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地面上的气溶胶遥感：利用不同算法和仪器进行卫星反演的比较

摘要：2005年10月13日，针对中欧的单一场景，介绍了使用不同卫星仪器检索的0.55mu;m气溶胶光学厚度和基于背散射太阳光分析的算法的相互比较研究。第一次在多个卫星平台上进行了多达六台仪器的比较。简要讨论和相互比较不同的算法。发现在单个像素的尺度上，在使用不同的检索技术和仪器的土地上检索的AOT中可能会有更大的差异。然而，这些差异对于平均AOT超过陆地而言并不平等。例如，对于MISR，NASA MODIS和POLDER算法，区域7-12E，49-53N的0.55mu;m的平均AOT为0.14。对于ESA MERIS气溶胶产品，它更小0.01，对于MERIS BAER算法大于0.04。对于ESA MERIS气溶胶产品，它更小0.01，对于MERIS BAER算法大于0.04。

与所有其他仪器相比，使用AATSR派生的AOT平均值较高，而SCIAMACHY检索低估了气溶胶负荷。这些差异是由不同算法和传感器特性差异的先验假设的不确定性来解释的。对AERONET的验证表明MERIS为此场景提供了最准确的AOT检索。

关键词：卫星遥感；大气光学；气溶胶

1. 引言

大气气溶胶强迫是最大的一个我们对气候系统的理解有不确定性（IPCC，2001）。为了解决这个问题，许多科学家正在使用卫星的地球观测资料，因为提供的信息既及时又全球化。使用无源光学卫星技术来检索陆地和海洋的气溶胶性质，但众所周知，这是一个非常复杂的任务。这是因为人们必须将卫星级的观测信号的表面和大气贡献分开。在第二步中，气溶胶的贡献必须与大气信号（分子和云散射）分离。通常，与表面积淀相比，气溶胶的贡献很小，特别是在明亮的沙漠表面和现在。

几种算法已经应用于卫星数据集解决分离的逆问题表面和大气散射贡献。例如，MODIS在陆地上的气溶胶检索（Kaufmanet al。，1997; Remer等，2005）是基于可见光和短波红外（SWIR）中反射率的相关性。从本质上说，该算法假定气溶胶对在SWIR的顶级的气氛（TOA）的反射率的影响是微不足道的。因此，通过仅校正大气中的瑞利散射和气体吸收，可以在波长处（例如，对于MODIS的2.1mu;m）处发现地面反射率。然后可以利用SWIR地面反射之间的相关性与可见通道中的那些，其中气溶胶散射是重要的。 衍生的表面反射率用于约束气溶胶检索。另一个可能性是使用相同场景的多角度观测，就像MISR和AATSR（Dineret al。，2005; Gray et al。，2006a，b; North et al。，1999，2002; Thomas等，2005）。这使得可以准确地考虑检索过程中的定向表面散射。一些研究使用偏振光进行气溶胶检索，例如来自POLDER，采用大气散射比表面反射更加极化的事实（Deuze等，2001）。BAERMERIS算法（von Hoyningen-Huene等，2003）基于对蓝光雷达的TOA反射的研究，其中大多数表面类型仅仅是弱反射的，并且来自大气的散射更多地与观察到的信号相关。然而，这些不同的算法和方法并不总是给出给定地面场景的气溶胶属性的一致值。 由于卫星测量的信息内容与气溶胶测量有关，因此受限制的问题进一步复杂化。测量本身并不总是限制相位函数和单个散射反照率。因此，使用基于规定气溶胶模型的先验假设。 根据所使用的气溶胶性质，以及算法的性能和下面假设的准确性，可以检索不同的气溶胶厚度值。

本文的目的是量化差异在气溶胶光学厚度（AOT）之间检索使用不同的卫星仪器和算法为a研究区域在欧洲。这样的比较提供了也是AOT产品用户的宝贵信息衍生自卫星数据，如环境处理空气质量问题的机构（Houml;ller等，2005）。气溶胶检索之间的良好协议不同的卫星数据集和算法增强对AOT的遥感估计的信心，但是不同之处并不总是一致气溶胶估计。例如，三个独立的Bellouin等人的研究（2005），Chung et al。 （2005年）和Yu等（2005）有不同的结论关于人为气溶胶的影响基于卫星导出的地球辐射预算气溶胶估计。这是因为卫星数据自己有不同的信息内容相对于视角，光谱通道，空间和时间分辨率和极化。此外，不同的简化假设和算法应用于相同的数据源也可以导致气溶胶性质的不同估计。这个inter-373 A.A. Kokhanovsky等人/ Atmospheric Research 85（2007）372-394比较研究测试不同的性能算法和卫星数据集多个，几乎同时的检索结果可用于能够。首次多达10颗不同的卫星旨在检索气溶胶光学的算法目前操作的六种光学仪器的厚度在空间上是相互比较。

2.检索技术和二手仪器

2.1仪器

目前，基于卫星的AOT检索技术由不同的研究团队开发。 已经设计了一系列算法，因为卫星传感器在时间，空间，极化，角度和光谱信息内容方面具有不同的特性。 虽然这些检索算法是不同的，但它们理想地为给定场景的气溶胶性质产生一致的值。 在这项研究中，我们考虑使用不同的卫星仪器和算法检索的0.55mu;m的AOT。 在这项工作中只考虑土地的收回。本研究中使用的选定卫星仪器的特征如表1所示。MERIS，AATSR和SCIAMACHY都在ENVISAT，MISR和MODIS上安装在TERRA和POLDER是板载PARASOL。AATSR，MERIS和SCIAMACHY可以直接比较，因为它们在标准尺寸和时间上进行测量，因此理论上AOT的检索应该在这三种仪器之间保持一致。 在不同平台上的工具之间的AOT比较可能会有所不同，因为观察结果之间存在时间差异。例如，TERRA比ANVISAT晚约30分钟飞行，PARASOL在ANVISAT后约90分钟飞行。 因此，从MISR，MODIS，特别是POLDER派生的AOT可能与从ENVISAT仪器获得的AOT相同。 另外，POLDER仅得到细分贡献，而不是总AOT。

由于不同的空间分辨率，出现了一个问题的不同仪器（见表1）。MODIS以空间分辨率进行测量0.5times;0.5 km 2，0.55mu;m，略大于那些MERIS（0.3times;0.3平方公里）。 MISR辐射数据为以0.275times;0.275平方公里和1.1times;1.1平方公里的速度获得，取决于通道，气溶胶产品分辨率为17.6times;17.6 km 2。 AATSR有一个决议1times;1 km 2，POLDER具有空间分辨率5.3times;6.2 km 2。 SCIAMACHY的决议取决于在频谱带上，也在纬度上。 它是30times;30 km 2为本项研究的所有案例意味着大多数像素受到云的污染并且在许多情况下，AOT确定是不可能的。中部有一个大面积无云的天空的情况欧洲如图1所示。 1被选为本研究。这使得能够最小化算法干扰由云。 收购仪器的时间是如表1所示。

表格1所选卫星仪器的特点

（图1. ）所选场景的MERIS浏览图像（2005年10月13日，UTC UTC，轨道18928，ENVISAT）。 b）该区域的浏览图像7-12E，49-53N用于研究

2.2算法由于卫星仪表的特点，不同的是，气溶胶检索的算法有往往是传感器特定的。对于一些乐器已经开发了几种算法。在这个部分给出了不同算法的概述。该数据集的特征总结在表2中。

2.21MERIS

分析了两种MERIS算法的结果这项研究。第一个算法是由Santer开发的et al。（1999,2000）专门用于气溶胶检索从MERIS仪器。这些的结果检索作为标准由欧空局定期分发产品。 ESA MERIS算法是基于查询表（LUT）方法选择气溶胶大小具有给定折射率的分布。假设该颗粒具有球形和反射从地上低。在这种情况下算法失败明亮的地面或非球形散射体（如沙漠）尘埃气溶胶）。详细说明见MERIS算法理论基础文件（ATBD）2.15（Santer等，2000）。在实践中，ESA MERIS算法由两种不同构成程序，取决于底层表面。同时案件的检索依赖于知识下面的表面。在水面上，红外（NIR）（0.779mu;m和0.865mu;m）和在使用绿色（0.51mu;m）。在陆地上，两个乐队在蓝色（0.412mu;m和0.443mu;m），一个在红色（0.665mu;m）。从顶部的atmo-球体（TOA）反射率，首先进行气体校正以臭氧作为辅助数据。表面压力由氧吸收确定。辅助数据是海平面压力和a数字高程模型。那么表观反射率就是校正为瑞利散射。在算法中，基于比较检索气溶胶参数的测量辐射与预先计算的查找一组代表性气溶胶模型的表格。细节关于气溶胶模型由Santer等人（1999年，2000）。大气抗性植被指数（Kaufman等，1992）用于检测黑暗用于陆地气溶胶遥感的致密植被像素。由POLDER提供的辅助数据集，给出双向反射与时间和位置。最后一个模块检索气溶胶光学厚度0.443mu;m和Aring;ngstrouml;m指数。 MERIS标准气溶胶产品也由法国人加工公司ACRI-ST，并得到欧空局GSE的支持项目PROMOTE。用于MERIS的第二种算法是BAER（不来梅AErosol检索）von Hoyningen-Huene等（2003年）。算法是由欧空局用于大气校正的MERIS地面产品。虽然与之相似Santer等人（1999），它具有基于的特殊LUT中心实验测量相位函数欧洲。这些LUT用于BAER检索在这项工作中执行。的主要步骤确定框架中的气溶胶反射率，BAER的工作是：bull;测定光谱TOA反射率所选频带使用卫星数据;

2选择气溶胶光学厚度检索算法