基于多角度标量和偏振卫星数据的气溶胶光学参数反演研究

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1、密级:博士学位论文基于多角度标量和偏振卫星数据的气溶胶光学参数反演研究作者姓名：张洋指导教师:李正强研究员中国科学院遥感与数字地球研究所学位类别:理学博士学科专业:地图学与地理信息系统研究所:中国科学院遥感与数字地球研究所答辩委员会主席（签字）:2018年6月基于多角度偏振与标量卫星数据的气溶胶光学参数反演研究RetrievalofAerosolOpticalParametersBasedonMulti-angleIntensityandPolarizationSatelliteDataADisser

2、tationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyByYangZhangDissertationSupervisor:ProfessorZhengqiangLiInstituteofRemoteSensingandDigitalEarthJune,2018中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交

3、的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：日期：中国科学院大学学位论文授权使用声明本人完全了解并同意遵守中国科学院有关保存和使用学位论文的规定，即中国科学院有权保留送交学位论文的副本，允许该论文被查阅，可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。涉密的学位论文

4、在解密后适用本声明。作者签名：导师签名：日期：日期：摘要摘要气溶胶造成的大气环境影响已在全球范围获得广泛关注。卫星遥感技术大空间尺度范围的特点使其成为监测气溶胶的有效手段。目前，卫星遥感技术主要通过反演气溶胶的光学参数来对气溶胶进行定量化描述，其中，气溶胶光学厚度这一参数已在大多数卫星平台上实现了反演，但仅凭这一参数已不能满足目前大气环境领域的应用需求。以POLDER传感器为代表的多角度标量和偏振观测能够获取更多的气溶胶信息，是未来气溶胶卫星遥感的发展方向。本研究瞄准气溶胶卫星遥感这一热点研究内容，以

5、POLDER多角度标量和偏振数据为基础，开展了气溶胶光学参数的反演研究。本研究提出了新的气溶胶光学参数反演框架，通过多角度标量观测获得气溶胶总光学厚度，通过多角度偏振观测获得气溶胶细粒子光学厚度，最终二者的比值为气溶胶细粒子比。本研究引入了经验正交函数这一数学工具，解决了POLDER多角度标量观测反演气溶胶总光学厚度时地表反射估算的难题，且该方法具有不受地表类型限制的特点。另外，本研究提出了新的气溶胶细粒子光学厚度反演评价函数方案，有效提高了气溶胶细粒子光学厚度的反演精度。本研究选取了AERONET地

6、基观测数据对反演结果进行验证，验证结果显示本研究得到的三个气溶胶光学参数与地基观测数据具有较好的一致性。三个反演参数与地基观测结果的总体相关系数分别为0.898，0.921，0.759；平均绝对误差分别为0.111，0.083，0.140；均方根误差分别为0.151，0.115，0.171；落入期望误差范围内的结果占比分别为74.83%，70.19%，71.88%。在冬季亮地表条件下，气溶胶总光学厚度反演结果与地基观测结果的相关系数为0.901，平均绝对误差为0.104，均方根误差为0.138，落入期

7、望误差范围内的结果占比为71.96%。在高气溶胶负载时，本研究得到的气溶胶细粒子光学厚度反演结果和LOA（Laboratoired'OptiqueAtmospherique）官方产品相比，与地基观测结果的相关系数从0.499提升到了0.881，平均绝对误差从0.119降低到了0.044，均方根误差从0.142降低到了0.056，落入期望误差内结果占比从32.43%提高到了91.89%。通过与MODIS现有气溶胶细粒子比产品的比较表明，本研究的结果与地基观测I基于多角度偏振与标量卫星数据的气溶胶光学参数

8、反演研究结果的相关系数从0.595提高到了0.859，平均绝对误差从0.363降低到了0.106，均方根误差从0.432降低到了0.137，落入期望误差内结果占比从22.08%提高到了81.81%。基于本研究提出的气溶胶光学参数反演框架，本研究基于IDL语言开发了用于POLDER数据的气溶胶光学参数反演系统，并用该系统获得了中国区域的气溶胶光学参数时空分布特征。本研究得到的中国区域气溶胶光学参数时空分布特征结果表明，中国的华北平原、长三角、珠三角、川渝经