基于高分五號DPC氧氣A吸收波段的云頂壓強(qiáng)反演

喬 瑞,伽麗麗,許 華,李正強(qiáng)?,朱思峰,謝一凇,洪津,代海山,麻金繼

(1中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101;2中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031;4上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109;5安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

0 引言

云大約覆蓋了海洋面積的71.7%和陸地面積的58.4%[1],是影響全球輻射收支的關(guān)鍵因素,也是氣候變化中最大的不確定性源[2]。云頂壓強(qiáng)與云頂高度具有較穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系,是重要的云物理參數(shù)之一。準(zhǔn)確獲取云頂壓強(qiáng)對于天氣預(yù)報(bào)尤其是強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測預(yù)警有著重要的作用[3]。此外,利用云頂壓強(qiáng)對一些較難識別的云(如薄云、高亮地表(包括冰雪)上空的云)有較好的識別效果。云頂壓強(qiáng)還可作為一些高度特征明顯的云(如卷云、深對流云等)分類的重要判據(jù)。

利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演云頂壓強(qiáng),主要有成像幾何和通道輻射特性兩類方法[4]。成像幾何方法主要是利用不同衛(wèi)星或同一衛(wèi)星的不同角度對于同一目標(biāo)的視差和衛(wèi)星的位置來反演云頂高度,并轉(zhuǎn)化為云頂壓強(qiáng)[5]。而通道輻射特性方法主要有單通道或多通道亮溫法[6]、分裂窗法[7,8]、CO2切片法[9,10]、偏振反射率法[11,12]和氧氣A吸收帶法等。

氧氣A吸收帶位于758～778 nm,此波長范圍除氧氣外幾乎沒有其他氣體吸收,而氧氣在大氣中的含量比例穩(wěn)定,所以該吸收帶是一個(gè)反演云頂壓強(qiáng)的理想通道[13]。利用氧氣A吸收帶反演云頂壓強(qiáng)的想法最早由Yamamoto和Wark提出[14]。Kuze和Chance[15]利用SCIAMACHY的觀測值和模擬計(jì)算的氧氣吸收率通過最小二乘擬合獲取了云頂高度。Br′eon等[16]利用POLDER傳感器在氧氣A吸收帶的寬窄兩個(gè)波段進(jìn)行了表面壓強(qiáng)反演的理論分析,其利用輻射傳輸模型進(jìn)行正向模擬,得到兩波段比值與壓強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,在POLDER云頂壓強(qiáng)產(chǎn)品中得到了應(yīng)用[17]。Preusker等[18]利用印度遙感3號衛(wèi)星MOS傳感器761 nm和765 nm波段的輻亮度比值計(jì)算了云頂高度。張巖等[19]對SCIAMACHY的兩種經(jīng)典云頂高度算法SACULA和FRESCO+的反演結(jié)果進(jìn)行了比較,并用地基雷達(dá)和探空數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

高分五號(GF-5)衛(wèi)星搭載的多角度偏振探測儀(Directional polarimetric camera,DPC),是中國第一個(gè)以氣溶膠探測為目標(biāo)的多角度偏振星載傳感器[20]。GF-5位于太陽同步軌道,過境時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)間13:30,重訪周期為2天。DPC的波段設(shè)置和POLDER[21]相近,包括可見光至近紅外的共8個(gè)探測波段(443,490,565,670,763,765,865,910 nm),其中490、670、865 nm波段為偏振測量波段,763 nm和765 nm波段位于氧氣A吸收帶上,帶寬分別為10 nm和40 nm。DPC通過在衛(wèi)星飛行過程中沿軌快速框幅式攝影,實(shí)現(xiàn)每個(gè)地面像元至少9個(gè)角度的觀測。

本文在POLDER反演云頂壓強(qiáng)[16]方法的基礎(chǔ)上,利用DPC的763 nm和765 nm兩個(gè)氧氣A吸收波段,研究DPC云頂壓強(qiáng)反演算法。主要考慮了DPC兩氧氣A吸收波段的儀器光譜響應(yīng)函數(shù),擴(kuò)展了輻射傳輸模擬樣本的海拔覆蓋范圍,改進(jìn)了兩氧氣A波段反射率比值與表面壓強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的擬合公式,并對云頂壓強(qiáng)反演進(jìn)行了初步驗(yàn)證。文中,首先介紹了氧氣A吸收帶反演云頂壓強(qiáng)的原理;然后,通過輻射傳輸模擬,得到DPC兩個(gè)氧氣A波段表觀輻亮度比值反演云頂壓強(qiáng)的擬合公式,校正了擬合誤差,并簡要分析了影響反演結(jié)果的其他誤差因素,如大氣氣溶膠、大氣廓線等;進(jìn)一步,利用晴空地表對反演方法進(jìn)行了穩(wěn)定性分析和原理性驗(yàn)證(對比DEM),并比較了DPC云頂壓強(qiáng)反演結(jié)果與MODIS云頂壓強(qiáng)產(chǎn)品的一致性。最終,得到了分辨率和精度均較高的DPC云頂壓強(qiáng)反演結(jié)果。

1 氧氣A吸收帶反演云頂壓強(qiáng)的原理

氧氣A吸收帶波長范圍為758～778 nm,是氧氣吸收最強(qiáng)的一個(gè)吸收帶,且在該吸收帶內(nèi)幾乎沒有其他大氣吸收,比較“純凈”。GF-5搭載的DPC在氧氣A吸收帶設(shè)置了兩個(gè)探測波段:一個(gè)是中心波長為763 nm的窄波段,覆蓋了大部分較強(qiáng)的氧氣吸收譜線;另一個(gè)是中心波長為765 nm的寬波段,覆蓋氧氣A吸收帶的同時(shí)還覆蓋了部分非吸收波段。因此,在傳感器實(shí)際觀測中,765 nm波段測得的表觀輻亮度高于763 nm波段。圖1為兩個(gè)波段的光譜響應(yīng)函數(shù)以及6S模擬的該波段整層大氣氧氣吸收透過率。

圖1 DPC/GF-5 763 nm和765 nm波段傳感器光譜響應(yīng)函數(shù)及6S模擬的整層大氣氧氣吸收透過率Fig.1 Sensor spectral response and the total atmosphere oxygen transmittance simulated by 6S in DPC/GF-5 763nm and 765nm bands

某一波段氧氣的吸收系數(shù)可以利用逐線積分法計(jì)算得到,假定波段內(nèi)的每條譜線都是Lorentz型[22],則該波段的吸收系數(shù)k的計(jì)算公式為

式中:N為該波段范圍包含的吸收譜線個(gè)數(shù);Si為第i條吸收譜線的線強(qiáng),是溫度T的函數(shù);ai為第i條吸收譜線的半寬,是氣壓P和溫度T的函數(shù);ν和ν0,i分別是該波段中心波數(shù)和第i條譜線的中心波數(shù)。

單一吸收譜線的線強(qiáng)Si和線寬ai的計(jì)算公式為

式中:S0為標(biāo)準(zhǔn)溫度T0的線強(qiáng),E為吸收光譜對應(yīng)的電子躍遷低能級能量,a0為標(biāo)準(zhǔn)氣壓P0和標(biāo)準(zhǔn)溫度T0下的半寬,這三個(gè)參數(shù)均為常數(shù),對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)氣壓P0=1013 hPa、標(biāo)準(zhǔn)溫度T0=273 K。

從上述公式可以看出,對于特定的波段,氧氣的吸收透過率(可以由吸收系數(shù)計(jì)算得到)可以看作大氣壓強(qiáng)P和溫度T的函數(shù),而對于一個(gè)確定的大氣溫度廓線,氧氣的透過率只和大氣壓強(qiáng)P有關(guān)。這樣,可以利用氧氣吸收影響權(quán)重不同的763 nm和765 nm波段觀測值之間的對比關(guān)系,反演云頂(或晴空地表)大氣壓強(qiáng)P。

2 云頂壓強(qiáng)反演方法

2.1 基于輻射傳輸模擬確定反演擬合公式

對于不透明的云,大氣頂表觀反射率可以認(rèn)為大致由瑞利散射、氣溶膠散射和云頂反射三部分構(gòu)成,即

式中:tatm是云上大氣透過率,在DPC的763 nm和765 nm波段內(nèi),該透過率主要受氧氣吸收影響,其他大氣分子的吸收如臭氧、水汽影響非常小(見表1)。

表1 6S模擬的DPC/GF-5 763 nm和765 nm波段吸收氣體整層大氣吸收透過率t763和t765Table 1 The total atmosphere transmittance t763and t765of absorption gases simulated by 6S in DPC/GF-5 763nm and 765nm bands

瑞利散射貢獻(xiàn)Rrayleigh可以精確計(jì)算,其大小依賴于高度,在反演前是未知量,但由于這兩個(gè)波段瑞利散射光學(xué)厚度很小(約0.02),該項(xiàng)對RTOA貢獻(xiàn)也較小。氣溶膠散射貢獻(xiàn)Raerosol值依賴于云上氣溶膠含量,在云層較高的情況下,該項(xiàng)對于RTOA的影響較小。云頂反射Rcloud難以精確計(jì)算,因?yàn)橛?jì)算云層透過及內(nèi)部多次散射的部分比較困難。對于本研究,由于兩個(gè)波段非常接近,可以認(rèn)為Rrayleigh、Raerosol和Rcloud在兩個(gè)波段是相等的。

利用以上特性,定義比例系數(shù)X為763 nm與765 nm波段表觀反射率的比值,其表達(dá)式為

根據(jù)上述分析,X≈tO2(763nm)/tO2(765nm),而不同高度大氣中氧氣比例恒定約為21%,氧氣透過率tO2可以等價(jià)于云頂壓強(qiáng)P,所以X與P存在函數(shù)關(guān)系。

輻射傳輸模擬時(shí)還需要考慮光程影響,定義大氣光學(xué)質(zhì)量m=1/μs+1/μν表示不同角度入射和反射光路的光程差異,μs為太陽天頂角的余弦,μν為觀測天頂角的余弦。

為了得到X與P的函數(shù)關(guān)系,不考慮云層透過及內(nèi)部多次散射的影響,利用輻射傳輸模型對比例系數(shù)X進(jìn)行比較全面的模擬,壓強(qiáng)P范圍為1013.2～75.6 hPa(對應(yīng)海拔高度0～18 km,步長1 km);大氣光學(xué)質(zhì)量m范圍為2～5.84(對應(yīng)太陽天頂角0～70°,觀測天頂角0～70°,步長10°);云頂反射率設(shè)置為0.7;氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol optical depth,AOD)值設(shè)置為0.1;大氣模式設(shè)置為熱帶大氣。

模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)可以看出mP與X有趨勢上的關(guān)系,但比較離散,無法擬合出關(guān)系曲線?？紤]到一定高度范圍的氧氣吸收光學(xué)厚度與氣壓存在近似的平方關(guān)系[23],故可以擬合mP2與X的關(guān)系曲線,如圖2(b)所示。為了減少擬合偏差,嘗試多種擬合模型后,選擇用4次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。擬合公式為

圖2 763 nm和765 nm波段表觀反射率比例系數(shù)X與大氣光學(xué)質(zhì)量m和大氣壓強(qiáng)P的關(guān)系。(a)X與mP關(guān)系;(b)X與mP2關(guān)系Fig.2 The function between X(ratio of 763 nm and 765 nm TOA)and m(air mass),P(atmospheric pressure).(a)Function of X and mP,(b)function of X and mP2

擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.9995,說明X與mP2有非常強(qiáng)的相關(guān)性。擬合參數(shù)見表2。

表2 擬合公式(7)各項(xiàng)參數(shù)值Table 2 Fitting formula(7)parameters

2.2 擬合誤差分析與校正

由于X與mP2的數(shù)量級相差較大,擬合誤差的影響不可忽視,下面進(jìn)行擬合誤差分析和校正。

以太陽和觀測天頂角均為0°、60°、70°為例,對于不同的X,用擬合公式得到mP2,計(jì)算壓強(qiáng)誤差相對值ΔP/P,得到誤差趨勢圖(圖3),其他天頂角的誤差趨勢與圖3一致,其值介于0°和70°的樣本曲線之間(類似圖 3 中 60°樣本)。

圖3 不同太陽和觀測天頂角(0°,60°,70°)壓強(qiáng)擬合相對誤差Fig.3 Relative error of pressure fitting at different solar zenith angles and view zenith angles(0°,60°,70°)

從圖3可以看出,擬合誤差主要和兩個(gè)因素有關(guān),一個(gè)是X的大小,另一個(gè)是太陽與觀測天頂角。對于X,在X<0.9時(shí),壓強(qiáng)的擬合誤差都較小,在±2%以內(nèi);而0.90.95時(shí),誤差均為正,且快速增大。對于角度,天頂角較小時(shí)擬合誤差較大,而天頂角較大時(shí)擬合誤差顯著變小。這主要是因?yàn)榻嵌鹊脑龃笤黾恿斯獬?限制了X的增大。對反演來說,由擬合產(chǎn)生的誤差主要會(huì)對云頂壓強(qiáng)較小的情況(小于182 hPa,對應(yīng)海拔高度約13 km以上)產(chǎn)生影響,而對于云頂壓強(qiáng)較大的情形,則對反演結(jié)果影響較小。

因此,擬合誤差的校正要同時(shí)考慮X和太陽、觀測角度。對X>0.9的情況進(jìn)行校正,角度通過大氣光學(xué)質(zhì)量m反映。為了減少多次計(jì)算引起的誤差放大,直接對擬合項(xiàng)f(X)進(jìn)行校正。定義誤差校正量為Ecor,計(jì)算公式為

式中,m0和m70分別對應(yīng)太陽和觀測天頂角均為0°或70°時(shí)的大氣光學(xué)質(zhì)量(其值分別為2和5.8476),中間角度m的值介于m0和m70之間。擬合誤差校正后P?X公式為

重新計(jì)算得到新的誤差趨勢圖(圖4)?？梢钥闯?經(jīng)過擬合誤差校正以后,擬合誤差在X>0.9時(shí)得到了顯著降低,基本都小于1.5%,提高了反演的準(zhǔn)確性。

2.3 其他因素誤差分析

實(shí)際反演時(shí),大氣和地表情況各異,與擬合公式的模擬條件有差異,進(jìn)一步分析由大氣氣溶膠、大氣廓線和地表反射幾方面因素帶來的反演誤差。

1)大氣氣溶膠

氣溶膠主要分布在海拔3 km以下的大氣中[24],對于具有一定高度且不透光的云來說,云上氣溶膠影響一般很小。氣溶膠對表觀反射率的影響比較復(fù)雜,有散射、吸收、多次散射等效應(yīng)?？紤]到復(fù)雜性,利用輻射傳輸模擬計(jì)算其導(dǎo)致誤差最大的一種情況,即考慮整層大氣的影響。在實(shí)際反演中,誤差都小于該情況。分析不同AOD時(shí),利用式(11)反演云頂壓強(qiáng)的誤差,結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同AOD(0.01,0.3,0.5)時(shí)模擬反演的云頂壓強(qiáng)相對誤差Fig.5 Relative error of retrieved pressure for different AOD(0.01,0.3,0.5)

圖5中,縱坐標(biāo)為不同AOD值(0.01,0.3,0.5)時(shí),基于擬合公式(11)(AOD值0.1)反演的云頂壓強(qiáng)相對誤差?？梢钥闯?AOD大于0.1時(shí),云頂壓強(qiáng)反演結(jié)果偏大;AOD小于0.1時(shí),云頂壓強(qiáng)反演結(jié)果偏小;且相對誤差均不超過±0.2%。因此,氣溶膠含量對云頂壓強(qiáng)反演結(jié)果的影響可以忽略。

2)大氣溫壓廓線

利用擬合公式(11)模擬時(shí)選取的大氣模式為熱帶大氣,而地球上不同緯度和季節(jié)的大氣廓線會(huì)有一些差異,例如極地附近的對流層高度比熱帶低的多,冬季的大氣一般比夏季干燥等,尤其不同大氣模式的溫度壓強(qiáng)廓線也有一定的差別。本研究采用的763 nm和765 nm波段,除氧氣吸收外,其他氣體(如臭氧和水汽)的吸收都很小,所以其他氣體含量差異不會(huì)帶來很大的誤差。模擬五種不同的標(biāo)準(zhǔn)大氣模式:熱帶大氣(Tro)、中緯度夏季(MLS)、中緯度冬季(MLW)、亞北極區(qū)夏季(SAS)、亞北極區(qū)冬季(SAW)時(shí)763 nm和765 nm波段表觀反射率,分析不同大氣模式導(dǎo)致的云頂壓強(qiáng)反演誤差。

圖6為其它四種大氣模式時(shí),基于擬合公式(11)(大氣模式為Tro)反演的壓強(qiáng)的相對誤差。可以看出,大氣模式差異會(huì)使壓強(qiáng)的反演結(jié)果偏大或偏小,如大氣模式為MLW時(shí),在太陽和觀測天頂角都為70°(m=5.8476)時(shí)壓強(qiáng)的相對誤差約為1.25%;大氣模式為SAW時(shí),在太陽和觀測天頂角都為0°(m=2)時(shí)壓強(qiáng)的相對誤差約為?1.55%?？傮w來看,不同的大氣模式所導(dǎo)致的壓強(qiáng)反演誤差約在±1.5%以內(nèi),影響較小。

圖6 不同大氣模式(MLS,MLW,SAS,SAW)時(shí)模擬反演的云頂壓強(qiáng)相對誤差Fig.6 Relative error of retrieved pressure for different atmosphere profiles(MLS,MLW,SAS,SAW)

3)地表反射

對于光學(xué)厚度較小的云,一部分光會(huì)穿過云層經(jīng)地表反射再被傳感器接收。這樣,反演得到的壓強(qiáng)會(huì)介于云頂壓強(qiáng)和地表壓強(qiáng)之間,造成結(jié)果偏大。一方面地表類型復(fù)雜多樣,另一方面薄云的性質(zhì)也難以描述,很難定量研究地表反射對于反演誤差的影響。因此,該算法對于不透光的厚云適用性更好。

3 結(jié)果與分析

3.1 利用晴空地表驗(yàn)證算法原理

本方法利用氧氣A吸收帶寬窄兩個(gè)波段的比值來反演云頂壓強(qiáng)(或表面壓強(qiáng)),理論上可以用于任何下墊面(包括云頂或晴空地表)壓強(qiáng)的反演[16]。因此,本小節(jié)采用晴空地表的觀測對云頂壓強(qiáng)(表面壓強(qiáng))反演算法進(jìn)行原理性驗(yàn)證。

3.1.1 反演穩(wěn)定性測試

由于云具有三維結(jié)構(gòu)復(fù)雜且變化迅速的特點(diǎn),為驗(yàn)證本反演算法在不同太陽、觀測角度下的穩(wěn)定性,選擇DPC/GF-5同一晴空區(qū)域、不同觀測日期的多角度觀測數(shù)據(jù),反演得到晴空地表的表面壓強(qiáng),并評估反演結(jié)果的差異大小。選擇一個(gè)適合進(jìn)行穩(wěn)定性測試的區(qū)域:蘇萊曼山脈東部(緯度范圍30°N～31°N,經(jīng)度范圍69°E～70°E,海拔范圍933～2352 m)。該區(qū)域?yàn)樯降?地形復(fù)雜,能夠較好地檢驗(yàn)不同角度和日期情況下反演的穩(wěn)定性。

圖7為2018年5月27日和2018年11月29日兩個(gè)不同日期對應(yīng)的9個(gè)不同觀測角度反演結(jié)果的差異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差與樣本均值的比值,CV),橫坐標(biāo)表示不同樣本?？梢钥闯?大部分樣本點(diǎn)不同觀測角度反演結(jié)果的CV都小于4%。綜合兩個(gè)不同日期的平均CV為3.5%。個(gè)別樣本點(diǎn)CV稍大,超過5%,最大達(dá)7.6%,但樣本量較少,僅占總樣本數(shù)的3.6%。這可能是山地復(fù)雜的地形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致DPC不同觀測角度觀測的地面目標(biāo)有差異而造成的。

圖7 DPC不同日期表面壓強(qiáng)反演結(jié)果差異系數(shù)Fig.7 The coefficient of variation(CV)for DPC retrieved pressure from different dates

3.1.2 基于DEM的表面壓強(qiáng)反演驗(yàn)證

忽略不同氣壓帶和氣象因素對于氣壓的影響,海拔高度與大氣壓強(qiáng)有著穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系。因此,可以利用該反演方法得到陸地晴空區(qū)域的地表壓強(qiáng),與利用DEM估算的地表壓強(qiáng)進(jìn)行對比,驗(yàn)證算法反演結(jié)果的可靠性。其中,DEM數(shù)據(jù)可以從DPC 1級數(shù)據(jù)中獲取,空間分辨率與DPC觀測數(shù)據(jù)一致。利用DEM數(shù)據(jù)估算地表壓強(qiáng)的公式為

選取一個(gè)海拔高度變化范圍較大的地理區(qū)域(塔里木盆地和青藏高原交界處,緯度范圍36°N～37°N,經(jīng)度范圍82°E～83°E,海拔范圍1445～6286 m)為驗(yàn)證區(qū)域。數(shù)據(jù)觀測日期為2018年5月27日。圖8中橫坐標(biāo)為利用DEM通過高度-氣壓估算公式(公式12)估算的地表壓強(qiáng),縱坐標(biāo)為DPC氧氣A波段反演得到的地表壓強(qiáng)。

圖8 DPC反演的表面壓強(qiáng)與DEM估算壓強(qiáng)對比結(jié)果Fig.8 The comparison between DPC retrieved atmospheric pressure and DEM estimated atmospheric pressure

兩個(gè)地表壓強(qiáng)的線性擬合斜率k=1.115,截距b=?90.044,相關(guān)系數(shù)R=0.9421,說明DPC反演的地表壓強(qiáng)與DEM估算的地表壓強(qiáng)具有很好的一致性。經(jīng)統(tǒng)計(jì),二者均方根誤差(RMSE)約為47.6 hPa,最大偏差不超過100 hPa。該偏差大于氧A波段反演理論誤差的原因主要與DPC像元空間分辨率(3.3 km)較低有關(guān),在這個(gè)較大范圍內(nèi)地表復(fù)雜的地形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致氧A帶與DEM估算對應(yīng)性之間存在較大的隨機(jī)誤差。但應(yīng)該強(qiáng)調(diào),兩者結(jié)果很好的線性擬合相關(guān)系數(shù)說明了氧A帶方法的有效性。

3.2 全球反演結(jié)果

圖9展示了DPC/GF-5 2018年5月27日全球云頂壓強(qiáng)反演結(jié)果。從圖中可以看出:云覆蓋了地球尤其是海洋的大部分區(qū)域,晴空多出現(xiàn)在干旱和內(nèi)陸地區(qū)。低緯度和中緯度的云形狀大多較碎;中高緯度的云多呈東西向的條帶狀,和地球風(fēng)帶有關(guān);高緯度的云多呈塊狀。云頂壓強(qiáng)較低即較高的云一般出現(xiàn)在低緯度的海陸交界區(qū)域附近,這是因?yàn)榈途暥葘α鲗痈叨容^高,而中緯度和高緯度要低的多,限制了云頂高度。

圖9 2018年5月27日DPC云頂壓強(qiáng)全球反演結(jié)果樣例。(a)DPC全球圖像;(b)云頂壓強(qiáng)反演結(jié)果Fig.9 The sample of DPC global retrieved cloud top pressure on May 27,2018.(a)DPC global image,(b)retrieved cloud top pressure

3.3 與MODIS云頂壓強(qiáng)產(chǎn)品的對比

為了分析DPC云壓強(qiáng)(基于氧氣A帶法)空間分布結(jié)果的反演性能,將DPC的云頂壓強(qiáng)反演結(jié)果與MODIS云頂壓強(qiáng)產(chǎn)品(基于CO2切片法)對比,比較二者的差異。

為去除DPC觀測數(shù)據(jù)中的晴空、太陽耀光和冰雪等區(qū)域,在反演過程中增加一些簡單的約束條件:1)要求海洋區(qū)域765 nm波段反射率大于0.08(大于該波段瑞利散射貢獻(xiàn)反射率的最大強(qiáng)度);2)要求陸地和海陸交界區(qū)域443、565、670 nm反射率差值小于0.01(利用云像元可見光各波段反射率基本相等的特性);3)剔除南半球海洋區(qū)域反演壓強(qiáng)大于950 hPa的像元(太陽耀光區(qū)域);4)剔除PDEM估算-P反演小于100 hPa的像元(冰雪覆蓋區(qū)域)?？紤]云的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu),這里選擇DPC觀測天頂角最小的觀測數(shù)據(jù)用于云頂壓強(qiáng)反演。

選取MODIS/Aqua云頂壓強(qiáng)產(chǎn)品(MYD06)作為對比數(shù)據(jù)。MODIS/Aqua與DPC/GF-5過境時(shí)間相近,均為當(dāng)?shù)貢r(shí)間13:30,可以保證云的位置、形狀變化較小。MYD06云頂壓強(qiáng)產(chǎn)品利用MODIS紅外通道中第33～36波段通過CO2切片法反演得到,空間分辨率為5 km,對于卷云和中層水云其誤差小于50 hPa,其他云誤差小于200 hPa[25]。圖10展示了DPC和MODIS在2018年5月27日的云頂壓強(qiáng)對比結(jié)果。圖中從上到下每行依次對應(yīng)下墊面為:海洋(大西洋北部海域,緯度范圍32°N～46°N,經(jīng)度范圍55°W～45°W)、沙漠(阿拉伯半島附近,緯度范圍18°N～32°N,經(jīng)度范圍50°E～60°E)、植被(美國與加拿大交界處,緯度范圍40°N～54°N,經(jīng)度范圍110°W～100°W)。從圖10可以看出,DPC云頂壓強(qiáng)反演結(jié)果與MODIS產(chǎn)品的空間分布趨勢具有較好的一致性。且DPC的云頂壓強(qiáng)結(jié)果相比MODIS空間分布更為平滑,像元分辨率更高。此外,發(fā)現(xiàn)MODIS產(chǎn)品存在一些晴空像元的誤反演現(xiàn)象[如圖10(b)黑色方框所示,該區(qū)域明顯為晴空海面,卻反演出了“云頂壓強(qiáng)”]和一些條帶噪聲現(xiàn)象[如圖10(b)白色方框所示,這可能是由傳感器探測元正反掃描響應(yīng)差異、傳感器機(jī)械運(yùn)動(dòng)等造成的[26]]。而DPC云頂壓強(qiáng)結(jié)果則存在一些薄云和云邊緣區(qū)域的漏反演現(xiàn)象,這是由于氧氣A帶算法對厚云適用性更好,在數(shù)據(jù)處理時(shí)采用了相對嚴(yán)格的云識別判據(jù)。

圖10 2018年5月27日DPC和MODIS的云頂壓強(qiáng)對比結(jié)果。(a)海洋區(qū)域;(b)沙漠區(qū)域;(c)植被區(qū)域Fig.10 Comparison of cloud top pressure between DPC and MODIS on May 27,2018.(a)Ocean region,(b)desert region,(c)vegetation region

進(jìn)一步將DPC云頂壓強(qiáng)反演結(jié)果與MODIS/Aqua云頂壓強(qiáng)產(chǎn)品(MYD06)進(jìn)行定量對比。由于MODIS云頂壓強(qiáng)產(chǎn)品的空間分辨率為5 km,而DPC的空間分辨率3 km,為了盡量降低尺度因素的影響,同時(shí)避免邊緣效應(yīng),選取大面積云目標(biāo)的中間部分為樣本區(qū)域,并對DPC與MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行像元匹配。同時(shí),選取的樣本覆蓋高云、中云和低云,以增加對比結(jié)果的代表性。

對比結(jié)果如圖11所示,圖中橫坐標(biāo)為MODIS產(chǎn)品的云頂壓強(qiáng),縱坐標(biāo)為利用DPC氧氣A波段觀測反演得到的云頂壓強(qiáng)。從圖中樣本橫坐標(biāo)可以看出,MODIS產(chǎn)品的壓強(qiáng)值不連續(xù),這是因?yàn)镸ODIS產(chǎn)品對壓強(qiáng)做了近似處理(最小單位為5 hPa)。DPC和MODIS的云頂壓強(qiáng)線性擬合斜率k=1.040,截距b=39.556,相關(guān)系數(shù)R=0.9567。這說明DPC反演結(jié)果與MODIS產(chǎn)品有很好的一致性。二者均方根誤差(RMSE)約為98.6 hPa,其中大部分的DPC反演結(jié)果較MODIS偏高。此外,在云頂壓強(qiáng)較低即云層較高時(shí),二者偏差較大?？赡苁怯刹煌惴?氧氣A帶算法和CO2切片算法)在低壓強(qiáng)時(shí)敏感性不同,反演誤差增大造成的。

圖11 DPC反演的云頂壓強(qiáng)與MODIS云頂壓強(qiáng)產(chǎn)品逐像元對比結(jié)果Fig.11 Pixel-by-pixel comparison between DPC retrieved cloud top pressure and MODIS cloud top pressure product

4 結(jié)論

基于DPC/GF-5的兩個(gè)氧氣A吸收波段(763 nm和765 nm,帶寬分別為10 nm和40 nm),研究了云頂壓強(qiáng)反演算法。首先,通過輻射傳輸模擬和多項(xiàng)式擬合得到了云頂壓強(qiáng)和兩波段表觀反射率比值的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,并對擬合公式進(jìn)行了誤差分析和校正,擬合公式整體誤差小于1.5%。然后,分析了大氣氣溶膠、大氣溫壓廓線等地氣條件對反演結(jié)果的影響,結(jié)果表明這些因素對云頂壓強(qiáng)反演結(jié)果影響均較小,可忽略。進(jìn)一步利用DPC晴空地表觀測數(shù)據(jù),對反演方法進(jìn)行了穩(wěn)定性測試和原理性驗(yàn)證。穩(wěn)定性測試結(jié)果表明該算法在不同太陽、觀測角度條件下,反演結(jié)果差異在5%以內(nèi),具有較好的穩(wěn)定性。晴空地表DPC反演的表面壓強(qiáng)與DEM估算的壓強(qiáng)對比的平均偏差約為47.6 hPa。最后,將DPC反演的云頂壓強(qiáng)與MODIS云頂壓強(qiáng)產(chǎn)品(MYD06)對比,結(jié)果表明二者有很好的一致性,云頂壓強(qiáng)平均偏差約為98.6 hPa。

本反演方法理論上對于云和晴空地表均適用,云頂壓強(qiáng)結(jié)果不但可用于云高估計(jì),還可用于云識別和云分類。由于忽略云三維形狀、云的透過及云層間多次散射的影響,本反演對于不透光且充滿整個(gè)像元的厚云誤差較小,約為幾十hPa;而對于薄云或未充滿整個(gè)像元的云邊緣區(qū)和碎云則誤差較大,反演結(jié)果相對真實(shí)值偏大。未來可通過增加氧A帶光譜分辨率、傳感器像元空間分辨率等途徑進(jìn)一步改進(jìn)云頂壓強(qiáng)產(chǎn)品的精度和適用性。