基于衛(wèi)星偏振輻射信息的云相態(tài)空間協(xié)同反演研究.pdf

1、云覆蓋地表約三分之二。云是地球輻射收支平衡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器之一。云特性及其時(shí)空變化對(duì)全球天氣及氣候變化影響巨大。云相態(tài)的準(zhǔn)確判定不僅有助于其他云物理參數(shù)的反演，也能為天氣預(yù)報(bào)、氣候模式、地球輻射收支、大氣及降水循環(huán)研究提供依據(jù)。云相態(tài)的準(zhǔn)確判定有利于過冷水滴云的檢測(cè)，從而提高飛行器的飛行安全。在氣象預(yù)報(bào)領(lǐng)域，云相態(tài)可以改進(jìn)模型初始場(chǎng)，檢驗(yàn)和訂正預(yù)報(bào)結(jié)果，有助于確定云霧、降水、降雪、臺(tái)風(fēng)及災(zāi)害性天氣的分布范圍及影響，從而加強(qiáng)對(duì)天氣氣候變化的理

2、解并提高預(yù)報(bào)精度?，F(xiàn)有星載單傳感器云相態(tài)反演存在一定的局限，其中被動(dòng)傳感器分辨率低且探測(cè)深度不足，主動(dòng)傳感器則存在廓線探測(cè)不充分的問題。多傳感器聯(lián)合主要側(cè)重于水平或垂直單方向研究，將兩者結(jié)合從空間角度開展云相態(tài)研究相對(duì)較少。聯(lián)合衛(wèi)星偏振、激光和微波傳感器對(duì)地探測(cè)信息進(jìn)行協(xié)同反演基本可以克服上面的問題。本文提出的云相態(tài)空間協(xié)同反演方法能突破傳統(tǒng)單一識(shí)別云相態(tài)的局限，用主被動(dòng)技術(shù)協(xié)同處理，既為大氣協(xié)同觀測(cè)和反演提供新方法，也為天氣預(yù)報(bào)、氣候

3、變化、人工干預(yù)天氣、極端氣象災(zāi)害防治和飛行器安全飛行等提供新的技術(shù)手段。
　　本論文的主要工作有以下幾個(gè)方面:
　　(1)對(duì)衛(wèi)星偏振載荷觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行云檢測(cè)及云相態(tài)識(shí)別。利用海氣輻射傳輸相關(guān)理論，結(jié)合菲涅爾反射和粗糙海表偏振輻射信息，構(gòu)建耀光區(qū)偏振輻射計(jì)算公式，提出了基于近紅外波段偏振輻射數(shù)據(jù)的海洋耀光動(dòng)態(tài)檢測(cè)模型，利用該模型動(dòng)態(tài)獲取耀光角臨界值，實(shí)現(xiàn)海洋耀光的預(yù)處理。對(duì)于非耀光像元通過一種改進(jìn)的云檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)有云像元快速檢測(cè)

4、，該方法先利用有云和晴空像元近紅外波段反射率差異和偏振反射率閾值檢驗(yàn)識(shí)別有云像元，再利用近紅外與可見光波段反射率比值進(jìn)一步標(biāo)記晴空像元，并將多角度云檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行空間融合，統(tǒng)一生成有云、晴空和未定像元產(chǎn)品。對(duì)有云像元構(gòu)建多角度偏振云相態(tài)識(shí)別算法區(qū)分冰云和水云，該算法主要利用云粒子偏振輻射在主虹和非主虹區(qū)隨散射角變化趨勢(shì)的差異來判斷冰/水云，將該方法云相態(tài)識(shí)別結(jié)果與POLDER3業(yè)務(wù)化產(chǎn)品相比，一致性較好但分辨率更優(yōu)。
　　(2)構(gòu)建

5、垂直云相態(tài)融合算法實(shí)現(xiàn)激光和微波載荷云廓線相態(tài)協(xié)同。CALIOP激光雷達(dá)的云相態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在二級(jí)產(chǎn)品VFM中，CloudSat廓線云相態(tài)產(chǎn)品(2B-CLDCLASS-LIDAR)按云層結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，且兩類產(chǎn)品垂直分辨率差異較大，通過構(gòu)建動(dòng)態(tài)多目標(biāo)最優(yōu)規(guī)則來實(shí)現(xiàn)垂直方向云相態(tài)協(xié)同。以臺(tái)風(fēng)“盧碧”為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行算法驗(yàn)證，統(tǒng)計(jì)兩個(gè)載荷權(quán)重系數(shù)在0-1之間變化時(shí)的云相態(tài)分類結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)權(quán)重系數(shù)分別取1/2時(shí)，垂直方向云像元統(tǒng)計(jì)達(dá)到最大，且云相態(tài)融合結(jié)

6、果達(dá)到最優(yōu)化比例。表明激光和微波云相態(tài)垂直協(xié)同算法能較好的解決單一載荷云廓線信息探測(cè)不足的缺陷，豐富云層內(nèi)部粒子的輻射信息，大大提高了垂直方向云相態(tài)反演的準(zhǔn)確性。
　　(3)基于衛(wèi)星偏振、激光和微波載荷提出多源數(shù)據(jù)云頂相態(tài)空間協(xié)同算法。該算法針對(duì)三種載荷的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)不同及數(shù)據(jù)維度差異，將差異化結(jié)構(gòu)和維度通過降維和升維變換實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，并構(gòu)建多目標(biāo)模糊最優(yōu)化規(guī)則實(shí)現(xiàn)三類云相態(tài)產(chǎn)品的水平方向融合。以臺(tái)風(fēng)“盧碧”為例，將兩種不同方法獲取的PO

7、LDER3云相態(tài)二級(jí)產(chǎn)品與激光和微波二級(jí)云相態(tài)產(chǎn)品進(jìn)行融合，獲取兩種不同的融合結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行分析與討論。兩種云頂相態(tài)融合結(jié)果與CALIPSO和CloudSat的云相態(tài)分類比例比較接近，而與POLDER3和MODIS的比例偏差較大，其中冰云和水云的標(biāo)準(zhǔn)偏差都大于10％以上。原因是POLDER3在多層云及云邊界區(qū)由于多角度觀測(cè)使得云粒子虹特性存在偏差導(dǎo)致誤判，MODIS在薄云和破碎云區(qū)紅外輻射特性差異不顯著導(dǎo)致亮溫判別云粒子相態(tài)失效。對(duì)比分

8、析兩種融合云相態(tài)均值及誤差變化趨勢(shì)，在云項(xiàng)部分與CALIPSO云相態(tài)非常接近，在云層內(nèi)部和云底與CloudSat接近。兩種融合結(jié)果綜合了激光在云頂探測(cè)和微波在云層內(nèi)部及云底探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，使其在冰云和水云分類上更加準(zhǔn)確，并且使云頂和云底相態(tài)劃分更加合理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該融合算法對(duì)云頂相態(tài)分類改進(jìn)效果非常顯著，并不會(huì)受某一種云相態(tài)結(jié)果誤差的干擾，能有效提高云頂相態(tài)分類的精度和準(zhǔn)確性。
　　空間協(xié)同反演是未來衛(wèi)星遙感探測(cè)的主要方向之一，不僅