青藏高原衛星紫外后向散射輻射的正演仿真

孫詩雅黃富祥夏學齊

青藏高原衛星紫外后向散射輻射的正演仿真

孫詩雅1，2，黃富祥2，3*，夏學齊1

（1.中國地質大學（北京） 地球科學與資源學院，北京 100083；2.中國氣象局 國家衛星氣象中心，北京 100081；3.中國氣象局 中國遙感衛星輻射測量和定標重點開放實驗室，北京 100081）

為了定量評估像元下墊面反射率等要素對青藏高原衛星臭氧遙感數據精度的影響，設計了青藏高原衛星太陽紫外后向散射輻射的正演仿真計算。首先提取NOAA衛星SBUV/2青藏高原像元下墊面的觀測數據，結合提取的臭氧垂直廓線數據，設計青藏高原正演仿真計算的輸入參數，最后輸入風云三號衛星紫外臭氧垂直探測儀正演仿真計算系統開展正演仿真計算，利用計算結果，考察衛星紫外臭氧垂直探測儀通道輻射觀測值隨下墊面特征參數的變化特征。結果表明：當太陽天頂角在30°～88°內變化時，儀器各個通道的輻亮度觀測值都隨太陽天頂角增大而減小，變率在0.002%～46.24%，變率隨著波長的增大而增大，其中第12通道的最大達到46.24%；當像元下墊面反射率在0～0.8內變化時，儀器通道輻亮度觀測值的變化特征隨波長不同而有顯著差異，其中短波長的第1～6通道，對觀測值的影響幾乎可以忽略不計，而長波長的第7～12通道，觀測值隨著下墊面反射率的增大而增大，而且這種變率隨著波長的增大而快速增加，第12通道的最大變率達到2 903.2%；像元下墊面有效氣壓的改變，對儀器通道輻亮度觀測值的影響可以忽略不計。

衛星遙感；青藏高原；紫外臭氧垂直探測儀；正演計算；輻射傳輸

1 引　言

青藏高原是全球最大的高原，被稱作世界第三極［1］，是我國“兩屏三帶”生態格局中重要的生態屏障區，也是北半球地帶臭氧損耗的重點地區。獨特的地理位置和海拔高度使青藏高原對全球氣候變化極其敏感，因此青藏高原也是全球臭氧和氣候變化研究的關鍵地區［2］。

高原臭氧變化監測和研究主要依賴衛星臭氧遙感技術。衛星紫外臭氧遙感技術研究始于1970年美國首次在Nimbus-4衛星上搭載紫外后向散射儀（Backscatter Ultraviolet， BUV）［3］。此后，在BUV 基礎上涌現出臭氧垂直探測儀（Solar Backscatter Ultraviolet， SBUV）和SBUV/2、臭氧總量探測儀（Total Ozone Mapping Spectrometer， TOMS）和（Ozone Monitoring Instrument， OMI）等一系列臭氧探測儀器，至今已連續獲得近40年的全球大氣臭氧資料［4］。我國首次自主研制的衛星紫外臭氧遙感器（Solar Backscatter Ultraviolet Sounder， SBUS）和（Total Ozone Uni， TOU）于2008年由風云三號A星攜載升空，此后FY-3B/C/D等后續星攜載同類儀器，共同組成臭氧連續觀測，在全球和極地臭氧監測中發揮了重要作用［5］。

利用衛星紫外臭氧探測儀監測青藏高原大氣臭氧變化面臨的一個關鍵問題是，高原下墊面類型多樣、地形破碎化嚴重，像元下墊面反射率復雜多變，勢必引起衛星臭氧反演數據的不確定性。然而，至今尚無人就高原獨特的地形地貌對衛星臭氧反演造成的影響開展定量評估。

衛星紫外臭氧反演算法由正演仿真計算和反演計算兩部分組成，其中正演計算是算法開發的第一步和基礎條件。正演計算是指在假設已經獲取了像元臭氧垂直廓線和臭氧總量反演結果的條件下，構造像元各種觀測條件作為輸入參數，利用紫外輻射傳輸模式，模擬計算衛星臭氧垂直探測儀觀測的輻亮度觀測值，并考察通道觀測值隨著不同觀測參數變化而改變的特征和規律［6-7］。我國在研發FY-3 SBUS反演算法的過程中，利用SBUS的儀器通道參數，構建了衛星SBUS正演仿真系統（Solar Backscattered Ultraviolet Radiance Forward Calculation Simulating System， SBURFCSS），為本文開展青藏高原衛星紫外后向散射輻射的正演仿真計算創造了基礎條件。

本文利用SBUV/2 L2級產品中提取的青藏高原衛星SBUS的像元下墊面參數、云參數和臭氧廓線等信息，設計了衛星紫外后向散射輻射正演模擬仿真的計算條件，利用風云三號衛星SBURFCSS正演仿真系統，開展正演仿真計算，定量評估高原像元下墊面特征對衛星SBUS通道輻射觀測值的影響，為定量評估高原衛星臭氧遙感產品精度創造有利條件。

2 數據和方法

2.1　衛星紫外臭氧垂直探測儀

FY-3衛星SBUS是我國第一次自主研制的衛星臭氧探測儀器，在儀器結構、通道設置和技術參數等方面，都與美國NOAA系列衛星SBUV/2相同或相近。SBUS由探測器頭部和電箱組成，是一臺能在160～400 nm波段測量光譜輻亮度和太陽輻照度的掃描式光譜儀。其主要工作模式和功能有［8］：

（1）太陽模式：160～400 nm波段太陽連續光譜輻照度測量及250～340 nm間12個波長處太陽分立光譜輻照度測量；

（2）大氣模式：250～340 nm間12個特征波長處大氣太陽后向散射紫外光譜輻照度測量；

（3）標準燈模式：汞燈253.7 nm光譜線測量，用于儀器自身波長定標，兩塊漫反射器分別進行。

表1給出FY-3 SUBS與NOAA-17和18 SBUV/2的通道中心波長對比情況。對比表明，FY-3 SBUS與NOAA SBUV/2觀測數據和反演產品具有良好的一致性［9-11］。FY-3 SBUS臭氧垂直廓線反演產品為反演的11層廓線，經過插值處理生成從地表到大氣頂分為21層臭氧垂直廓線，量綱為DU，空間分辨率為200 km。在青藏高原地區，經過大量臭氧探空和地基觀測數據檢驗和評估，認為FY-3 SBUS反演的臭氧總量和垂直廓線在青藏高原與地基觀測具有較好的一致性和適用性［12-13］。

表1FY-3 SUBS與NOAA-17和18衛星SBUV/2通道中心波長比較

Tab.1　Comparison of central wavelengths between FY-3 SBUS and NOAA-17 and 18 SBUV/2 （nm）

本文利用提取的NOAA SBUV/2青藏高原像元觀測參數，構造正演仿真計算條件，模擬計算FY-3 SBUS通道輻亮度觀測數據，考察像元下墊面參數變化對儀器觀測值的影響。

2.2　使用的數據

本文使用的衛星SBUS青藏高原像元下墊面數據，從NOAA-16/17/18/19四顆衛星SBUV/2 2009年11月至12月的L2產品中提取。NOAA在設計SBUV/2 L2產品格式時，保存了L1B像元的各種觀測參數，不僅有反演的臭氧垂直廓線信息，還有像元下墊面反射率、表面氣壓、儀器觀測幾何、先驗和初估臭氧廓線等。因此，這里從SBUV/2 L2產品提取的高原像元信息包括：像元下墊面反射率、云蓋百分率、云頂氣壓、下墊面氣壓、反演臭氧垂直廓線、先驗臭氧垂直廓線、先驗溫度廓線、衛星方位角和太陽天頂角等。利用這些參數構建正演仿真計算條件。

青藏高原的地理位置選取27.5°N～37.5°N，75.5°E～104.5°E。在數據提取分析過程中，根據高原臭氧垂直廓線第一層數值為0的特征篩查剔除了少數非高原像元數據。

2.3　正演計算方法和FY-3 SBUS正演仿真系統SBURFCSS

衛星SBUS正演計算，根據波長不同分為單次散射、單次散射和多次散射與反射兩種類型進行計算［14］。對于波長小于290 nm的通道，由于臭氧的強烈吸收，光子無法到達30 km以下的大氣層［15］，這些通道的紫外后向散射輻射計算問題通過求解Rayleigh單次散射（Single Scattering，SS）得以解決［14］。而對于波長大于290 nm的通道，由于臭氧的吸收能力較弱，光子能夠進入大氣深層到達對流層甚至地表，衛星從大氣頂觀測到的太陽紫外后向散射輻射除了單次散射外，還包括進入對流層深層受到大氣分子的多次散射輻射，以及從下墊面、氣溶膠和云等的表面反射輻射，因此，這些長波長通道的輻射計算需要處理多次散射和反射（Multiple Scattering and Reflection， MSR）問題。在產品生成算法中，SS部分可用數值積分精確計算，MSR部分則利用輻射查算表進行快速插值計算［16-17］。

大氣層頂太陽紫外后向散射輻射中的SS部分可表示為［18］：

其中：F為波長處的太陽輻照度，β*為單位大氣壓的有效Rayleigh散射系數，（）是散射角為時的Rayleigh散射相函數，α*為單位質量臭氧的有效吸收系數，S（）是氣壓層的散射輻射穿過的斜程臭氧質量，S（）是斜程大氣質量，（）是氣壓層以上臭氧氣柱含量，s是表面氣壓。

MSR部分的計算建立在有效朗伯面概念的基礎之上［19］。借鑒有效朗伯面概念，假設大氣只包含臭氧和Rayleigh散射粒子，沒有Mie散射，并限制在下墊面不透明的朗伯面上，這個假想面的有效反照率*和有效氣壓*通過一個臭氧吸收很弱的波長確定，忽略反照率隨波長的變化，認為對于所有通道的下墊面反照率都等于有效反照率。在有效反照率為*的朗伯面上，包括單次散射和多次散射與反射輻射在內的總輻射M可表示為：

其中：0，和S都是*，*，*，*以及太陽天頂角0，臭氧廓線（）和溫度廓線（）的函數［20］。

在獲得總輻射M、單次散射輻射SS計算結果的基礎上，通過二者相減得到多次散射和反射輻射，從而建立了總輻射、多次散射和反射輻射之間的對應關系，利用衛星觀測向量，通過線性插值計算，可以得到總輻射觀測值對應的多次散射和反射輻射［21］。我們在研究開發FY-3 SBUS臭氧垂直廓線反演算法的過程中，通過輻射查算表方法來快速計算多次散射和反射輻射［22］。

FY-3 SBUS業務反演算法建立的衛星SBUS正演仿真系統SBURFCSS，由儀器參數配置、像元和觀測幾何配置、單次散射計算、多次散射和反射輻射計算等部分組成。其中，儀器參數配置部分主要提供儀器通道中心波長、帶寬等參數；像元和觀測幾何部分則是在軌觀測時像元下墊面云蓋百分率、有效反射率、有效氣壓、太陽天頂角、方位角和衛星觀測角等各種參數的配置和組合。這樣，在設計了各種輸入參數后，就可以通過輻射傳輸計算輸出衛星載荷各通道的輻亮度觀測值。

2.4　正演計算條件設計

本文正演仿真計算，以提取的SBUV/2在青藏高原獲得的像元下墊面參數、觀測幾何、反演臭氧垂直廓線等為參考依據，設計如下正演計算條件：

（1）表面反射率取值5個水平：0，0.2，0.4，0.6，0.8；

（2）下墊面表面氣壓取值3個水平：60.6，55.55，50.5 kPa；

（3）云頂氣壓選取6個水平：80.8，75.75，60.6，50.5，45.45，40.4 kPa；

（4）有效云蓋百分率選取5個水平：0，0.2，0.4，0.6，0.9；

（5）太陽天頂角選取9個水平：30°，45°，60°，70°，77°，81°，84°，86°，88°；

（6）臭氧垂直廓線和大氣溫度廓線選取高原反演臭氧廓線和溫度廓線。

正演計算使用的衛星探測器通道參數是表1中的FY-3 SBUS參數。計算輸出結果是SBUS 12個通道的輻亮度觀測值。

3 正演計算結果及分析

3.1　SBUS通道輻亮度觀測數據隨太陽天頂角的變化特征

圖1給出了SBUS 12個通道輻亮度觀測值隨太陽天頂角（Solar Zenith Angle， SZA）的變化情況。從圖1可見，SBUS輻亮度觀測值的變化特征如下：

圖1　青藏高原像元SBUS 12個通道輻亮度觀測值隨SZA的變化情況

（1）當太陽天頂角在30°～88°內變化時，儀器各通道輻亮度觀測值隨著太陽天頂角的增大而減小；

（2）不同波長的通道，輻亮度觀測值隨太陽天頂角的變化速率存在顯著差異，變率取值在0.001 7%～46.2%；波長越長，變率越大，第12通道的最大變率達到46.2%。

3.2　SBUS通道輻亮度觀測值隨像元表面反射率的變化特征

圖2給出了SBUS 12個通道輻亮度觀測值隨像元表面反射率的變化情況。從圖2可見，當表面反射率在0～0.8內變化時，儀器不同波長通道輻亮度觀測值呈現不同的特征。對波長較短的第1～6通道觀測值，像元反射率變化的影響可以忽略不計；而對波長較長的第7～12通道，其影響則比較顯著，通道觀測值變率在19.03%～2 900%。其中，第12通道受到的影響最大，達到2 900%。

短波長通道中光子被臭氧強烈吸收無法進入大氣深層，更無法到達下墊面，因此下墊面反射率變化對這些通道的輻亮度觀測值不會產生影響；而波長超過290 nm的通道，由于臭氧吸收能力較弱，光子可以進入大氣深層，尤其是在青藏高原，臭氧總量較少，更多光子可以達到像元下墊面被反射進入儀器，當下墊面反射率發生變化時，這些長波長通道的觀測值受到的影響更大。

圖2　青藏高原像元SBUS 12個通道輻亮度觀測值隨下墊面反射率的變化情況

3.3　SBUS通道輻亮度觀測值隨像元表面氣壓的變化特征

圖3給出了SBUS 12個通道輻亮度觀測值隨高原像元表面氣壓的變化情況。從圖3可見，像元下墊面表面氣壓變化對儀器各個通道輻亮度觀測值的影響都很小，可以忽略不計。

圖3　青藏高原像元SBUS 12個通道輻亮度觀測值隨像元表面氣壓的變化特征

3.4　像元要素對通道觀測值的綜合影響

實際中，高原像元下墊面不同要素往往是共同對儀器通道觀測值產生影響。上文分析表明，青藏高原像元表面反射率和太陽天頂角對儀器通道輻亮度觀測值的影響較大，而且隨著波長的改變，影響程度差異顯著，而表面氣壓對儀器觀測值的影響可以忽略不計。因此，本文考察像元表面反射率與太陽天頂角變化對儀器通道輻亮度觀測值的綜合影響。圖4給出像元表面反射率和太陽天頂角兩個因子對第1和第12通道輻亮度觀測值的綜合影響。

選取受到影響最小的第1通道和影響最大的第12通道作為例子，表現像元參數變化對儀器輻亮度觀測值的綜合影響。輻亮度觀測值主要隨著太陽天頂角增大而減小，表面反射率變化對觀測值幾乎不產生影響，因此，當太陽天頂角為30°時，儀器輻亮度的觀測值取最大值，不隨下墊面反射率的變化而改變。在第12通道，當太陽天頂角取30°、下墊面反射率取0.8，輻亮度觀測值最大；當太陽天頂角固定，輻亮度觀測值隨著下墊面反射率的增大而增大；當太陽天頂角取88°、下墊面反射率取0時，輻亮度觀測值最小。

圖4　青藏高原像元反射率和太陽天頂角變化對SBUS通道輻亮度觀測值的綜合影響

4 結　論

本文利用提取的NOAA衛星SBUV/2像元數據，結合FY-3 SBUS儀器參數，利用在研發的衛星SBUS正演仿真系統SBURFCSS，開展了青藏高原衛星SBUS正演仿真計算。計算結果表明：太陽天頂角變化對SBUS各通道輻亮度觀測值產生顯著影響，這種影響隨著波長的增大顯著增大；當太陽天頂角在30°～88°內變化時，隨著太陽天頂角的增大，SBUS各通道輻亮度觀測值隨之減小。其中，第1通道的變率最小為0.002%，第12通道輻亮度變率最大為46.24%。像元下墊面反射率變化對SBUS通道輻亮度觀測值的影響隨波長不同存在顯著差異。短波長的第1～6通道幾乎不受影響；而長波長的第7～12通道，輻亮度觀測值隨著反射率的增加而增大，變率在19.03%～2 900%之間，而且變率隨著波長的增大快速增加，第12通道變率最大，達到2 900%。像元下墊面氣壓變化對SBUS各通道輻亮度觀測值的影響很小，可以忽略不計。

青藏高原地形高聳，臭氧總量相對較少，導致長波長通道光子更多地到達像元下墊面，下墊面反射率變化對這些通道輻亮度觀測值的影響遠大于低海拔地區。此外，高原獨特的地貌導致像元下墊面破碎化，反射率多變，這勢必影響儀器長波長通道的觀測值，進而影響高原衛星臭氧反演結果的精度。

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Forward simulation of solar backscattered ultraviolet radiation for satellite over the Tibetan plateau

SUN Shiya1，2，HUANG Fuxiang2，3*，XIA Xueqi1

（1，（），100083，；2，，100081，；3，，100081，），，：

To quantitatively evaluate the influence of elements such as reflectivity of the underlying pixel surface on the precision of ozone data from satellite remote sensing over the Tibetan plateau， a forward simulation calculation of solar backscattered ultraviolet radiation for a satellite over the Tibetan plateau was conducted. First， observation data of the underlying pixel surface from NOAA satellites SBUV/2 over the Tibetan plateau were extracted and combined with the extracted ozone vertical profile. The input parameters of the forward simulation calculation for the Tibetan plateau were adjusted. Then， the parameters were input to the forward simulation system of the FY-3 Solar Backscatter Ultraviolet Sounder for forward simulation calculation. Finally， we investigated the characteristics of the observation value changes from the Solar Backscatter Ultraviolet Sounder channel radiation with different parameters through the calculated results. The results show that， when the solar zenith angle varies in the range of 30°–88°， the radiance observation values for each channel of the instrument decrease with an increase in the solar zenith angle. The rate of variation ranges from0.002% to46.24%. The variability increases with an increase in wavelength， and the maximum value of the 12-th channel was46.24%. When the reflectivity of the underlying pixel surface changes within the range of 0-0.8， the variation characteristics of the observed radiance value from the instrument channel significantly vary with the wavelength. For the short-wavelength channels from 1 to 6， the variation of the channel observations was almost negligible. For the long-wavelength channels from 7 to 12， the observed value increases as the reflectivity of the underlying surface increases. Moreover， this rate of change increases rapidly as the wavelength increases， with a maximum variation of 2 903.2% for channel 12. The variation of the effective air pressure on the underlying pixel surface has almost negligible influence on the observation of the radiance from the instrument channel.

satellite remote sensing； Tibetan plateau； solar backscatter ultraviolet sounder； forward calculation； radiation transmission

P414

A

10.37188/OPE.20223003.0256

1004-924X（2022）03-0256-08

2021-04-08；

2021-04-30.

國家自然科學基金資助項目（No.41675031）

孫詩雅（19-），女，湖北襄陽人，碩士研究生，主要從事衛星遙感大氣臭氧等方面的研究。E-mail： sunsy_rs@163.com

黃富祥（1967-），男，湖北蘄春人，博士，研究員，2000年于中國科學院獲得博士學位，2002年從中國科學院大氣物理研究所博士后出站，主要從事衛星探測閃電和衛星遙感大氣臭氧等方面的研究。 E-mail：huangfx@cma.gov.cn