星载激光雷达在基于MODIS海雾检测中的应用

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卫星遥感是目前对海雾进行检测的有效技术手段,但是由于海上观测资料稀少,难以获得更多确认数据进行进一步的验证和改进。星载激光雷达CALIOP能够以30m的垂直分辨率昼夜对星下点的大气垂直结构进行探测,所以根据CALIOP数据可以确认大量的海雾等目标物作为样本。本文通过采用CALIOP观测数据和与之同步匹配的Aqua-MODIS数据获得了大量样本的光谱特性,并据此得到用于海雾检测的阈值范围。同时,还使用CALIOP数据对海雾能见度等特征量的反演以及MODIS用于海雾检测的海域适用性做了分析。本文首先利用CALIOP高垂直分辨率的优势,在CALIPSO星下点分别确认了1146个白天海雾样本和1085个夜间海雾样本,以及大量的非海雾样本,然后对这些样本在Aqua-MODIS不同通道的光谱特性进行统计分析,统计结果表明:(1)白天,在通道1,95%的晴空海表反照率小于0.15,80%的海雾反照率集中在0.10到0.50之间,低云反照率集中在0.3到0.70之间且65%大于0.50,95%的中高层云反照率集中在0.5到0.9之间;在通道2,晴空海表的反照率大多数都小于0.1,海雾、低云和中高层云的反照率与在通道1相似;95%的晴空海表在通道19与通道18的反照率差异小于0.015,海雾、低云和中高层云在通道19与通道18的反照率差异集中在0到0.015之间;晴空海表、海雾、低云区域在通道26的反照率集中在小于0.02的范围内,大多数中高层云的反照率大于0.02。(2)夜间,晴空海表和中高层云的在通道31和通道20的亮温差异明显不同于海雾和低云,晴空海表和中高层云大多数小于1K,而80%以上海雾的差异大于1K,70%以上的低云的差异大于1K;中高层云在通道31和通道28的亮温差异分布虽然与晴空海表、海雾、低云在通道31和通道28的亮温差异分布都有很大交叠,但是中高层云在通道31和通道28的亮温差异在2K左右时出现的概率最大,明显不同于晴空海表、海雾和低云。根据光谱统计结果,本文设定用于MODIS海雾检测的阈值,然后分别使用该阈值和前人设定阈值对两次白天海雾进行了检测,结果表明本文所设定的阈值能够更加全面的检测出海雾区域。为了进一步检验该阈值的准确性,使用该阈值对发生在黄海的多次海雾进行了检测,检测结果都得到了CALIOP观测数据、地面探空站数据以及船测数据的验证。本文使用CALIOP数据对海雾的几何厚度和光学厚度的关系进行了验证,发现使用CALIOP数据获得的海雾厚度与使用MODIS数据提供的云层光学厚度反演得到的海雾厚度基本一致,并据此反演得到了海雾的能见度。同时,为了分析MODIS在海雾检测当中的适用性,本文使用CALIOP云产品数据对中国海及其周边海域的云层分布做了统计。根据统计结果发现,在黄海海域出现两层及两层以上的云概率小于0.2,这说明使用MODIS检测海雾适用于该海域。根据本文所做的分析,利用CALIOP高垂直分辨率的优势, CALIOP数据可以很好地应用于MODIS海雾检测方法的检验和改进以及海雾特征量的反演。
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