从气象卫星地表反照率反演外文翻译资料

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从气象卫星地表反照率反演

摘要：地表反照率构成了一个关键的气候变量，因为它在很大程度上控制地球系统的可用太阳能的实际量。本文的目的是建立一个理论的空间观测，以解决大气/表面辐射传输问题的操作基础上，并产生地表反照率，气溶胶负荷，并可能土地覆盖变化产品的理论。表面反照率是相当可变的空间和时间，并取决于结构和表面上的辐射特性，以及在底部的辐射的角和光谱分布。天气和气候模型经常使用预设的分布或这个环境变量的简单参数化，尽管这种方法不精确考虑底层表面的实际效果。从数学的角度来看，表面反照率的测定对应于耦合表面-大气系统的辐射传输问题的边界条件的估计。一个比较大的10年以上的气象卫星数据的数据库已经积累的应用。这些数据，收集在半小时的时间在整个地球盘从东经08可见，构成了一个独特的资源来描述地表大气耦合系统的各向异性和记录地表反照率可能在这段时期，在这些地区发生的变化提供了机会。此外，由于耦合表面的大气辐射传输问题必须得到解决，建议的程序也产生的气溶胶的空间和时间分布的估计。本文提出的反演过程产生的表面辐射特性，还可以用于记录和监控在观察气象卫星全球部分土地表面动力学特性。从初步的应用及误差分析的结果是一个同伴论文[ pinty等人讨论，这个问题]。

1 引言

引言大部分的太阳辐射提供给地球系统被吸收或靠近海洋和大陆表面，然后最终释放到大气中通过红外辐射通量，以及明智和潜热。在地球表面吸收的太阳能的分数控制其表面反照率，这是高度可变的在地面表面上的空间和时间。为确保陆面过程充分表达及其与大气的相互作用，因此有必要准确地估计在适当的时间和空间尺度的地表反照率值[例如，SUD和fenessy，1982；狄金森，1983；Avissar和Verstraete，1990 ]。在20世纪80年代初，有人建议，绝对精度为0.05的空间和时间尺度兼容气候研究是可取的[例如，Henderson Sellers和Wilson，1983 ]。尽管目标[例如，查尼，1975个公认的重要性；查尼et al.，1977；1974；希尔·博科夫斯基Otterman，，1976 ]，科学界还没有成功的这一努力的程度，例如，地表反照率的地图不是常规的气候中心提供，或由任何其他国家或国际关系实体。奇怪的是，陆面过程的离线建模，例如土壤vegetationatmosphere转移（SVATS）方案，有了明显的提高，而这些表面的表现开始被集成在天气和气候预测模型。一个强大的需求，可靠和准确的信息，许多土地表面性质和地表反照率，特别是因此仍然。星载仪器构成了一个独特的工具，用于监测地表反照率值在全球范围内，在空间和时间分辨率足够的气象和气候研究。然而，上述断言意味着，阻碍了从空间测量的表面反照率值的准确估计的问题正确地解决。对测得的辐射由于大气层的贡献，由于所有陆地表面的各向异性反射的变化是在这一背景下[例如首要关注的问题，Pinty和雷蒙，1987；李和加伦德，1994 ]。原则上，地表反照率可以相当准确地估计如果大气中的辐射特性是在一个广泛的多角度多光谱辐射场的采样从大气顶部出现相同的时间和位置已知（TOA）聚集在空间。虽然一些大气辐射特性（例如，总臭氧和水汽含量）是已知的具有足够的精度，其他，如气溶胶负载和属性，还没有常规测量。事实上，的方法，提出了从极地轨道和地球静止卫星数据估算地表反照率值绝大多数都是基于代理的信息和水平能见度[例如常规气象观测的气候分析提供，Rockwood和Cox，1978；普罗伊斯和盖莱恩，1980；courel et al.，1984；陈和ohring，1984；卡伯特，1997；李Dedieu编写的，和加伦德，1994；dentremont et al.，1999 ]。这种程度的近似对气溶胶负荷和辐射特性显著影响地表反照率反演的精度和精度，可以为各种理论关系的TOA和地表反照率的值[例如之间看到，陈和ohring，1984；Koepke和克里，1987 ]。高空间分辨率的多角度测量在飞行校准的辐射将很快成为可从多角度成像光谱辐射计（MISR）[晚餐et al.，1998 ]在兵马俑地球观测系统。这些测量将允许使用先进的辐射传输模型中的逆模式，同时提取相关信息的表面和气溶胶散射特性在未来几年内。然而，表面的长期趋势的研究，这是对地球气候监测的需要，只能通过重温过去的静止空间的测量来实现的（如气象卫星和GOES）和极地轨道（例如，卫星AVHRR）。从根本上说，来自太阳测量的卫星辐射的光谱辐射是由所有的辐射过程与太阳辐射的相互作用，通过在其旅行期间的大气和下表面的各个部分控制。事实上，卫星测量对应的大气辐射问题的四种边界条件下采样，即向上辐射场在顶部的气氛：也包括在大气作为能量来源的顶部的太阳辐射被认为是已知的，向下的辐射场到达表面，和超纯水

2、表面检索策略

表面辐射特性检索的表面质量，如反照率值需要解决的复杂问题，指定，然后表征大气辐射传输问题的下边界条件。虽然可以使用许多不同的相关概念，反照率，作为一个通用的数量，需要在土地表面能量预算有关的应用程序。可以用来表达不同层次上相对于角一体化的入射太阳辐射[参见Nicodemus等人的面量的计算假设的各种定义，1977 ]。

3、数据处理

气象卫星数据气象仪器采样由地球发出的辐射场每30分钟三个光谱通道分布在可见的太阳灶，热红外和水汽通道。目前气象卫星可见光通道扫描地球盘为5000 3 5000像素矩阵，对应于2.5公里的空间分辨率在星下点，约1 / 2小时。因此，超过20的欧洲和非洲阳光的形象经常在每天的气象卫星盘。相应的角采样在二至点和二分点太阳光照图1所示的两地点位于非洲北部（北6.28东31.08）和非洲中部（0.08和19.58，分别为东）。此通道是敏感的散射从约400至1100纳米，和光谱响应曲线表现出最大的700和800 nm之间。后者的价值观以及对传感器响应的形状是各种气象仪器[ 1998 ]卷略有不同。因此，由这一系列的仪器获得的数据是敏感的，并确定由所有的辐射过程控制太阳辐射如何相互作用图1。对太阳能照明的相对几何图解（交叉）和Meteosat的观看条件，对像素的位置（一）在北非（北6.28东31.08）和（b）在非洲中部（0.08和19.58东）。不同的符号对应于一年的不同日期：钻石，三角形和正方形是3月23日，6月23日和12月23日，分别。pinty等人：从气象卫星地表反照率，1 18101表面大气耦合系统，包括在气象卫星光谱波段具有吸收带的气体的量，特别是臭氧和水蒸汽，并通过大气中不同的路径长度。因此，气象卫星辐射依赖于大量的状态变量表征大气和surfaceabsorbing和散射特性，和逆辐射传输问题可以提供可接受的不确定性水平仅为最敏感的变量求解。在目前的情况下，我们决定利用大气中的臭氧和水蒸气含量的数据的常规可用性，以减少逆问题的表面大气散射问题只。事实上，臭氧领域可以简单地从日常汤姆斯数据库[ mcpeters等人提取。，1998 ]，而垂直积分的水汽场可以是时间和空间上的插值从欧洲中期天气预报中心（ECMWF）分析每6小时。

4、数学检索本节包含必要的利用气象卫星数据进行数学处理

建议的程序是由两个因素，即，由操作约束和控制产品的准确性的必要性的要求驱动。为此，需要实现一个查找表的方法，使我们对黑色表面奢华大气辐射传输功能。反射可以动态反演过程中的任意重新表面耦合，由于具体的数学推导，包括集成在气象卫星的宽波段的特殊影响。通过卫星测量的辐射可以分解为一个条款，一个构成的贡献特别是由于表面散射的影响，这将被用来推导地表反照率的值（从现在开始，所有的物理变量的出现被认为是单色光谱积分数量）：

该方法的所有大气和表面功能干预的实施（43）可与标准辐射传输计算等模块在6S代码实现。正如已经提到的，参与积分值（36），（41），和（42）和其他大气功能可以预先计算并存储在LUTs。

5、预期性能

检索模拟试验的预期性能提出的逆过程的限制，在检索到的参数值的质量方面，一些实验用气象卫星数据模拟。在前面的部分中定义的两个表面类型，并标记为黑暗和明亮的表面，分别被用来指定各种大气的下边界条件。后者包围气溶胶大陆模型，即0.2，0.4，和0.8的光学深度值。模拟为代表的集日常气象卫星数据（1 / 2小时分辨率）在7月6日由仪器可以观测，在两个地点在2.2节中描述的（图1）。T

6、讨论

讨论由此推导，气象卫星数据可以用来提供一个详细的表征表面辐射特性在大多数地区使用全分辨率的卫星观测。所提出的方法的基础依赖于气象卫星的时间采样的开发（数据采集每1 / 2小时）就像是一种瞬时角采样（数据可从日出到日落）。的潜力和机会，这些角面签名漏洞加上倒置等方案的一些约束是解决一些具体的数学发展后在制定辐射传输问题和专用气象卫星观测模型。在建立了反演气溶胶在黑暗的表面为该仪器的策略，从一个解决方案之间的分离反演方法的好处是建立一个“所有其他的情况，要求对其下边界条件的大气辐射耦合的模型面黑”的条件。这种耦合，实际上，在检索过程中动态解决相对于一组表征表面双向反射率和气溶胶光学厚度值的三个表面参数。实施，而有效地使用查找表存储的几个大气和表面功能的值。的最有可能的解决方案的识别来实现由成本函数控制的建模和观测过程中积累的不确定性。信息通过该技术包括表征表面辐射状态参数集和大气的气象卫星可见光波段。当表面双向反射的振幅和形状检索角度综合相应数量的反照率很容易估计。反照率，如定向半球反射率，和形状和振幅的表面反射率允许记录适当的土地表征和监测，如附图中所示。综合气象卫星数据进行的各种实验表明，解逆问题的集合，它是表征表面辐射状态，可以进行适当的方式相对于设想的应用。由于对辐射效应的内在性质和特定的光谱采样的气象仪器对大气状态的文档是不准确的。然而，有可能提取一个指示的气溶胶气溶胶负载相对较暗的表面。因为没有保证适当的气溶胶类型应用在任何时间和地点，检索到的气溶胶光学厚度值必须被视为“有效”，在这个意义上，它允许在反演方案规定精度的气象卫星观测的解释。这也意味着这个“有效”的价值使得大气逆辐射场的精确重建在表面层次。在本文中所描述的方法可以适用于任何卫星测量在太阳能领域，特别是，这些工具允许一个实际的瞬时角采样的辐射场由地球分散（例如，ATSR，圩区，和MISR）。Pinty等人详细描述了所提出的技术的实际气象卫星资料的应用。[这个问题]。除了潜在的信息是从气象档案加工提取，这篇文章还涉及到数据的选择和云筛选相关的问题，以及与检索相关的不确定性。

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