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第1章 气溶胶及其遥感监测1

1．1 引言1

1．1．1 对气候的影响1

1．1．2 对环境的影响1

1．1．3 对遥感定量化的影响2

1．2 气溶胶来源与类型2

1．2．1 大气层热力结构2

1．2．2 平流层气溶胶4

1．2．3 对流层气溶胶4

1．2．4 气溶胶类型5

1．3 气溶胶的物理性质6

1．3．1 气溶胶的粒径6

1．3．2 气溶胶粒径子谱7

1．3．3 气溶胶粒子尺度描述9

1．3．4 气溶胶粒子三模态分布10

1．3．5 复折射指数11

1．4 气溶胶光学性质11

1．5 气溶胶遥感探测12

1．5．1 气溶胶科学与遥感12

1．5．2 气溶胶探测的相关卫星与载荷13

1．5．3 卫星遥感探测气溶胶的反演方法14

1．5．4 地基遥感监测16

第2章 气溶胶散射基本特性18

2．1 引言18

2．2 单粒子几何描述及其散射特性18

2．2．1 单粒子散射18

2．2．2 单粒子散射的几何描述19

2．2．3 单粒子散射的相关特性20

2．3 偏振光的表征与Stokes参数21

2．3．1 简谐波与椭圆偏振21

2．3．2 Stokes参数22

2．3．3 Stokes参数的测量与计算23

2．4 球形粒子Mie散射23

2．4．1 散射相矩阵23

2．4．2 球形Mie散射25

2．5 分子散射26

2．6 粒子群散射特性28

2．7 非球形粒子散射29

2．8 非球形冰晶散射30

2．8．1 几何反射与折射30

2．8．2 冰晶散射特性的蒙特卡罗模拟31

第3章 大气辐射传输基本理论33

3．1 引言33

3．2 辐射传输方程33

3．2．1 传输方程33

3．2．2 比尔-布格-朗伯定律34

3．2．3 平面平行大气的传输方程34

3．2．4 矢量辐射传输方程35

3．3 辐射传输方程求解中的基本算法一36

3．3．1 辐射传输方程的Fourier变换36

3．3．2 散射相矩阵的Legendre展开38

3．3．3 高斯型求积公式40

3．4 前向散射的快速算法41

3．4．1 δ-M方法42

3．4．2 δ-fit方法43

3．5 大气辐射传输的基本解法简介44

3．5．1 连续阶散射近似与SOS44

3．5．2 倍加累加法与RT347

3．5．3 其他方法52

第4章 地基太阳光度计反演气溶胶53

4．1 引言53

4．2 观测仪器53

4．3 仪器定标54

4．3．1 无水汽影响通道定标54

4．3．2 水汽通道（936nm）定标54

4．3．3 灵山定标试验结果55

4．4 气溶胶光学厚度反演56

4．4．1 气溶胶光学厚度反演方法56

4．4．2 CE318数据处理软件介绍57

第5章 地基多角度偏振光度计反演气溶胶59

5．1 引言59

5．2 Dubovik和King的反演方法59

5．2．1 前向模型59

5．2．2 气溶胶光学性质的物理模式60

5．2．3 多源数据的统计最优化反演60

5．2．4 最小值求取方法61

5．3 多角度偏振反演方法62

5．3．1 气溶胶光学性质反演62

5．3．2 气溶胶物理性质反演64

5．3．3 反演实验66

第6章 地基激光雷达反演气溶胶70

6．1 引言70

6．2 微脉冲激光雷达简介70

6．3 激光雷达数据预处理过程71

6．4 激光雷达探测气溶胶消光系数72

6．4．1 Collis斜率法72

6．4．2 Klett方法73

6．4．3 Fernald方法73

6．5 激光雷达探测混合层高度75

6．6 激光雷达探测气溶胶的退偏振比76

6．7 观测结果76

第7章 MODIS数据反演海洋气溶胶77

7．1 引言77

7．2 基本原理77

7．3 数据预处理79

7．4 反演算法79

7．5 结果示例80

第8章 多角度偏振反演海洋气溶胶81

8．1 引言81

8．2 POLDER／PARASOL简介81

8．2．1 POLDER／PARASOL探测器特性81

8．2．2 PARASOL数据格式82

8．2．3 PARASOL相关参数83

8．3 海洋表面偏振模型84

8．3．1 Cox-Munk粗糙海面的BPDF模型84

8．3．2 BPDF模型模拟86

8．4 查找表的参数设置87

8．5 数据预处理算法88

8．5．1 大气分子散射88

8．5．2 波浪的菲涅尔反射88

8．5．3 海面泡沫反射率88

8．5．4 离水反射89

8．6 气溶胶反演过程89

8．6．1 数据选择89

8．6．2 云处理90

8．6．3 太阳耀斑处理90

8．7 结果与验证90

第9章 MODIS数据暗目标算法反演陆地气溶胶92

9．1 引言92

9．2 基本原理93

9．3 地表反射噪声去除方法93

9．3．1 基于地表反射率关系的暗像元算法93

9．3．2 基于地表反射率模型算法94

9．4 气溶胶模式95

9．5 查找表构建96

9．6 反演插值与海拔高度校正97

9．7 结果验证97

9．7．1 反演结果精度的验证97

9．7．2 全国尺度气溶胶反演结果99

第10章 高空间分辨率数据反演陆地气溶胶100

10．1 引言100

10．2 CCD数据反演气溶胶的思路101

10．3 CCD相机红光和蓝光波段反射率的测量102

10．3．1 仪器介绍102

10．3．2 测量方法102

10．3．3 CCD相机红光和蓝光波段典型地物光谱数据102

10．4 适合CCD数据的改进暗像元法103

10．4．1 暗像元的识别103

10．4．2 伪暗像元的剔除103

10．5 CCD数据的气溶胶反演104

10．5．1 查找表的建立104

10．5．2 数据预处理105

10．5．3 气溶胶光学厚度的反演流程105

10．6 反演结果比对与误差分析105

10．6．1 气溶胶光学厚度反演结果105

10．6．2 反演结果的误差分析106

第11章 结构函数法反演陆地气溶胶108

11．1 引言108

11．2 结构函数法反演原理108

11．2．1 基本原理108

11．2．2 结构函数法反演思路109

11．3 结构函数法存在的问题109

11．4 结构函数模型及其影响因素110

11．4．1 结构函数模型110

11．4．2 结构函数值的影响因素111

11．5 结构函数法反演气溶胶例子112

第12章 耦合地表反射率算法反演陆地亮目标气溶胶113

12．1 引言113

12．2 耦合地表反射率的地气解耦方法114

12．2．1 地表反射率114

12．2．2 蓝光波段地表反射率变化分析114

12．3 北京地区气溶胶模式116

12．3．1 气溶胶模式的地基观测描述116

12．3．2 北京地区的气溶胶模式观测结果117

12．4 耦合地表反射率算法反演结果与验证118

12．4．1 耦合地表反射率算法的反演过程118

12．4．2 反演试验与验证119

12．5 误差分析与结论120

12．5．1 误差分析120

12．5．2 耦合地表反射率算法适用性评估123

第13章 卫星多角度偏振反演陆地气溶胶124

13．1 引言124

13．2 偏振探测的基本原理与不同散射处理方法124

13．2．1 单次散射的大气偏振124

13．2．2 多次散射的大气偏振125

13．3 陆地地表偏振模型125

13．3．1 土壤偏振模型125

13．3．2 植被偏振模型125

13．3．3 地表分类数据127

13．4 气溶胶模式129

13．4．1 单峰和双峰气溶胶模式比较129

13．4．2 气溶胶最优模式匹配130

13．5 气溶胶光学厚度的偏振反演130

13．5．1 基于矢量辐射传输计算的查找表构建130

13．5．2 反演步骤131

13．6 反演结果比较与分析131

13．6．1 单峰与双峰气溶胶模式反演结果对比131

13．6．2 大气偏振单次散射和多次散射处理的反演结果132

13．6．3 单次散射和多次散射之间的误差分析134

13．7 标量探测光学厚度辅助粒子谱多角度偏振反演136

13．7．1 光学厚度偏振载荷的标量探测136

13．7．2 地基粒子谱细粒子比例探测136

13．7．3 光学厚度的细粒子比例辅助偏振粒子谱反演137

13．7．4 粒子谱反演结果的地基比较137

第14章 气溶胶光学厚度高性能反演算法与系统设计140

14．1 引言140

14．2 集群环境与系统架构140

14．2．1 集群环境140

14．2．2 系统架构141

14．3 气溶胶光学厚度卫星反演处理流程143

14．3．1 串行化处理流程143

14．3．2 并行化处理流程144

14．3．3 数据切分策略145

14．4 结果与性能分析147

14．4．1 并行反演结果147

14．4．2 不同数据切分策略性能分析148

14．5 并行环境下查找表构建与性能分析149

参考文献152