Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 5. С. 255-265
Анализ многоугловых поляризационных измерений спутникового радиометра PARASOL над оптически сложными водами Бохайского залива
П.А. Салюк
1, 2 , И.Е. Стёпочкин
1, 2 , К.А. Шмирко
1, 3 , И.А. Голик
2 1 Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия
2 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток, Россия
3 Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток, Россия
Одобрена к печати: 11.08.2021
DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-5-255-265
Цель работы заключается в анализе особенностей использования многоугловых поляризационных измерений спутникового радиометра PARASOL для изучения характеристик атмосферного аэрозоля над оптически сложными водами Бохайского залива при различных состояниях атмосферы и различном оптическом типе подстилающей морской толщи. Измерения PARASOL позволяют восстановить степени поляризации регистрируемого излучения при фазовых углах около 90° на трёх длинах волн 490, 670 и 865 нм. Проведён анализ диаграмм рассеяния данных параметров, который позволил классифицировать состояние атмосферы и подстилающей поверхности в районе Бохайского залива. Рассчитанные значения степеней поляризации при фазовых углах около 90° имеют тенденцию к увеличению по мере уменьшения размера атмосферных частиц при переходе от состояния сплошной облачности к пылевой буре и к атмосферной водной дымке. В случае чистой атмосферы существенное влияние на получаемые результаты оказывает речной сток, который уменьшает степень поляризации излучения за счёт многократного рассеяния на взвешенных частицах в морской толще. Использование многоволновых поляризационных измерений позволяет анализировать такие сложные для интерпретации ситуации, как пыль в облаках или детектирование пылевых бурь над речным выносом. В целом полученные результаты не противоречат опыту использования эффекта Умова для изучения пылевого аэрозоля, который заключается в обратной связи между максимумом поляризации излучения и геометрическим альбедо, и открывают перспективы применения данного подхода в отношении спутниковых измерений при использовании предварительной классификации данных и таблиц сравнения, полученных методами прямого численного моделирования.
Ключевые слова: многоугловые измерения, спутник, поляризация, пыль, оптически сложные воды, эффект Умова, PARASOL, POLDER, Бохайский залив
Полный текстСписок литературы:
- Chen C., Dubovik O., Fuertes D., Litvinov P., Lapyonok T., Lopatin A., Ducos F., Derimian Y., Herman M., Tanré D., Remer L. A., Lyapustin A., Sayer A. M., Levy R. C., Hsu N. C., Descloitres J., Li L., Torres B., Karol Y., Herrera M., Herreras M., Aspetsberger M., Wanzenboeck M., Bindreiter L., Marth D., Hangler A., Federspiel C. Validation of GRASP algorithm product from POLDER/PARASOL data and assessment of multi-angular polarimetry potential for aerosol monitoring // Earth System Science Data. 2020. V. 12. P. 3573–3620.
- Diner D. J., Boland S. W., Brauer M., Bruegge C., Burke K. A., Chipman R., Girolamo L. D., Garay M. J., Hasheminassab S., Hyer E., Jerrett M., Jovanovic V., Kalashnikova O. V., Liu Y., Lyapustin A., Martin R., Nastan A., Ostro B., Ritz B., Schwartz J., Wang J., Xu F. Advances in multiangle satellite remote sensing of speciated airborne particulate matter and association with adverse health effects: from MISR to MAIA // J. Applied Remote Sensing. 2018. V. 12. No. 4. P. 042603.
- Dubovik O., Herman M., Holdak A., Lapyonok T., Tanré D., Deuzé J. L., Ducos F., Sinyuk A., Lopatin A. Statistically optimized inversion algorithm for enhanced retrieval of aerosol properties from spectral multi-angle polarimetric satellite observations // Atmospheric Measurement Techniques. 2011. V. 4. P. 975–1018.
- Dubovik O., Li Z., Mishchenko M., Tanré D., Karol Y., Bojkov B., Cairns B., Diner D., Espinosa W., Goloub P., Gu X., Hasekamp O., Hong J.,Hou W.,Knobelspiesse K., Landgraf J., Li L., Litvinov P., Liu Y., Lopatin A., Marbach T., Maring H., Martins V., Meijer Y., Milinevsky G., Mukai S., Parol F., Qiao Y., Remer L., Rietjens J., Sano I., Stammes P., Stamnes S., Sun X., Tabary P., Travis L., Waquet F., Xu F., Yan C., Yin D. Polarimetric remote sensing of atmospheric aerosols: Instruments, methodologies, results, and perspectives // J. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2019. V. 224. P. 474–511.
- Fan H., Huang H. Response of coastal marine eco-environment to river fluxes into the sea: A case study of the Huanghe (Yellow) River mouth and adjacent waters // Marine Environmental Research. 2008. V. 65. P. 378–387.
- Fougnie B., Marbach T., Lacan A., Lang R., Schlüssel P., Poli G., Munro R., Couto A. The multi-viewing multi-channel multi-polarisation imager: Overview of the 3MI polarimetric mission for aerosol and cloud characterization // J. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2018. V. 219. P. 23–32.
- Fréville H., Chami M., Mallet M. Analysis of the Transport of Aerosols over the North Tropical Atlantic Ocean Using Time Series of POLDER/PARASOL Satellite Data // Remote Sensing. 2020. V. 12. Art. No. 757.
- Gilerson A., Carrizo C., Ibrahim A., Foster R., Harmel T., El-Habashi A., Lee Z., Yu X., Ladner S., Ondrusek M. Hyperspectral polarimetric imaging of the water surface and retrieval of water optical parameters from multi-angular polarimetric data // Applied Optics. 2020. V. 59. P. C8–C20.
- Hasekamp O. P., Litvinov P., Butz A. Aerosol properties over the ocean from PARASOL multiangle photopolarimetric measurements // J. Geophysical Research: Atmospheres. 2011. V. 116. Art. No. D14204.
- Ivanoff A., Jerlov N., Waterman T. H. A comparative study of irradiance, beam transmittance and scattering in the sea near Bermuda // Limnology and Oceanography. 1961. V. 6. P. 129–148.
- Jamet C., Ibrahim A., Ahmad Z., Angelini F., Babin M., Behrenfeld M., Boss E., Cairns B., Churnside J., Chowdhary J., Davis A., Dionisi D., Duforêt-Gaurier L., Franz B., Frouin R., Gao M., Gray D., Hasekamp O., He X., Hostetler C., Kalashnikova O., Knobelspiesse K., Lacour L.,Loisel H., Martins V., Rehm E., Remer L., Sanhaj I., Stamnes K., Stamnes S.,Victori S., Werdell J., Zhai P. Going Beyond Standard Ocean Color Observations: Lidar and Polarimetry // Frontiers in Marine Science. 2019. V. 6. Art. No. 251.
- Jo O. C., Lee J., Park K., Kim Y., Kim K. Asian dust initiated early spring bloom in the northern East/Japan Sea // Geophysical Research Letters. 2007. V. 34. Art. No. L05602.
- Kai Z., Gao H. The characteristics of Asian-dust storms during 2000–2002: From the source to the sea // Atmospheric Environment. 2007. V. 41. No. 39. P. 9136–9145.
- Kokhanovsky A., Davis A., Cairns B., Dubovik O., Hasekamp O., Sano I., Mukai S., Rozanov P., Litvinov P., Kolomiets I., Oberemok Y., Savenkov S., Martin W., Wasilewski A., Di Noia A., Stap F., Rietjens J., Xu F., Natrag V., Duan M., Cheng T., Munro R. Space-based remote sensing of atmospheric aerosols: The multi-angle spectro-polarimetric frontier // Earth-Science Reviews. 2015. V. 145. P. 85–116.
- Li L. Che H., Derimian Y., Dubovik O., Luan Q., Li Q., Huang X., Zhao H., Gui K., Zheng Y., An L., Sun T., Liang Y. Climatology of fine and coarse mode aerosol optical thickness over East and South Asia derived from POLDER/PARASOL satellite // J. Geophysical Research: Atmospheres. 2020. V. 125. Art. No. e2020JD032665.
- Loisel H., Duforet L., Dessailly D., Chami M., Dubuisson P. Investigation of the variations in the water leaving polarized reflectance from the POLDER satellite data over two biogeochemical contrasted oceanic areas // Optics Express. 2008. V. 16. No. 17. P. 12905–12918.
- Pavlov A. N., Zubko E., Konstantinov O. G., Shmirko K., Mayor A. Yu., Videen G. Vertical profile of polarization over Vladivostok using horizon shadowing: Clues to understanding the altitude variation of reflectance of aerosol particles // J. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2017. V. 2014. P. 94–102.
- Peralta R. J., Nardell C., Cairns B., Russell E. E., Travis L. D., Mishchenko M. I., Fafaul B. A., Hooker R. J. Aerosol Polarimetry Sensor for the Glory Mission // Proc. SPIE. 2007. V. 6786. Art. No. 67865L-2.
- Qiao Sh., Shi X., Zhu A., Liu Y., Bi N., Fang X., Yang G. Distribution and transport of suspended sediments off the Yellow River (Huanghe) mouth and the nearby Bohai Sea // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2010. V. 86. P. 337–344.
- Shi W., Wang M. Satellite views of the Bohai Sea, Yellow Sea, and East China Sea // Progress in Oceanography. 2012. V. 104. P. 30–45.
- Tan S.-C., Wang H. The transport and deposition of dust and its impact on phytoplankton growth in the Yellow Sea // Atmospheric Environment. 2014. V. 99. P. 491–499.
- Tsikerdekis A., Schutgens N., Hasekamp O. Assimilating aerosol optical properties related to size and absorption from POLDER/PARASOL with an ensemble data assimilation system // Atmospheric Chemistry and Physics. 2021. V. 21. P. 2637–2674.
- Tu Q., Hao Z., Pan D. Mass Deposition Fluxes of Asian Dust to the Bohai Sea and Yellow Sea from Geostationary Satellite MTSAT: A Case Study // Atmosphere. 2015. V. 6. P. 1771–1784.
- Waquet F., Cornet C., Deuzé J.-L., Dubovik O., Ducos F., Goloub P., Herman M., Lapyonok T., Labonnote L., Riedi J., Tanre D., Thieuleux F., Vanbauce C. Retrieval of aerosol microphysical and optical properties above liquid clouds from POLDER/PARASOL polarization measurements // Atmospheric Measurement Techniques. 2013. V. 6. No. 4. P. 991–1016.
- Xin J., Wang L., Wang Y., Li Z., Wang P. Trends in aerosol optical properties over the Bohai Rim in Northeast China from 2004 to 2010 // Atmospheric Environment. 2011. V. 45. P. 6317–6325.
- Yan H., Liu X., Qi J., Gao H. Dry deposition of PM10 over the Yellow Sea during Asian dust events from 2001 to 2007 // J. Environmental Sciences. 2014. V. 26. No. 1. P. 54–64.
- Zhang X. Y., Wang Y. Q., Niu T., Zhang X. C., Gong S. L., Zhang Y. M., Sun J. Y. Atmospheric aerosol compositions in China: spatial/temporal variability, chemical signature, regional haze distribution and comparisons with global aerosols // Atmospheric Chemistry and Physics. 2012. V. 12. P. 779–799.
- Zhang J., Chen J., Xia X., Che H., Fan X., Xie Y., Han Z., Chen H., Lu D. Heavy aerosol loading over the Bohai Bay as revealed by ground and satellite remote sensing // Atmospheric Environment. 2016. V. 124. P. 252–261.
- Zubko E., Weinberger A., Zubko N., Shkuratov Y., Videen G. Umov effect in single-scattering dust particles: effect of irregular shape // Optics Letters. 2017. V. 42. No. 10. P. 1962–1965.
- Zubko E., Shmirko K., Pavlov A., Sun W., Schuster G. L., Hu Y., Stamnes S., Omar A., Baize R. R., McCormick M. P., Loughman R., Arnold J. A., Videen G. Active Remote Sensing of Atmospheric Dust Using Relationships Between Their Depolarization Ratios and Reflectivity // Optics Letters. 2021. V. 46. No. 10. P. 2352–2355.