一种新的细模态气溶胶参数反演算法（SpectralNeutralityofSurfacePolarizedReflectance ，简称SNOSPR）。相较于传统方法，新方法不依赖于地表BPDF模型，而是利用地表偏振反射率基本不随波长变化的特性，实现了高精度细模态气溶胶光学厚度（AODf）的反演。该方法还能实现气溶胶AE指数（?ngstr?mExponent）和地表偏振反射率（SPR）的同时反演。
该研究从地表偏振反射率不随波段变化特性、多角度数据的使用等方面，进行了算法不确定性分析。将利用法国POLDER-3卫星数据反演的气溶胶结果与地基AEROENT长时间序列观测数据进行对比验证，发现该方法在地表适用性、精度和空间分辨率等方面均优于POLDER官方产品。

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图1.月均AODf（865nm）结果对比，（a）POLDER官方产品L2_LGC ，空间分辨率18km ，（b）SNOSPR算法反演结果，空间分辨率6km ，（c）为两者的差异

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【空天信息研究院|偏振卫星细模态气溶胶反演研究取得进展】图2.典型案例AODf（865nm）结果对比（2011年11月15日）， (a)真彩色图,(b)本研究AODf反演结果,(c)POLDER官方产品L2_LGC
进一步研究中，研究人员将SNOSPR算法应用于我国高分五号卫星的多角度偏振传感器（DPC），获取了高空间分辨率（3.3km）的气溶胶参数产品，验证效果良好，代表了国产DPC传感器数据应用的进展。

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图3.SNOSPR算法应用于我国高分五号卫星DPC传感器数据反演的AODf结果（2018年11月24日-30日）
相关研究成果《一种改进的基于偏振卫星数据高分辨率细模态气溶胶反演算法：POLDER-3的应用与验证（Animprovedalgorithmforretrievinghighresolutionfine-modeaerosolbasedonpolarizedsatellitedata:ApplicationandvalidationforPOLDER-3）》在遥感领域顶级SCI学术期刊《RemoteSensingofEnvironment》(IF=8.218)上发表。该研究得到了国家自然科学基金的支持。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0034425720302649
论文信息：Ge,B.;Mei,X.;Li,Z.;Hou,W.;Xie,Y.;Zhang,Y.;Xu,H.;Li,K.,Wei,Y.Animprovedalgorithmforretrievinghighresolutionfine-modeaerosolbasedonpolarizedsatellitedata:ApplicationandvalidationforPOLDER-3.RemoteSensingofEnvironment.2020,247,11894