强吸收性气溶胶大气校正 - 前沿技术 - 海洋遥感在线分析平台

研究背景及意义

大气校正是海洋水色遥感的关键环节，其精度也直接影响到全球海洋生态参数的反演。目前美国国家航空航天局（NASA）标准大气校正算法对于非吸收性、弱吸收性气溶胶条件下的水体能够取得不错的结果，但是对于强吸收性气溶胶条件下的水体就会失效。然而，吸收性气溶胶在中国海、印度半岛沿岸、阿拉伯半岛沿岸、撒哈拉沙漠周边海域都广泛存在，这也使得使用NASA标准大气校正算法会过度校正，导致得到的遥感反射率严重偏低甚至出现负值，当误差传递到水色要素反演中，会严重影响反演模型的精度，从而造成信息大量丢失。
强吸收性气溶胶包括沙尘、黑碳、有机碳气溶胶，它们对全球辐射收支平衡、气候变化、大气环境具有重要作用。在NASA标准大气校正算法中，使用辐射传输模拟生成查找表时，为方便计算而采用双层大气均匀分布模型，假定气溶胶全部位于大气分子的底部，造成气溶胶散射、气溶胶与大气分子相互作用的贡献会严重偏高，导致大气校正过校，短蓝波段的遥感反射率严重偏低，在强吸收性气溶胶的影响下甚至出现负值。短蓝波段的辐射信号包含海洋中颗粒有机碳、可溶解有机碳等生物地球化学性质的信息，因此研发针对强吸收性气溶胶的大气校正算法对水色遥感的发展是极其重要的。

图1 技术路线图
图2 沙尘和烟尘气溶胶垂向分布参数模型反演与CALIPSO观测结果的比较。(a)(c) CALIPSO观测; (b)(d)模型反演结果。
图3 对比在高斯型、指数型、双层大气型垂直分布模型的情况下，3种气溶胶对大气校正的影响。(a)~(d)沙尘气溶胶; (e)~(f)城市型气溶胶; (i)~(l)海洋型气溶胶。

成果介绍

强吸收性气溶胶大气校正数据集包括3个垂直分布参数，分别是均值高度（单位：km）、高度标准差（单位：km）以及峰值颗粒数目浓度（单位：cm^-3）。该数据集具有0.75°×0.75°的空间分辨率，覆盖2007年1月至2016年12月的全球区域。此外，我们基于AERONET的L2级全球近海和大洋站点的气溶胶实测数据，建立全球气溶胶分类算法，构建海洋强吸收性气溶胶模式，其中包含沙尘和烟尘气溶胶的粗细模态的粒径谱分布和412~865nm波段的复折射指数。在此基础上，我们利用海气耦合辐射传输模型模拟吸收性气溶胶情况下的大气顶 (TOA) 反射率（ρ_t(λ)）和遥感反射率（Rrs(λ)）。基于大量的辐射传输模拟和机器学习模型，提出了一种新的大气校正算法 (OC-XGBRT)，考虑吸收性气溶胶的垂直分布，用于反演蓝光波段的Rrs(λ)，以降低吸收性气溶胶的影响。
该数据集使用CALIPSO气溶胶产品数据和ERA5再分析气象数据作为输入数据，我们针对两者吸收性气溶胶建立了两种不同的神经网络模型，基于高斯曲线拟合，分别用于反演沙尘和烟尘气溶胶的全球垂直分布参数，生产了2007-2016年期间全球月平均气溶胶均值高度和气溶胶高度标准差，这为强吸收性气溶胶的大气校正提供了气溶胶垂向数据支持。在此基础上，我们建立了OC-XGBRT算法并将其应用于MODIS-Aqua水色传感器上，并用SeaBASS和AERONET-OC实测站点数据进行验证。在吸收性气溶胶的情况下，我们将OC-XGBRT算法反演结果与NASA SeaDAS、PLOYMER、OC-SMART大气校正算法进行对比。OC-XGBRT的平均绝对百分偏差(APD)和均方根误差(RMSE)分别小于~36.9%和~5.5 ×10^-4 sr^-1。结果表明，OC-XGBRT在沿海和内陆水域能提供更准确的遥感反射率产品。

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