Brewer 分光光度计遥感大气臭氧垂直廓线的研究

利用建立的球面分层大气散射模式，研究了Ｂｒｅｗｅｒ仪器工作波长进行Ｕｍｋｅｈｒ短法反演所包含的信息量，给出Ｂｒｅｗｅｒ仪器探测大气臭氧垂直廓线的方法。同时，用气溶胶光学厚度计算得到气溶胶订正系数，建立了Ｕｍｋｅｈｒ反演的程序，用此程序对ＴａｂｌｅＭｏｕｎｔａｉｎ资料进行气溶胶修正，得到了较好的结果。对北京测站１９９１年１─３月资料进行由气溶胶造成的臭氧反演廓线的误差计算，结果表明，用常规反演方法得到的各层臭氧含量的误差与平流层气溶胶光学厚度有一近似线性的关系；进行气溶胶修正后，与国外的臭氧反演廓线的误差修正工作￣［１］比较，结果较一致。研究提出的气溶胶订正反演方法为更好地对平流层臭氧变化趋势进行研究提供了可能性和可靠的基础。     

利用MODIS资料反演北京及其周边地区气溶胶光学厚度的方法研究

基于 6S辐射传输模式 ,文中同时采用暗像元法和结构函数法建立了利用EOS Terra/MODIS 0 .6 6和 0 .4 7μm通道数据反演陆地气溶胶光学厚度的遥感模型 ,用于获取北京及其周边地区的气溶胶光学厚度。同时 ,利用与卫星观测同步的地基太阳光度计观测资料估计的气溶胶光学厚度数据验证卫星资料反演结果。研究结果给出了如何选择算法、卫星通道数据和气溶胶模型的最佳组合获取理想气溶胶光学厚度的方法。采用 4种气溶胶模型供反演计算选择。在研究中发现 ,暗像元法不适用于城市地区气溶胶光学厚度反演 ,这不仅与亮地表条件的限制有关 ,而且具有强吸收特性的城市气溶胶也是重要影响因素。两种算法由相同气溶胶模型假定误差造成的气溶胶光学厚度反演误差方向 (增加或减小 )相反。反演试验获取的气溶胶光学厚度分布指出 ,石家庄—北京—天津一线易出现气溶胶光学厚度高值带。     

激光雷达与微波辐射计联合观测大气边界层高度变化

为了研究苏州地区大气边界层结构的日变化及季节特征,利用2014年1—7月期间大气颗粒物激光雷达对苏州上空大气气溶胶进行了连续观测。选定2014年1月15日、3月16日、5月7日与7月22日全天的消光系数探测数据,通过优化后的梯度法得到了该地区的大气边界层高度,分析了其日变化特征,并分析了边界层高度与地表的温湿变化之间的相关性。结果表明除1月15日外,边界层的变化与地表温度存在明显的正相关,而与地表的相对湿度存在负相关。同时,对站点微波辐射计观测得到的温湿廓线与边界层内消光系数廓线进行了联合研究。研究结果表明,微波辐射计湿度垂直廓线与激光雷达消光系数廓线探测得到的边界层具有良好的一致性。     

云对地基微波辐射计反演湿度廓线的影响

利用中国气象局大气探测试验基地的L波段探空数据和微波辐射计观测数据,采用MonoRTM辐射传输模型作为正演亮温模型,BP (back propagation) 神经网络作为反演工具,在由亮温反演大气湿度廓线的过程中,添加与样本匹配的云底高度和云厚度信息,建立新的反演模型,使新反演模型得到的反演湿度廓线和未添加云信息的反演湿度廓线分别与探空数据进行对比,获取两种反演方法各高度层的均方根误差,分析云信息对反演大气湿度廓线的影响。对比结果表明:未添加云信息时,测试样本的反演湿度廓线与探空廓线的相关系数平均值为0.685,而添加云信息后,相关系数平均值为0.805。相比未添加云信息的反演廓线,添加云信息之后多数高度层的均方根误差均有不同程度减小,而在有云以上高度层表现尤为明显。     

基于MODIS数据的金塔绿洲地表温度反演

地表温度(LST)是气象、水文、生态等研究领域中的一个重要参数.本文对MODIS数据的分裂窗算法进行了简要的介绍,并利用MODIS数据计算反演了地表温度所需的关键参数:大气透过率和地表比辐射率,然后运用分裂窗算法反演了金塔绿洲地区的地表温度,并与地面实测数据进行了对比分析.结果表明,这一方法能获得较合理的地表温度,符合金塔绿洲的实际地表状况.     

利用静止卫星MTSAT反演大气气溶胶光学厚度

卫星遥感是获取气溶胶光学特性的重要手段,利用静止卫星可见光通道资料反演气溶胶光学厚度(AOD)的算法使用日本静止气象卫星MTSAT可见光通道资料反演了2008年5月中国地区陆地上的气溶胶光学厚度,将得到的结果分别与AERONET站点的地面观测值进行比较,得到了较好的线性相关关系,再将其与相应的MODIS气溶胶光学厚度产品进行比较,也得到了较为一致的分布,表明MTSAT反演的气溶胶光学厚度产品可以反映大气气溶胶光学厚度的日变化信息。最后对这种反演算法的误差来源进行了分析。     

单星多角度法同时反演气溶胶光学厚度和地表反射率

尝试以单星多角度卫星观测数据同时反演晴空陆地的气溶胶光学厚度和地表反射率,并选取2009年5月的MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)1B资料进行了反演试验.结果表明:单星多角度法反演得到的气溶胶光学厚度结果与MODIS气溶胶产品(MOD04)平均值的相关系数为0.7914;反演的地表反射率结果与MODIS地表反射率产品(MOD09)也具有较好的一致性.对直接利用单星多角度观测数据反演获得一段时间内平均的气溶胶光学厚度进行了有益的尝试.     

Brewer分光光度计遥感大气臭氧垂廓线的研究

利用建立的球面分层大气散射模式，研究了Ｂｒｅｗｅｒ仪器工作波长进行Ｕｍｋｅｈｒ短法反演所包含的信息量，给出Ｂｒｅｗｅｒ仪器探测大气臭氧垂直廓线的方法，同时，用气溶胶光学厚度计算得到气溶胶订正系数，建立了Ｕｍｋｅｈｒ反演的程序，用此程序对Ｔａｂｌｅ Ｍｏｕｎｔｉａｉｎ资料进行气溶胶修正，得到了较好的结果，对北京测站１９９１年１－３月资料进行由气溶胶造成的臭氧反演廓线的误差计算，结果表明，用常规反演方     

利用人工神经网络方法反演大气温度廓线

高光谱大气红外探测仪AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)资料能够显示小尺度的大气温度垂直结构,为数值预报和天气诊断提供了更加准确精细的初始场.目前处理数据主要使用晴空大气业务反演国际MODIS/AIRS处理软件包IMAPP (International MODIS/AIRS Preprocessing Package)中的特征向量统计回归算法,由于统计法算法简单,反演精度受到较大限制.现提出一种利用人工神经网络的算法来对晴空状况下AIRS模拟辐射值进行大气温度廓线反演的方法,并与特征向量统计法结果相比较.结果表明,神经网络方法与特征向量统计法反演所耗时间相当,减小了反演误差,各高度层温度反演精度均有不同程度的改进,获得了较好的反演结果.     

中国区域MODIS陆上气溶胶光学厚度产品检验

以我国MODIS共享网站积累的MODIS L1B数据和美国威斯康辛大学提供的IMAPP软件包气溶胶产品软件为基础, 经过产品运行本地化改进处理, 在国家卫星气象中心建立了气溶胶产品业务化生成和发布机制。为支持气溶胶遥感产品算法改进以及潜在用户对产品的合理应用, 给出对国家卫星气象中心运行的MODIS气溶胶遥感产品质量检验分析结果。利用2005年1月— 2007年5月AERONET地基气溶胶监测网的L2.0级气溶胶光学厚度产品作为真值, 用它匹配MODIS陆上气溶胶光学厚度产品开展检验。检验结果表明:以卫星过境前后30min地基观测时间平均值匹配地基站点位置10 km半径范围内的卫星反演结果空间平均值开展检验, 总体样本的气溶胶光学厚度均方根误差约为0.25;满足产品误差要求 (±0.05±0.20τ) 的样本占总样本数的44%; 气溶胶光学厚度反演结果精度具有季节和地域差异, 干季(秋、冬、春)的气溶胶光学厚度误差较小, 而雨季气溶胶光学厚度误差较大, 云是雨季气溶胶光学厚度反演结果误差较大的主要影响因素。     

太湖地区气溶胶光学厚度的分布及其在大气校正中的应用

采用太湖地区水面光谱数据以及MODIS遥感影像数据,利用辐射传输模式6S,选择自定义气溶胶类型,反演得到太湖地区气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)分布,将其与太阳光度计CE318实测气溶胶光学厚度分别应用于太湖区域的大气校正中,得到不同的水面反射率,并参考实测水面反射率进行对比分析。结果表明:反演的太湖地区气溶胶光学厚度分布较为合理,造成此分布的原因可能是太湖北岸工业较发达,污染较严重。太湖颗粒物的吸收特性和卫星接收到的表观反射率导致反演数据的差异,是反演气溶胶光学厚度分布不均匀的主要原因。使用MODIS数据反演得到的太湖地区AOD进行大气校正,更加精确。该研究方法和结果可为气溶胶光学厚度反演、精确卫星数据大气校正提供参考。     

Simulationsof Aerosol Optical Properties to Top of Atmospheric Reflected Sunlight in the Near Infrared CO2 Weak Absorption Band

Over the Asian continent,high aerosol loading is critical to ensure the high accuracy of CO₂ retrieval in the near infrared absorption band.Simulations were performed to explore the effect of light path modification by aerosol son the atmospheric CO₂ near infrared band(6140-6270 cm^-1).The Vector LInearized Discrete Ordinate Radiative Transfer（VLIDORT） model and the Line-By-Line Radiative Transfer Model（LBLRTM） were used for forward calculations.The U.S.standard atmosphere was used for atmospheric profiles.The results indicate that the aerosols caused similar effects to increases in CO₂ in the planetary boundary layer and became more significant with aerosol layer rising while aerosol optical depth was 0.1.This effect will cause an over estimation of the CO₂ mixing ratio in the retrieval process and an under estimation in the aerosol layer.The results also indicate that the effect of urban and industrial aerosols is smaller than that of non-absorbing and dust aerosols because of the nearly constant absorption properties in the near infrared band.     

有云时大气红外遥感及其反演问题 I. 理论研究

我们已经研究了晴空情况下的大气红外遥感及其反演问题。本文对有云情况下的大气红外遥感及其反演问题进行了研究，首先指出国际上通用的处理有云反演的晴空订正法存在误差放大问题，然后提出了3×3相邻视场同步反演法，在该方法中，假定3×3相邻视场具有共同的大气温度廓线和大气水汽廓线，从而使求解方程数增加到9倍，而反演参数只增加有限的几个，大大提高了有云情况下反演的稳定性。     

Validation of the Atmospheric Infrared Sounder Retrieval Products over China and Their Application in Numerical Mode

The atmospheric infrared sounder (AIRS) instrument onboard Aqua Satellite is a high spectral resolution infrared sounder. In recent years, AIRS has gradually become the primary method of atmospheric vertical observations. To examine the validation of AIRS retrieval products (V3.0) over China, the AIRS surface air temperature retrievals were compared with the ground observations obtained from 540 meteorological stations in July 2004 and January 2005, respectively. The sources of errors were considerably discussed. Based on the error analysis, the AIRS retrieved surface air temperature products were systemically corrected. Moreover, the AIRS temperature and humidity profile retrievals were compared with T213 numerical forecasting products. Because T213 forecasting products are not the actual atmospheric states,to further verify the validation, the AIRS temperature and humidity profile products were assimilated into the MM5 model through the analysis nudging. In this paper, the case on February 14, 2005 in North China was simulated in detail. Then, we investigated the effects of AIRS retrievals on snowfall, humidity field,vertical velocity field, divergence field, and cloud microphysical processes. The major results are: (1) the errors of AIRS retrieved surface air temperature products are largely systematic deviations, for which the influences of terrain altitude and surface types are the major reasons; (2) the differences between the AIRS atmospheric profile retrievals and T213 numerical prediction products in temperature are generally less than 2 K, the differences in relative humidity are generally less than 25%; and (3) the AIRS temperature and humidity retrieval products can adjust the model initial field, and thus can improve the capacity of snowfall simulation to some extent.     

华东区域夏季行星边界层大气稳定度的气候特征及其与气溶胶的联系

利用1979-2008年夏季（6—8月）逐日NCEP／NACR再分析资料、MODIS卫星的气溶胶资料等,研究了华东区域夏季行星边界层大气稳定度的气候特征与年际变化,分析了大气稳定度和相应的加热场与气溶胶光学厚度（aerosol optical depth,AOD）的联系。结果表明：华东区域夏季行星边界层大气稳定度在空间上分布不均匀,时间上具有明显的年际变化。边界层中的非绝热加热率、大气稳定度及气溶胶光学厚度三者之间可能存在密切联系。利用经验正交函数分析了华东区域总体理查森数Rib的距平场,得到了边界层稳定度分布的3个主要模态,这3个模态所代表的边界层大气稳定度异常与夏季风环流异常密切相关,特别是P-J型遥相关波列和西太平洋副热带高压在中国东部大气边界层稳定度变化中可能起着非常重要的作用。     

Lidar and Sun photometer observations of atmospheric boundary-layer characteristics over an urban area in a mountain valley

We present measurements of the vertical aerosol structure and the aerosol optical depth in the lower troposphere performed above the city of Sofia (an urban area situated in a mountain valley), western Bulgaria by means of a ground-based aerosol lidar operating continuously for a number of years. The lidar measurements were accompanied by measurements of the aerosol optical depth (AOD) in the visible and near infrared regions of the spectrum performed in October 2004 using Microtops II radiometers. The maximum values of the AOD were found to occur 1–2 h before the complete development of the atmospheric boundary layer, i.e. during the residual layer destruction, which confirms our hypothesis concerning the slope circulation effect on the processes taking place in the atmospheric boundary layer. The AOD values obtained by the lidar are lower than those taken by the sun photometer. Further, the AOD exhibits two different types of behaviour. In the case of a ‘clear atmosphere’ (i.e. in the absence of volcanic eruptions and/or dust transport from the Sahara) most of the aerosol accumulated within the atmospheric boundary layer over the urban area considered. The combined use of the two instruments allows the comparison between the optical characteristics of the atmospheric aerosol (e.g. aerosol extinction coefficient, etc.) obtained by the lidar and through an independent method (sun photometer).     

北京一次浓雾过程的边界层结构及成因探讨

利用逐小时地面加密观测资料、系留气球探空资料、常规观测资料、NCEP再分析资料等对2004年11月30日至12月1日发生在北京的一次浓雾过程进行了分析。结果表明:浓雾过程发生在边界层有浅槽东移,地面为均压场、微风、入夜后迅速辐射降温的条件下;浓雾生成前、后近地层维持辐合区,有利于水汽的聚集;在浓雾发生发展的不同阶段,边界层中逆温层、湿度和风的分布是有差别的;从动力学的角度对温、湿场结构的形成原因进行了初步探讨,指出了与其它辐射雾的不同点。     

Impact of Different Aerosols on the Evolution of the Atmospheric Boundary Layer

The present work analyzes the effect of aerosols on the evolution of the atmospheric boundary layer (ABL) over Shangdianzi in Beijing.A one-dimensional ABL model and a radiative transfer scheme are incorporated to develop the structure of the ABL.The diurnal variation of the atmospheric radiative budget,atmospheric heating rate,sensible and latent heat fluxes,surface and the 2 m air temperatures as well as the ABL height,and its perturbations due to the aerosols with different single-scattering albedo (SSA) are studied by comparing the aerosol-laden atmosphere to the clean atmosphere.The results show that the absorbing aerosols cause less reduction in surface evaporation relative to that by scatting aerosols,and both surface temperature and 2 m temperature decrease from the clean atmosphere to the aerosol-laden atmosphere.The greater the aerosol absorption,the more stable the surface layer.After 12:00 am,the 2 m temperature increases for strong absorption aerosols.In the meantime,there is a slight decrease in the 2 m temperature for purely scattering aerosols due to radiative cooling.The purely scattering aerosols decrease the ABL temperature and enhance the capping inversion,further reducing the ABL height.     

利用AVHRR数据反演陆地气溶胶光学厚度

开发AVHRR可见光通道反演陆地气溶胶光学厚度 (AOD) 的算法对于研究长时间序列AOD的变化有重要意义。AVHRR由于缺少2.1 μm通道而不能采用MODIS的暗背景算法,该文利用背景合成算法进行陆地AOD反演。背景合成算法是指假设一段时间内地表反射率变化不大且会出现相对清洁大气, 采用最小值合成即可得到地表反射率,再通过辐射传输模式6S制作的查算表查算得到AOD的反演结果。将此算法应用到2009年AVHRR中国部分陆地区域 (15°~45°N,75°~135°E) 得到AOD的时空分布,将反演结果与同期Aqua/MODIS的MOD04 AOD产品进行对比分析表明,华北和华东地区的反演效果较好,西北地区结果较差。以长江三角洲地区为例可知,AVHRR AOD产品与MODIS AOD产品以及AERONET观测的AOD相比相关系数基本在0.6以上,从时间变化规律来看,AVHRR AOD和MODIS AOD产品年变化趋势具有很好的一致性。该文为建立长时间序列AVHRR AOD数据集提供了一个较为可行的方法。     

Use of total precipitable water classification of a priori error and quality control in atmospheric temperature and water vapor sounding retrieval

This study investigates the use of dynamic a priori error information according to atmospheric moistness and the use of quality controls in temperature and water vapor profile retrievals from hyperspectral infrared (IR) sounders. Temperature and water vapor profiles are retrieved from Atmospheric InfraRed Sounder (AIRS) radiance measurements by applying a physical iterative method using regression retrieval as the first guess. Based on the dependency of first-guess errors on the degree of atmospheric moistness, the a priori first-guess errors classified by total precipitable water (TPW) are applied in the AIRS physical retrieval procedure. Compared to the retrieval results from a fixed a priori error, boundary layer moisture retrievals appear to be improved via TPW classification of a priori first-guess errors. Six quality control (QC) tests, which check non-converged or bad retrievals, large residuals, high terrain and desert areas, and large temperature and moisture deviations from the first guess regression retrieval, are also applied in the AIRS physical retrievals. Significantly large errors are found for the retrievals rejected by these six QCs, and the retrieval errors are substantially reduced via QC over land, which suggest the usefulness and high impact of the QCs, especially over land. In conclusion, the use of dynamic a priori error information according to atmospheric moistness, and the use of appropriate QCs dealing with the geographical information and the deviation from the first-guess as well as the conventional inverse performance are suggested to improve temperature and moisture retrievals and their applications.