[论文解读] Toward Cloud Tomography from Space using MISR and MODIS: The Physics of Image Formation for Opaque Convective Clouds

Anthony B. Davis, Linda Forster+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Atmospheric aerosols and clouds参考文献 46被引用 11

一句话总结

本文提出了一种基于物理的3D云层断层扫描框架，利用多角度（MISR）和多光谱（MODIS）卫星数据，通过两种相互关联的辐射扩散过程建模云图像形成：方向空间中的角扩散（外层壳）和三维欧几里得空间中的空间扩散（遮蔽核心）。关键贡献在于表明，遮蔽核心的光学厚度控制着云尺度的亮度对比度，且扩散近似可在核心区域简化正向建模而不会显著损失精度，从而实现更快、更精确的云层断层扫描。

ABSTRACT

3D convective cloud images form via two intertwined radiative diffusion processes. Sunlight starts in the anti-solar direction and ends in toward-sensor ones, but repeated forward-peaked scattering smears the well-collimated beams across_direction_ space. This loss of directional memory in the cloud's "outer shell" (OS) is modeled as a random walk (RW) on the sphere. We show that, for typical cloud phase functions, 5 or 6 scatterings suffice for severe degrading of directionality. Simultaneously, a RW unfolds in_standard_ 3D space where steps are angularly-correlated, hence a drift in the original direction and an associated lateral dispersion. Any distinctive cloud image "feature" originates in the OS, and the shallower the better. That is also why we previously found that the optical depth of the "veiled core" (VC) is ~5. Significant amounts of sunlight thus arrive at the VC as a diffuse irradiance, and leave it even more isotropic. The diffusion limit of 3D radiative transfer (RT) is therefore valid inside the VC. Consequently, the underlying RW in the VC unfolds in 3D space, now with isotropic steps since extinction is scaled back to account for forward scattering. We show that the VC optical thickness controls cloud-scale brightness contrast between the illuminated and self-shaded sides of the cloud. Full cloud image formation thus involves diffusions (i.e., RWs) in both Euclidian and spherical/direction spaces. 3D cloud tomography based on MISR and MODIS multi-angle/-spectral data is an emerging technique in passive VNIR-SWIR sensing that will make judicious use this spatial separation of RT regimes to accelerate forward modeling without significant loss in accuracy.

研究动机与目标

• 为解决在1D辐射传输假设限制下，理解三维光学厚积雨云如何从空间形成可见图像这一关键空白。
• 识别并定义“遮蔽核心”（VC）为云体内结构细节对遥感辐射影响可忽略（低于传感器噪声水平）的区域。
• 证明由于各向同性散射，扩散近似在VC内有效，从而可简化云层断层扫描中的正向建模。
• 通过利用外层壳与遮蔽核心中辐射传输区域的空间分离，实现更高效、更精确的3D云层断层扫描。
• 为未来利用MISR和MODIS数据进行云层断层扫描反演奠定物理基础，潜在地整合MODIS SWIR波段以提升微物理敏感度。

提出的方法

• 将外层壳（OS）建模为球面上的随机游走，其中反复的前向集中散射会迅速破坏阳光的方向记忆，仅需5–6次散射即可实现严重的角向模糊。
• 将遮蔽核心（VC）建模为具有各向同性步长的3D随机游走，其有效性源于消光已进行前向散射校正，从而支持扩散近似。
• 利用互易性建模从传感器返回云体的伴随光传播，表明正向与反向光路的重叠可减少部分区域对完整3D RT的依赖。
• 通过经验定义VC为：云体内结构变化对遥感辐射的影响在或低于传感器噪声水平的区域，因此云层断层扫描的目标仅限于VC内平均消光。
• 提出在VC中使用扩散近似简化正向建模，显著降低计算成本，同时保持云层断层扫描反演的精度。
• 将MISR的多角度VNIR数据（275 m分辨率）与潜在的MODIS SWIR波段结合，以增强对云滴体积和微物理特性的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 方向空间与三维空间中的辐射扩散过程如何共同决定从空间形成的3D云图像？
• RQ2 在光学厚积雨云中，外层壳与遮蔽核心之间的边界由何种物理条件决定？
• RQ3 在云层断层扫描中，为保持精度，扩散近似在遮蔽核心内可应用到何种程度？
• RQ4 遮蔽核心的光学厚度如何控制云体向阳面与自阴影面之间的亮度对比度？
• RQ5 能否通过利用不同辐射传输区域的特性，利用MISR和MODIS的多角度与多光谱数据加速云层断层扫描中的正向建模？

主要发现

• 外层壳（OS）作为辐射边界层，反复的前向集中散射导致严重的角向模糊，仅需5–6次散射即可显著破坏阳光的方向记忆。
• 遮蔽核心（VC）被定义为云体内结构变化对遥感辐射影响可忽略的区域，其阈值设定为传感器噪声水平。
• VC的光学厚度控制着云尺度上向阳面与自阴影面之间的亮度对比度，光学厚度越大，对比度越强。
• 由于消光校正后散射为各向同性，扩散近似在VC内有效，从而可显著简化正向建模。
• 约三分之一的入射阳光完全避开VC，从而通过直接或近似直接的后向散射在向阳面形成强烈图像特征。
• 引入MODIS SWIR波段预计会增大长波长下的VC范围，提升对云微物理特性的敏感度，并支持未来云层断层扫描反演。