基于机器学习的海洋色彩与气溶胶联合反演算法用于沿海水域的多角度偏振测量仪

美国国家航空航天局（NASA）的浮游生物、气溶胶、云和海洋生态系统（PACE）任务于2024年2月最近发射，搭载了两台多角度偏振测量仪（MAPs）：UMBC超角度彩虹偏振仪（HARP2）和SRON行星探索一号光谱偏振仪（SPEXone）。这些MAP的测量将极大推动海洋生态系统和气溶胶研究，因为它们的测量包含了关于气溶胶和水溶胶微物理特性的丰富信息。已经开发了多角度偏振海洋颜色（MAPOL）联合反演算法，以反演气溶胶和海洋颜色信息，该算法使用向量辐射传输（RT）模型作为前向模型。RT模型计算开销大，这使得处理大量数据具有挑战性。为加速反演过程，开发了FastMAPOL，利用神经网络替代RT前向模型。作为原型研究，FastMAPOL最初仅限于开放海洋应用，其中海洋固有光学特性（IOPs）仅用一个参数：叶绿素a浓度（Chla）进行参数化。在本研究中，我们进一步扩展了FastMAPOL联合反演算法，以纳入基于NN的前向模型用于沿海水域，该模型使用多参数生物光学模型。此外，气溶胶由六个组分表示，即细颗粒非吸收不可溶（FNAI）、棕色碳（BrC）、黑碳（BC）、细颗粒非吸收可溶（FNAS）、海盐（SS）和非球形尘埃（Dust）。海盐和尘埃是粗颗粒气溶胶，而其他组分是细颗粒。每个气溶胶组分的尺寸和光谱折射率是固定的，而它们的丰度是可反演的。多参数生物光学模型和气溶胶组分被选择以代表沿海海洋环境。该反演算法应用于PACE任务中MAPs的三种不同配置的合成测量：仅HARP2观测，仅SPEXone观测，以及HARP2与SPEXone的联合观测。合成测量的反演结果表明，对于气溶胶反演，仅SPEXone配置与仅HARP2配置效果相当。另一方面，对于海洋颜色反演，SPEXone仪器由于其更大的光谱覆盖提供了更好的信息。对于表面参数（风速），HARP2测量提供了更好的信息，因为其广阔的视场。组合测量配置HARP2+SPEXone在反演所有气溶胶、海洋颜色和表面参数方面表现最好。我们还研究了太阳高光对气溶胶和海洋颜色反演的影响。反演测试显示，当包含辉光几何的测量时，风速和吸收气溶胶的反演显著提高。此外，反演算法配备了气象修正和双向反射分布（BRDF）修正模块，以获取遥感反射率，从而使PACE偏振仪数据可以用于海洋生物化学研究。