1、文章编号:1009-6094(2023)07-2230-08基于 CALIPSO 卫星数据的斜程能见度反演*马愈昭1，2，贾惠婷1，朱峻1，李猛1(1 中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室，天津 300300;2 中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300)摘要:基 于 CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and InfraredPathfinder Satellite Observation)卫星气溶胶产品，采用平面平行辐射传输模型 SBDAT(Santa Barbara DISOT Atmosphericadiative Transfer)研究天津地
2、区的斜程能见度。首先，使用CALIPSO 卫星 20152019 年气溶胶产品对气溶胶消光系数廓线等垂直方向气溶胶光学特性进行统计分析。然后，针对具有“衰减型”气溶胶消光系数廓线的天气，采用 SBDAT 模型求解大气辐射传输方程，得到天空背景辐射亮度，最后依据斜程能见度定义反演得到准确的斜程能见度。进一步，对使用 Koschmieder 定律和经验公式计算获得的斜程能见度准确性进行评估。结果表明，与经验公式法相比，在低能见度天气条件下，使用 Koschmieder 定律反演得到的斜程能见度更为准确，其平均误差小于 15.0%，均方根相对偏差小于17.6%。此外，还对气溶胶消光系数廓线进行了拟合
3、，并在斜程能见度反演中使用拟合的消光系数。结果表明，在低能见度天气条件下，拟合参数与近地面消光系数具有较好的相关性。而使用拟合的气溶胶消光系数获得的斜程能见度准确度也较高，其平均误差小于 7%，表明在特定天气条件下，可以利用近地面消光系数来估计消光系数廓线，用于斜程能见度反演。关键词:安全工程;斜程能见度;星载雷达;气溶胶;消光系数;辐射传输模型中图分类号:X821文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0167*收稿日期:2022 02 02作者简介:马愈昭，教授，博士，从事航空气象探测、大气光学、电磁计算等研究，yzma cauc edu cn。
4、基金项目:国家自然科学基金民航联合基金项目(U1833111)0引言大气能见度是气象观测中的基本要素之一，在人类生活、目标识别、航空航海等领域具有重要作用1 5。其中，斜程能见度在航空领域尤为重要，其测量准确度对飞机的飞行安全具有重要意义。如2020 年 1 月 26 日球星科比乘坐的 S 76B 型直升机在美国洛杉矶西北部的山区坠毁，调查发现，直升机在起飞时地面能见度较高，但所处山区多雾多雨，斜程能见度较低，因观测视角原因使得二者存在较大差异，这也有可能是造成直升机坠毁的主要原因。可见，获取大气准确的斜程能见度对确保航空运输安全具有重大意义。目前，已有大量国内外学者对能见度的反演方法进行了研
5、究，其中 Koschmieder 定律是至今仍被 沿 用 的 能 见 度 探 测 基 本 理 论 之 一。邱 金桓6通过多次斜程方向的测量试验，从能见度的定义出发，结合观测目标与背景的反射特性等因素对斜程能见度公式进行了校正，并给出求解的经验公式，但为简化运算对目标物和背景均做了朗伯反射体的假设，同时对大气背景亮度做了常数设定，与实际大气环境还存在差异，精度有待提高。王毅等7利用 Eddington 近似的方法求解辐射传输方程，对斜程能见度表达式进行推导，但为简化计算做了大量理论假设，且方位因素在研究中没有考虑，精度有待提高。2006 年，陈敏等8 首次提出采用激光雷达探测回波信号的方法，通过
6、测量多个不同传输方向上的光学厚度(Aerosol OpticalDepth，AOD)实现能见度的反演，避免了在 AOD 较大的环境中因气溶胶粒子发生多次散射而产生的影响，也简略了消光系数垂直分布的求解过程，但忽略了大气水平方向上光学特性不均匀而产生的误差。饶瑞中9 从能见度的定义出发，对比分析了仰视和俯视两种方式观测斜程能见度的差异，但并没有给出适用于求解斜程能见度的具体模型。然而，斜程能见度所考虑的是三维空间，影响因子复杂多变，不同大气层上的气溶胶分布不均匀，使得光波在大气传播过程中因受到气溶胶光学特性的影响而产生衰减，而云 气溶胶激光雷达与红外探路者观测卫星 CALIPSO(Cloud-A
7、erosol Lidar andInfrared Pathfinder Satellite Observation)于 2006 年 4月由美国宇航局发射升空，其中有效载荷正交偏振云 气 溶 胶 激 光 雷 达(Cloud-Aerosol Lidar withOrthogonal Polarization，CALIOP)探测范围广，分辨率高，可连续观测垂直于卫星飞行轨迹方向上的全球范围内气溶胶垂直分布光学特性和云的特征信息。已有学者利用 CALIPSO 卫星数据对气溶胶垂直方向上的光学特性进行了研究。韩锋等10、eddy等11、沈仙霞12、陈晓磊等13 和许潇锋等14 利用CALIPSO 数据
8、研究了我国京津冀、上海等地区的气溶胶消光系数等参数的垂直分布随季节的变化情况。而斜程能见度受大气气溶胶光学特性影响，可0322第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，2023对光波造成一定的衰减作用，以上文献仅对特定地区的气溶胶光学特性的垂直分布进行了研究，但未对斜程能见度做进一步的讨论。2015 年，Sun 等15 最先针对我国塔克拉玛干盆地的沙尘天气，通过CALIPSO 获取的四季气溶胶消光系数廓线结合大气辐射传输模型实现了斜程能见度的反演，但所研究的盆地天气较为单一，对
9、不同天气条件下的研究仍有待考察。从上述研究中可以看出，斜程能见度受多种影响因子影响，如大气的衰减特性、气溶胶光学特性、背景亮度、观测角度等，但现有研究中对影响因子的考虑均不够全面，因此反演方法仍需继续改进。由此可见，选取 CALIPSO 卫星作为数据源对反演斜程能见度具有重要意义。综上所述，本文基于 CALIPSO 卫星数据对机场范围内的斜程能见度进行研究，采用平面平行辐射传 输 模 型SBDAT(SantaBarbaraDISOTAtmospheric adiative Transfer)求解实际大气环境中的天空背景辐射亮度的方法，来获取大气斜程能见度的准确值。首先基于 CALIPSO 卫星
10、数据确定星历位置、气象数据、气溶胶相关光学特性等参数，然后结合地表反射率参数、大气模式、探测角度等自定义参数采用 SBDAT 模型求解辐射传输方程，仿真获取实际大气下的天空背景辐射亮度，最后从能见度的定义出发，实现斜程能见度的准确反演，并通过该方法对现有的两种斜程能见度反演结果进行评估。1基于 CALIPSO 数据的垂直方向气溶胶光学特性1.1CALIPSO 数据源近年来，华北地区雾霾天气事件频频发生，天津作为华北地区的新一线城市，具有一定的代表性，因此选取 CALIPSO 卫星经过的以天津滨海国际机场(北纬 3907，东经 11720)为研究中心、100 km 范围为半径的轨迹过境区域为研究
11、对象，获取 20152019 年的气溶胶日数据产品。所用的气溶胶相关参数主要来源于 Level 1 和 Level 2 气溶胶廓线数据产品，通过 Level 1 获取气象数据、航天器及星历位置等参数，Level 2 获取后向散射系数、消光系数、体积退偏比(Volume Depolarization atio，VD)、衰减色比(Attenuation Color atio，AC)等垂直廓线信息。同时采用基本品质筛选技术对 CAD_score、AVD、extinction QC 等参数进行设置，剔除不可用数据，提高整体的数据质量，进而统计分析气溶胶垂直方向上的相关光学特性的分布特征，为后续斜程能见
12、度的研究奠定基础。1.2垂直方向气溶胶光学特性气溶胶粒子的光学特性对大气有消光效应，其垂直分布是反演斜程能见度的重要依据。根据CALIPSO 卫星过境天津滨海国际机场与研究的时间跨度范围匹配后所获得的样本统计，其样本总数为114，对该区域范围内的消光系数垂直分布廓线进行分类，可将其分为 4 种类型:衰减型、底部均匀型、单峰型和双峰型。各类型的统计占比见图 1。图 1气溶胶消光系数廓线统计分类Fig 1Statistical classification of aerosolextinction coefficient profiles图 2 表示各类型具有代表性的气溶胶垂直方向光学特性，横向代
13、表各类型中的一个典型样本;第 1列代表 4 种气溶胶消光系数廓线类型;第 2 列代表气溶胶粒子的 VD，是532 nm 的垂直后向散射系数分量与 532 nm 的平行后向散射系数分量的比值，表征气溶胶粒子的形状特性，非球形气溶胶粒子比值较大，球形气溶胶粒子比值较小;第 3 列代表气溶胶粒子的 AC，是1 064 nm 的后向散射系数与532 nm总后向散射系数的比值，表征气溶胶粒子的粒径，气溶胶粒子粒径越大，AC 越大。从横向可以看出，气溶胶粒子的 VD 和 AC 与消光系数随海拔高度增加呈现相同的变化趋势，其中，消光系数还与气溶胶质量浓度呈正相关。对于衰减型来说，如图 2(a)(c)，该类型
14、分布的特征主要表现为大多数的气溶胶粒子都集中于近地面，导致近地面的消光系数出现峰值，随着海拔高度的升高，气溶胶浓度不断扩散，消光系数逐渐减小，不断接近于 0。对于底部均匀型来说，如图 2(d)(f)，该类型分布的特征主要表现为近地面的气溶胶层粒子分布较为均匀，质量浓度较大，消光系数相对较大，随着海拔高度的变化，气溶胶消光系数逐渐减小，但从整个廓线上来讲，整体的消光系数较小。对于单峰型来说，如图 2(g)(i)，该类型由于13222023 年 7 月马愈昭，等:基于 CALIPSO 卫星数据的斜程能见度反演Jul，2023大气温度、湿度、风速等气象因素，近地面气溶胶层提高，导致上层大气中的气溶胶
15、层质量浓度突增，出现明显的消光系数峰值，而近地面与上层消光系数小，无规律性变化。图 2各类型气溶胶垂直方向光学特性Fig 2Optical properties of various types of aerosols in the vertical direction对于双峰型来说，如图 2(j)(l)，该类型气溶胶峰值层出现两层，除了在近地面有气溶胶层外，在较高海拔处也存在气溶胶消光系数峰值层，但两层之间的消光系数值明显降低，气溶胶质量浓度较低。根据衰减型样本数据中的特征统计结果发现，与其他类型的不同在于均表现为近地面的消光系数大于0.8 km1，且类似于指数函数，因此假设随海拔高度增加，
16、衰减型的气溶胶消光系数廓线可采用指数函数描述，方程式为(z)=Aexp(Bz)+C(1)式中z 表示垂直高度;(z)表示 z 高度上的气溶胶消光系数;系数 A 与近地面的消光系数有关，如图 3所示，约为近地面消光系数的 1.5 倍;系数 B 与气溶胶标高的倒数有关;系数 C 相对较小，与背景噪声有2322Vol 23No 7安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 7 期关，其值接近于 0。同时经统计，拟合后获取的消光系数廓线与原CALIPSO 消光系数廓线求得的光学厚度误差不超过35%，表明在特定天气条件下，当缺乏及时的大气探测技术手段时，可为气溶胶消光系数廓线进行有效估计。2016 年10 月13 日消光系数廓线拟合效果见图 4。图 4消光系数廓线拟合效果Fig 4Fitting effect of extinction coefficient profile2斜程能见度反演方法能见度是从目标物能否被看到和辨认的角度，用“距离”描述大气透明或浑浊程度的物理量1。能见度取决于观测者的对比阈值，即人眼将目标从背景中区别出来的最小亮度对比度。在航空飞行的应用过程中，国际民航组织(Inter