基于多源卫星数据的火山灰云质量浓度定量反演研究

Volcanic ash cloud has serious impacts on aviation. With volcanic ash dispersion, it also has a profound and long-term impact on climate and the environment. Meteorological satellite data offer a favorable tool to quantitatively investigate the interaction between volcanic ash and the atmosphere for its free of charge, high temporal resolution and regional monitoring abilities. This project is aimed at developing a new quantitative retrieval of mass concentration of volcanic ash cloud through further exploring the relationships among reflective and radiative properties of volcanic ash, thickness and fraction of meteorological cloud, observation angles, underlying surface information and the optical depth and effective particle radius of volcanic ash cloud based on China's new generation meteorological satellite data (FY3) and radiative transfer model. Through fusing with multi-source satellite data, an integrated mass concentration retrieval model of volcanic ash cloud will be final constructed for global volcanic ash retrieval, which will further expand the spatial-temporal scale of this research. Research achievements of this project can not only promote the potential applications of China's own meteorological satellite data, but also improve research and operational ability in volcanic ash cloud monitoring and offer scientific support to China's aviation safety and climate change research.

火山灰不仅严重影响航空飞行安全，还对全球气候和环境产生深远影响。气象卫星数据具有免费获取、时间分辨率高、空间覆盖广等优点，提供了一种定量研究火山、大气相互作用的有利工具。本项目以我国新一代极轨气象卫星数据(风云三号)为基础，突破火山灰云为纯像元的假设，通过辐射传输模拟，深入研究火山灰云反射和辐射特性、气象云厚度及覆盖比例、观测角度、下垫面信息与火山灰粒子的光学厚度与有效半径之间的相关关系，构建一种火山灰云与气象云混合条件下火山灰云质量浓度反演新方法，进一步提高复杂气象条件下火山灰云定量反演精度。在此基础上，通过多源卫星数据融合，最终建立全球火山灰云质量浓度综合反演模型，实现基于单一传感器的浓度模型在时空尺度上的扩展。本项目研究成果不仅能够提高我国风云气象卫星在火山灰云监测领域的应用潜力，而且能够显著提高我国在火山灰云遥感监测方面的科研和业务能力，为我国航空飞行安全气候变化研究提供科学依据。

本项目以中国新一代静止气象卫星FY-4成像仪代理资料-欧洲的MSG卫星上SEVIRI仪器的光谱响应特性为基础，建立了部分云覆盖条件下红外大气快速辐射传输模型。利用以上正演模式，模拟了不同大气条件、火山灰云高度、有效云量和观测天顶角情况下卫星观测的红外通道的亮度温度，分析了火山灰云高度和有效云量等关键敏感参数。经过敏感性试验，选取了对火山灰云比较敏感的三个热红外波段的入瞳辐射亮度及其亮温差异、卫星观测角度作为正演模拟的基础。经过正向模拟，建立了适合于SEVIRI数据的火山灰云模拟样本数据集。在正向模拟的基础上，通过特征向量的统计回归反演方法，建立了分层火山灰云定量反演方法。利用独立的高度样本和激光雷达资料对算法进行了验证。结果表明，本项目发展的反演算法结果与模型模拟产生的独立的高度样本以及星载激光雷达资料(CALIOP)的火山灰云高度趋势显示出较好的一致性，并显著改进了前人工作中在5 km以上的火山灰云区反演偏低的情况。基于SEVIRI卫星数据的定量反演产品已经在国家卫星气象中心业务工作中试运行，并在2015年全球火山爆发监测中起到良好作用。在以上工作的基础上，完成了本项目开发的定量算法向日本2014年新发射的Himawari-8卫星数据的移植和改进，在原有算法的基础上通过加入了新通道和算法的调整，显著改进了中低层火山灰云的反演精度。通过本项目三年的研究工作，实现了中国第一套包括我国新一代静止卫星FY-4在内的多源卫星数据的火山灰云质量浓度反演模型的建立和应用，圆满完成了本项目的预定研究目标。