从空间遥感卷云和平流层气溶胶的1.375μm MODIS通道的选择外文翻译资料

 2022-11-26 20:18:45

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

从空间遥感卷云和平流层气溶胶的1.375mu;m MODIS通道的选择

Bo-Cai Gao* and Yoram J. Kaufman

*University Space Research Association, NASA/Goddard Space Flight Center,Greenbelt,Maryland

Climate And Radiation Branch, NASA/Goddard Space Flight Center,Greenbelt,Maryland

(Manuscript Received 15 July 1994,In Final Form 6 December 1994)

摘要

利用NASA FIRE 2期卷云项目（FIRE：the First ISCCP Regional Experiment；ISCCP： the International Satellite Cloud Climatology Project）中由ER-2飞机搭载的机载可见光/红外成像光谱仪（AVIRIS）在20km高空获得的光谱成像数据，发现在1.38mu;m强水汽带中心附近的狭窄通道对探测薄卷云非常有效。探测卷云的机制很简单：在没有卷云的情况下，1.38mu;m附近的AVIRIS通道接收到的被地表和低层水云散射的太阳辐射较少，是因为在地表和低层水云之上的大气水汽对太阳辐射的全吸收作用；然而当卷云存在时，这些通道接收到的由卷云散射的太阳辐射在黑色背景上形成鲜明对比。为从空间遥感卷云，中分辨率成像光谱仪（MODIS）选择中心在1.375mu;m、宽度为30nm的近红外通道。MODIS是地球观测系统的传感器之一，计划于1998年发射。新通道在白天探测薄卷云的灵敏度有望比红外发射技术高出一到两个数量级。当平流层气溶胶光学厚度在0.55mu;m时大于等于0.01时，该通道也可以用太阳掩星技术补充平流层气溶胶的测量。

1.介绍

薄卷云由于其透明性难以在卫星图像上探测到，尤其是在陆地上的可见光和10-12mu;m红外大气窗区（Rossow et al.1985）。为从飞机和卫星平台获取的遥感红外数据中获得卷云区范围、高度和光学厚度，已有多项技术取得进展（e.g.,barton 1983;rossow et al.1985;woodbury and mccormick 1986;wylie and menzel 1989;ackerman et al.1990;minnis et al.1990;menzel et al.1992）。尽管卷云探测技术的研究取得了进展，但仍然普遍认为，从目前的卫星观测中监测卷云覆盖存在很大的不确定性（starr and wylie 1990）。

FIRE 2期卷云项目（以下简称FIRE II;cf.starr et al.1990）旨在研究卷云特性。该项目的具体目标包括从空间和地面上评估和提高目前使用的云/辐射监测系统的可靠性，并评估未来的云/辐射监测系统（如地球观测系统（EOS））的性能。1991年11、12月在堪萨斯东南部和墨西哥湾上空开展了密集实地观测，使用了现代最先进的地表、卫星和飞机设备。来自NASA喷气推进实验室（JPL）的AVIRIS（Vane et al.1993;Green et al.1993）具有连续的光谱范围和成像能力，在后期也加入到实地观测中。在过去几年里，AVIRIS也应用在众多其他研究地球表面和大气的实验中。

基于AVIRIS数据分析，研究得出1.38mu;m强水汽带中心附近的狭窄通道对卷云监测是有效的（Gao et al.1993）。本文将介绍对AVIRIS数据的研究总结，用以空间遥感卷云的1.375mu;m的MODIS通道的选取，以及该通道遥感平流层气溶胶的应用。

2 AVIRIS观测

AVIRIS是在80年代中期由喷气推进实验室研究和制造的成像光谱仪（vane 1987），如今是一款具有可靠的辐射和光谱校准的操作成像光谱仪（Green et al.1993）。它覆盖了0.4到2.5mu;m的光谱区，具有224个约10nm宽度的窄通道，且在20km高的ER-2飞机上，它具有20mtimes;20m 的地面瞬时视场。地面上的测绘宽度约12km。

利用1.38mu;m强水汽带中心附近的通道探测卷云的机制比较简单：卷云通常位于对流层上部和平流层下部（lion 1989），卷云上方的水汽量通常只有从地面到太空的水汽总量的1% - 10%；因为太阳辐射主要被低层大气的水汽吸收，1.38mu;m附近AVIRIS通道接收到的被地面和低空云层散射的太阳辐射很少，当卷云存在时，这些通道就会接收到大量被冰粒子散射的太阳辐射。

1991年12月5日墨西哥湾和堪萨斯东南部的科菲维尔，在FIRE 2期卷云项目期间AVIRIS获得了观测数据。 图1a显示墨西哥湾的0.55mu;m AVIRIS图像，可以看见高层的大范围卷云和底层的小范围明亮的积云。图1b显示了同一地区的1.38mu;m AVIRIS图像，在这张图上积云完全消失，只有卷云可见。实例表明，位于1.38mu;m强水汽带中心附近的狭窄通道探测高空卷云的有效性。图2a是在SCAR-A实验中获取，显示了北卡罗莱纳约以36.3°N,77.8°W为中心的区域测得的0.557mu;m AVIRIS图像。SCAR-A实验于1993年7月在美国东部沿海地区进行，旨在研究气溶胶对气候的影响。在这幅图像中，可以看到地表特征，如道路和场地边界。在图像的中间部分还可以看到飞机的两条狭窄的尾迹（直线）。总的来说，由于对流层下部霾层和上部卷云层的存在，图像看起来是模糊的。图2b显示了同一地区的1.372mu;m AVIRIS图像，可以看见高空卷云和飞机尾迹，但是低层霾层和地表特征完全消失了。再次论证1.372mu;m AVIRIS通道探测高空薄卷云的有效性，并且能将薄卷云与地表和低层霾层区分开来。

图3-1墨西哥湾上空AVIRIS：（a）0.56mu;m显示卷云与低层云，（b）1.38mu;m显示只有卷云

图3-2 南加州某地上空AVIRIS图像：（a）0.56mu;m和（b）1.37mu;m

3 MODIS 1.375mu;m通道的选择

AVIRIS数据表明：1.38mu;m强水汽带中心附近的狭窄通道探测卷云是有效的。基于此，建议在MODIS仪器上安装类似通道（salomonson et al.king et al.1992）。MODIS科学小组已经认可在EOS上午、下午平台上的MODIS仪器上使用该通道。MODIS是地球观测系统的传感器之一，计划于1998年发射。

在选择MODIS通道的位置和宽度期间，充分考虑了1.38mu;m水汽带的光谱形状和通道带通可能发生漂移的影响。为了说明通道选择的过程，采用Lowtran 7计算双向晴空透过率，所用路径为从太阳到大气指定高度Z，再从高度Z到大气顶（Kneizys et al.1998）。图3显示了在1.24mu;m-1.56mu;m光谱区域上的双向透过率，高度为0、6、10和20km，模型为垂直气柱水汽含量2.1cm的亚北极夏季模型。所选的MODIS通道具有1.36mu;m-1.39mu;m带宽，由一条粗横线标记出来。

图3-3 亚北极夏季模式双向晴空透射率光谱（2.1cm可降水量）。入射段路径天顶角45ordm;，在高度Z处结束（假设100%反射率）；出射段路径天顶角0 ordm;。Zs选择0、6、10和20km。

该通道位于强水汽吸收区。更短波长方向的带通偏移最多大约8nm，但通道的平均透过率对此并不敏感，更长波长方向的带通偏移的限度大约是15nm。在Z=6km的光谱中可以看到，后者比前者限度更大是1.38mu;m水汽带的不规则形状造成的。在设计过程中假设：由于太空真空环境下滤波器密度的减少，带通更可能向长波方向扩展。

鉴于上述讨论，选择中心位置在1.375mu;m，宽度30nm的MODIS通道。通道的饱和度设置为反射率0.8。这种高饱和度确保了通道在几乎所有的大气条件下都不会饱和。5%反射率值的目标物的信噪比预计为150。通道的空间分辨率是1km。

1.375mu;m MODIS通道接收到的信号取决于卷云的吸收和散射特性（光学厚度、单次散射反照率和相函数），以及卷云上方、内部和下方的水汽吸收作用。用该通道探测卷云关键在于卷云下方水汽对太阳辐射的全吸收。为评估不同大气条件下水汽对太阳辐射的衰减程度，利用Lowtran 7计算在1.375mu;m通道带通下作为高度Z的函数的双向透过率，模式为热带夏季、中纬度夏季、中纬度冬季、亚北极夏季和亚北极冬季。在这些模式中可降水量分别是4.12、2.93、0.85、2.10和0.42cm。热带夏季和中纬度夏季模式是温暖潮湿的大气模式。中纬度冬季和亚北极冬季则是寒冷干燥的大气模式。计算中所用的太阳和观测几何与图3中相同。计算得到的双向透过率对高度的曲线如图4所示：对于前四个大气模型，Z=0时的双向透过率为0，这表明1.375mu;m通道在这些模式下无法探测到地表；对于亚北极冬季模式，Z=0时双向透过率大约是3%。但在亚北极冬季模式下，太阳天顶角是70°或者更高，而不是45°。大气路径的增加减小了双向透过率，并且进一步过滤了地表的影响。

图3-4 中心1.375mu;m、宽度30nm的 MODIS通道带通的平均双向透过率在LOWTRAN7模式中是高度Z的函数。辐照度和观测方向与图3-3相同。

所有大气模式的双向透过率在0-3km的高度上都很小。如图1b中AVIRIS图像所示，对于地表和3km以下的云，卫星接收到很小的散射信号。在3-6km高度上双向透过率增加。对于云顶高度在3-6km之间的中层云，卫星接收到一些散射信号。6km高度以上双向透过率变得相当大。对于6km以上的云，卫星接收到很大的散射信号。

晴天收集的AVIRIS数据显示，当气柱水汽含量少于0.5cm时，1.38mu;m附近的AVIRIS图像能看到弱的地表特征。因此，在可降水量少于0.5cm的大气干条件下用1.375mu;m MODIS通道探测卷云应当给予更多注意。总的可降水量是由0.86mu;m和0.94mu;m附近的MODIS通道测量（kaufman and gao 1992）。

4 平流层气溶胶

平流层气溶胶现在是由地球辐射收支卫星携带的SAGE II（the Stratospheirc Aerosol and Gas Experiment）设备测量（chu et al.1989）。测量使用的是太阳掩星技术，在到达设备之前太阳辐射会通过一条长路径穿过大气。因此，当平流层气溶胶浓度很小时，SAGE II具有极好的灵敏度。当平流层气溶胶光学厚度是0.07或更高时，由于太阳辐射的全消光作用只有很少的有用信号被SAGE II设备探测到。在1991年夏天Pinatubo火山喷发后，平流层气溶胶光学厚度在光谱可见光部分是0.2或者更多。NOAA-11在海上利用高级甚高分辨率辐射计（AVHRR）通道在可见光光谱区域成功监测到了Pinatubo火山的烟雾层（stowe et al.1992）。平流层气溶胶在可见光通道的信号会被薄卷云、对流层气溶胶（见图2a）、海洋泡沫和镜面反射的散射太阳辐射干扰。在2000年左右SAGE III设备将会发射（mccormick et al.1993;penner et al.1993），其具有1nm光谱分辨率和一个1.55mu;m的单通道。因为气溶胶光学厚度随着波长增加而减小，所以1.55mu;m的通道能够进行更厚的气溶胶层的测量。

在MODIS 1.375mu;m通道的选择以后，R Fraser（1993,个人通信）建议当气溶胶浓度大时，这个通道监测平流层气溶胶将很有效。关于用该通道监测平流层气溶胶的可行性已经开展了理论研究。在研究中，平流层气溶胶折射率假定为硫酸的折射率（1.41000-0.00001i）。具有对数正态尺寸分布的球形粒子假定平均质量半径是0.5mu;m，标准偏差，loge（ratius）是0.6（king et al.1984;shiobara et al.1991;kaufman et al.1994）。Dave（1972）的修改版程序用于辐射传输模型。

仿真结果表明，太阳天顶角30度、观测天顶角30度时，在1.375mu;m处光学厚度为0.1的气溶胶层的反射率是0.0054，其中在1.375mu;m处光学厚度为0.1相当于0.55mu;m处光学厚度为0.25。这与King等人的模拟结果具有可比较性（1984）。因为1.375mu;m MODIS通道的饱和度设置在0.8反射率处空间平均法可以充分提高信噪比。例如，在50kmtimes;50km的栅格上的空间平均法将使这个光学厚度小的图像的信噪比大约为25。因此,1.375mu;m通道可以探测到被0.55mu;m处光学厚度为0.01或更高的平流层气溶胶层散射的太阳辐射。

从图3的Z=20km光谱可以看出,在1.375mu;m附近平流层水汽吸收作用非常小.没有卷云和云顶高度约3-6km的中层云,1.375mu;m MODIS通道的唯一信号是由平流层气溶胶层散射的太阳辐射。因此得出结论，当气溶胶浓度很大或者大气晴朗时，1.375mu;m MODIS对平流层气溶胶的遥感是有效的。该通道可以利用太阳掩星技术对平流层气溶胶的测量进行补充。

5 讨论

目前使用红外发射技术的卫星系统能够有效地探测出有效发射率（云面积和发射率的乘积）大于等于0.1的卷云（ackerman et al.1992），但不能探测到有效发射率低于0.55的薄卷云。预计新通道将对卷云的存在更为敏感，并利用Spinhirne和Hart建立的发射率-反照率的关系（1990），对比红外技术，初步估计它的敏感性。Spinhirne和Hart发现，0.55的发射率相当于-0.015的可见光反照率。假设卷云内部和上部的水汽和冰的总吸收率在1.375mu;m处是0

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[22333]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章