一种基于卫星遥感AOT估算近地面颗粒物的方法

本文建立了一种基于卫星遥感AOT估算近地面颗粒物浓度的新方法.该方法考虑大气边界层厚度和近地面相对湿度的区域分布变化情况,基于大气边界层模式模拟结果和卫星遥感气溶胶光学厚度进行近地面颗粒物浓度估算.基于RAMS模拟结果和MODIS气溶胶光学厚度数据,利用该方法获得了华北地区近地面PM2.5质量浓度.并用研究区域中16个地面站点的颗粒物浓度监测数据对估算结果进行了评估.结果表明,遥感反演的近地面PM2.5与地面监测数据在趋势上基本一致,二者相关R2达到0.61.与此同时,又利用地面激光雷达和气象仪测量结果对MODIS气溶胶光学厚度数据进行了近地面颗粒物估算,并将估算的结果与新方法得到的估算结果进行了比较.比较结果表明,新方法获得的估算结果与地面监测数据具有更好的相关性,和常规方法相比,相关R2从0.32提高到0.62.     

CMAQ模式卫星产品源同化模型及其在空气质量预报中的应用研究

对比分析了2006年1月和8月华北地区OMINO2卫星遥感二级产品和NO2实测浓度变化趋势的一致性,重点构建了CMAQ空气质量模式卫星遥感产品源同化模型,采用变分订正方法和CMAQ卫星遥感产品源同化技术方案探讨了华北地区冬夏季OMI高分辨率柱浓度卫星资料在空气质量数值预报中的应用.分析结果表明,无论冬季还是夏季,华北地区NO2实测浓度与OMINO2卫星遥感柱浓度的变化趋势具有较好的一致性,两者的相关性较显著,该卫星资料可适用于华北地区卫星遥感-地面观测综合变分分析;经过线性和变分订正后,北京周边地区OMINO2柱浓度的空间分布特征与实测值分布一致,而且可清晰反映出NO2空间分布特征,即NO2的城市局地污染特征较明显.经变分订正的OMINO2柱浓度的空间分布特征可看出,北京的西南、东南地区污染源对北京地区的NO2浓度的影响较大.采用高分辨率的OMINO2卫星遥感资料同化修正排放源时,WRF-CMAQ模式对于华北地区冬、夏季NO2浓度水平预报和趋势预报可取得较显著的改善效果.采用经变分订正的、高分辨率的OMINO2卫星遥感资料进行源同化时,可模拟得到与实测浓度分布较一致的、高分辨率的NO2浓度信息,弥补了采用地面...     

MODIS陆地气溶胶遥感反演--利用TERRA和AQUA双星MODIS数据协同反演算法

利用卫星数据遥感陆地气溶胶一直是国际上研究的难点与热点.利用新一代传感器MODIS(中分辨率成像光谱仪)数据,DDV(Dark Dense Vegetation)算法反演陆地气溶胶的分布以及性质已经取得了较好的效果.然而,该算法只适用于诸如水体、浓密植被等较低地表反射率区域,大大限制了该算法的实际应用范围,尤其是无法应用于城市等亮地表区域气溶胶的遥感反演.文中提出了基于利用TERRA和AQUA双星MODIS数据的协同反演模型算法(SYNTAM-Synergy of Terra and Aqua MODIS),用以反演陆地气溶胶的光学厚度等信息.该算法实现了地表反射率与气溶胶光学厚度的同时反演,可应用于各种地表反射率类型,包括城市等亮地表区域.通过与国际AERONET的地面观测数据对比做初步的反演验证,结果表明,该算法具有较高的精度,进一步的验证工作还在继续.     

MODIS陆地气溶胶遥感反演

利用卫星数据遥感陆地气溶胶一直是国际上研究的难点与热点. 利用新一代传感器MODIS(中分辨率成像光谱仪)数据, DDV(Dark Dense Vegetation)算法反演陆地气溶胶的分布以及性质已经取得了较好的效果. 然而, 该算法只适用于诸如水体、浓密植被等较低地表反射率区域, 大大限制了该算法的实际应用范围, 尤其是无法应用于城市等亮地表区域气溶胶的遥感反演. 文中提出了基于利用TERRA和AQUA双星MODIS数据的协同反演模型算法(SYNTAM-Synergy of Terra and Aqua MODIS), 用以反演陆地气溶胶的光学厚度等信息. 该算法实现了地表反射率与气溶胶光学厚度的同时反演, 可应用于各种地表反射率类型, 包括城市等亮地表区域. 通过与国际AERONET的地面观测数据对比做初步的反演验证, 结果表明, 该算法具有较高的精度, 进一步的验证工作还在继续.     

多核处理器环境下遥感数据处理的并行与串行算法的性能比较

卫星遥感能够提供(准)实时地面信息,在地震研究中的应用越来越广泛.MODIS是搭载在Terra和Aqua两颗卫星上的重要的“图谱合一”光学遥感观测仪器.由于MODIS数据具有多频段、高分辨率、高时效性、应用广泛等特点,使得MODIS数据对地球科学的综合研究和对陆表、生物圈、固态地球、大气和海洋的长期观测有着重要意义,在自然灾害的监测和分析研究领域也有着广泛的应用.     

城市群落大气污染源影响的空间结构及尺度特征

以迅速发展的城市群落-北京及周边区域为样本, 利用2003年冬季(2月)、夏季(8月)北京城市大气环境现场科学试验(BECAPEX, Beijing City Air Pollution Observation Experiment)建筑群边界层大气污染动力-化学过程观测资料以及相关的气象要素、卫星反演气溶胶光学厚度等综合资料, 进行“点-面”空间结构动力-统计合成分析, 剖析北京大城市及周边区域大气污染影响域的空间结构及多尺度特征. 结果表明, 冬、夏季不同污染排放源对大气污染成分特征的贡献率具有显著差异, 统计模型主成分分析结果亦表明, 冬季气溶胶颗粒物成分结构以SO2和NOx影响为主; 夏季粒子成分结构则以CO, NOx影响为主. 冬、夏季北京城区不同方位测点近地层大气动力、热力结构及建筑群上边界各类污染物种均具有“同位相”变化及其“影响域”空间尺度特征. 功率谱分析发现冬、夏季颗粒物浓度和大气风场动力结构的周期谱相吻合, 冬季以长周期为主, 夏季则多为短周期, 揭示出冬、夏季大气环流季节性尺度特征对大气污染变化周期特征的影响效应. 分析城市区域热力非均匀性特征, 可发现北京地区热岛多尺度效应与高层建筑群面积非均匀扩展特征存在相关关系. 城市大气动力、热力特征空间结构中城市边界层群筑群湍流尺度特征对城市大气污染多尺度特征具有重要影响. 晴空、稳定天气条件下MODIS气溶胶变分订正分析场和污染源追踪相关合成风矢场综合分析模型均表明, 冬季北京大气污染气溶胶颗粒物的排放源可远距离追溯到北京南部周边的河北、山东及天津等地更大尺度空间范围, 气溶胶指数高值区与北京及周边地区居民户数高值区(采暖面源)空间分布存在关联. 冬、夏季空气质点后向轨迹特征呈类似上述多尺度特征, 且描述出不同季节污染源空间分布的尺度特征差异, 城区大气污染周边源轨迹路径主体来自城市近郊固定工业面源或采暖面源, 且冬季周边污染源扩散输送距离较夏季呈更远的空间尺度, 上述结论描述出城市区域大气污染源影响和大气动力结构引起的多尺度空间影响域及季节性特征. 冬季TOMS气溶胶光学厚度高值区域位于北京地区并向南延伸, 且呈南北向带状分布, 可描述出周边地形分布对区域尺度大气污染源扩散的动力影响效应. 研究分析表明: 北京周边大地形“谷地”内冬季污染程度与南部周边地区的污染排放源密切相关; 北京及周边地区冬季的气溶胶光学厚度和日照时数的“反位相”变化特征显著, 冬季云量、雾日数与气溶胶呈区域尺度相关特征, 反映了该区域尺度气溶胶影响的局地气候效应. 另外, 流域面尺度的大气干、湿沉降分布对密云水库区域尺度空间水体的影响分析亦反映了夏季水、土、气多圈层污染源影响多尺度空间结构对密云水库水质影响的可能性.     

气溶胶辐射效应对城市边界层影响的数值模拟研究

近年来,伴随污染和城市化进程的加剧,气溶胶辐射效应对城市边界层的影响日益显著.文章以北京地区一次冬季污染过程为例,采用中尺度数值预报模式,在优化辐射方案中气溶胶垂直廓线的基础上验证了模式的有效性,分析了气溶胶对辐射和边界层的影响过程,最后通过敏感性试验探究了气溶胶、城市化和气象要素间的相互关系.结果表明:(1)优化后的模式可以较好地模拟北京地区温度场、湿度场、风场的分布特征.(2)气溶胶在大气中通过削减到达地面的入射短波辐射使地表温度降低,通过对辐射的吸收或后向散射作用,使高层温度升高,温度场的变化使层结稳定性增强,从而减少近地层的能量输送,使边界层高度下降.(3)随着气溶胶光学厚度的增加,乡村地区最易变为稳定层结,郊区较易变为稳定层结,城区最难变为稳定层结,且气溶胶辐射效应、城市下垫面以及二者的共同作用是影响城市边界层气象要素变化的主要原因.     

多角度成像光谱辐射仪在大气污染研究中的应用回顾

美国宇航局于1999年底发射的多角度辐射成像光谱仪（MISR）采用了独特的多角度观测设计,将9台相机沿卫星航迹方向按照固定角度排列并同时采集反射光.这种设计使其具备了当前其他星载气溶胶遥感设备不具备的在陆地和海洋上空反演包括气溶胶浓度、形状以及组分的多种特性的能力.由于对细颗粒物非常敏感,MISR为研究区域颗粒物空气质量的时空分布特性提供了新的数据来源.首先简要介绍MISR设备、它的气溶胶反演算法及数据结构,然后综合论述了目前MISR气溶胶数据在空气质量研究方面的应用状况包括在污染事件（例如沙尘、火灾以及城市空气污染）中对颗粒物空间分布的观测.MISR高质量的气溶胶数据可以作为颗粒物浓度的定量指标,回顾了目前在估算地面颗粒物浓度方面的研究成果,介绍了使用MISR高级数据对烟尘高度以及颗粒物成份的研究.由于中分辨率成像光谱仪（MODIS）的气溶胶数据在中国有较广泛的使用,讨论中尽可能的与之进行了比较.最后总结了MISR数据在空气质量研究中的优点与不足.相信MISR反演的丰富的高度定量化的气溶胶数据对研究中国空气质量问题具有很大的应用价值.     

华北典型污染地区多轴差分吸收光谱技术的气溶胶反演研究

基于华北典型污染地区的地基多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）近4年的观测数据,利用最优估计算法和LIDORT辐射传输模式反演了该区域气溶胶的消光系数垂直廓线和光学厚度（AOD）.MAX-DOAS观测反演的AOD与全球气溶胶观测网络同波段在华北地区的AOD间具有很好的一致性,相关系数都在0.9以上,证明MAX-DOAS具备对华北污染区域气溶胶光学厚度和消光系数垂直廓线的反演能力.AOD的反演误差表现为冬季最大,春夏最小,早晚大于正午,这是因为冬季以及早晚太阳天顶角较大导致信噪比偏小,所以AOD反演误差偏大.反演廓线表明该区域气溶胶主要集中在1 km以下的边界层,浓度随高度呈指数递减,部分情况下峰值出现在300 m处;气溶胶光学厚度夏季最大,冬季最小,正午较大,早晚较小.在东风条件下浓度最高,表明东边（即重工业城市唐山方向）的输送对香河和周边区域的气溶胶积聚有重要贡献.     

珠江三角洲大气气溶胶对地面臭氧变化的影响

研究表明在珠三角目前的污染状况下,至少一半以上的紫外辐射被大气气溶胶衰减,如此大幅度的紫外辐射衰减对城市生态系统和物种化学循环,尤其是臭氧光化学反应过程有重大的影响.利用地面观测的臭氧、紫外辐射、气溶胶辐射特性参数以及辐射和化学模式定量评估了大气气溶胶对地面臭氧影响的显著性.实例分析表明,珠三角大气气溶胶和紫外辐射与臭氧之间的相关性显著,气溶胶光学厚度（AOD）与地面PM10的浓度相关性高达0.98,AOD与相应时次的紫外辐射和臭氧的反相关性明显,相关系数可达-0.9.分析表明气溶胶污染通过衰减紫外辐射可显著降低臭氧的产率,AOD为0.6时臭氧的午间峰值区消失,AOD至1.2时午间峰值区呈下降趋势,造成午间臭氧的生成产率明显降低.目前干季（10,11,12和1月）广州的气溶胶光学厚度AOD550 nm≥0.6（AOD340 nm≥1.0）的出现概率为47%（55%）,珠三角在干季出现臭氧极大值的机会少与严重的气溶胶污染抑制臭氧峰值的出现应有密切的关系.分析表明应用辐射化学模式计算气溶胶的辐射效应时对单散射因子（SSA）十分敏感,表明应用辐射化学模式计算臭氧的产率时应慎重选取合理的单散射因子值.     

北京地区臭氧垂直分布的演变趋势与特征的研究——卫星SBUV资料与地面遥感对比分析

利用地面遥感O_3垂直分布的逆转方法〈C〉测量出的北京上空O_3剖面资料,对雨云7号卫星的SBUV系统测量的同地区的O_3垂直分布数据进行了订正.对订正后的长达8年(1979—1986年)的完整的SBUV资料进行了较为仔细的分析,得出了这一时期内的O_3垂直分布长期演变呈下降趋势.并在上层O_3含量的季节变化特征和周期振荡等方面,有新的发现,得出一些有意义的结果.     

香港气溶胶光学厚度与PM_(10)质量浓度的季节变异及相关性

利用经验模分解方法,分析了香港地区2005~2011年期间经垂直标高订正后的气溶胶光学厚度(AOD/Hi)与湿度订正后的可吸入颗粒物(PM10×f(RH))在半年、年和长期趋势等不同时间尺度上的变化特征及相关性.结果表明:香港地区AOD/Hi与PM10×f(RH)均存在显著的半年和年周期振荡,其中半年的峰值分别出现在3月和10月.受沙尘天气以及内陆污染物输送的影响,二者的半年振荡的第一个峰值的振幅均值都显著高出10月,是一年中污染最为明显的时期;年周期尺度上,二者的变化过程与年降雨量和太阳总辐射呈负相关关系,表现为冬季高夏季低,其中峰值都出现在2月前后,相比沙尘天气促成的半年振荡的第一个峰值提前发生一个月左右,其振幅均值仅为半年振荡的第一个峰值的一半.长期趋势上,2005~2011年间二者整体呈现显著的下降趋势,其中PM10×f(RH)下降速率达到平均每年14μg m-3,归因于大气颗粒物浓度的下降以及对二氧化硫等气溶胶颗粒物排放的控制.AOD/Hi与PM10×f(RH)的回归分析显示二者在半年和年时间尺度上的相关性(0.67和0.79)均超过95%置信度检验.下降趋势上存在明显的非线性关系,当AOD/Hi不超过0.44的范围时,PM10×f(RH)的下降速率慢于AOD/Hi的下降速率,但在超过0.44时,PM10×f(RH)的下降速率明显高于AOD/Hi.上述结果表明AOD/Hi能够反映出香港地面站点污染物监测数据PM10×f(RH)在半年、年周期以及长期趋势上的变化特征,可用于分析评价香港地区的空气质量状况.     

北京地区臭氧垂直分布的演变趋势与特征的研究——卫星SBUV资料与地面遥感对比分析

利用地面遥感O₃垂直分布的逆转方法〈C〉测量出的北京上空O₃剖面资料,对雨云7号卫星的SBUV系统测量的同地区的O₃垂直分布数据进行了订正.对订正后的长达8年（1979-1986年）的完整的SBUV资料进行了较为仔细的分析,得出了这一时期内的O₃垂直分布长期演变呈下降趋势.并在上层O₃含量的季节变化特征和周期振荡等方面,有新的发现,得出一些有意义的结果.     

基于VIIRS数据的中国东部气溶胶光学厚度反演算法改进

VIIRS(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)作为MODIS(The MODerate resolution Imaging Spectroradiometer)的后继传感器,可在全球范围内实现对气溶胶的连续时空监测.卫星反演的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)是研究地球能量收支平衡、气候效应和空气质量的重要大气参数.但在中国重污染天气情况下,现有的VIIRS陆地气溶胶产品存在一定不足.因此,本研究改进云识别方法,优化像元筛选,约束气溶胶类型选择,实现重污染情况下AOD的反演.基于地基AERONET(AErosol RObotic NETwork)的验证结果表明,相比NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)产品,改进后的反演结果克服了反演值偏低的问题,且表现出更好的相关性,RMSE从0.236下降到0.219.为验证在重污染条件下改进算法的适用性和准确性,本文对比了两种污染条件下的反演结果(0.61).统计结果表明,在较重污染天气条件下(AODAERONET>1),相比NOAA的AOD产品,本文结果的反演率从32.3%提升为68.8%,回归分析的斜率提高为0.80,相关系数达到0.76,均方根误差为0.307,在增加反演量的同时保证了反演的精度.     

地基热红外亮温遥感云底高度可行性的模拟研究

本文利用Modtran40模式比较系统地研究了不同强度（以地面能见度表示）和不同类型气溶胶情况下，晴空和各种云所形成的天空红外亮温Tb (Infrared Brightness Temperature)随地面观测天顶角的变化，从中发现利用Tb观测来遥感云底高度CBH（Cloud Base Height）的可行性，以及定量分析气溶胶层的影响.并且根据模拟计算结果，推出了由地面温度和湿度来计算晴天和不同CBH的中低云天天顶Tb的统计算式，以及由观测Tb和地表温、湿值反演CBH的方法.从模式计算和试验的初步结果可以看出：对于低云和中云，地基观测的Tb对CBH的变化有相当的敏感性，因此可以用于CBH的反演.地面气溶胶（能见度和气溶胶类型）对天空背景Tb有明显的影响，必须加以订正.但由于其影响对不同天顶角的贡献有一定的规律性，因此有可能得到较好的订正.     

EOF模型分析北京周边气溶胶影响域气候变化显著性特征

利用1979~2000年TOMS气溶胶光学厚度和华北地区气象站日照时数、雾日数、低云量等资料以及EOF模型综合统计分析方法,研究冬季北京及周边城市群落的气溶胶分布特征及其对区域气候的影响效应问题,重点探讨了北京周边区域气候EOF模型特征向量变化显著区与气溶胶影响效应的相关联系.分析多年平均冬季TOMS气溶胶光学厚度的区域分布,发现北京及其南部周边地区“马蹄型”大地形谷地内存在南北向带状大范围相对稳定的气溶胶浓度高值区空间分布;冬季气溶胶光学厚度在北京与周边地区存在高相关影响区,在此气溶胶相互影响显著区,冬季气溶胶光学厚度与雾日数、低云量呈年际变化“同位相”特征,表明特定区域大气环流背景下,北京及周边地区气溶胶变化对该地区低云量、雾日数的年际变化存在影响效应.进一步通过EOF模型特征分析,揭示出华北地区冬季日照时数减少、低云量和雾日数增多气候变化区及其长期演变趋势,尤其EOF模型第一特征向量中日照时数、雾日数及低云量变化显著区与其20世纪80~90年代偏差显著区近似重合,且这些变化特征显著区域均与北京周边南北向带状气溶胶光学厚度高值区及其高相关区呈对应关系;日照时数、雾日数、低云量EOF模型第一特征向量时间系数与区域平均气溶胶光学厚度年际变化呈“同位相”特征,且均呈长期演变上升趋势.EOF模型分析描述出北京南部周边地区冬季日照时数减少、低云量和雾日数增多的区域气候变化主体特征,揭示出区域气溶胶影响效应,即多年平均冬季气溶胶光学厚度高值区以及日照时数、低云量和雾日数EOF模型第一特征向量变化显著区均位于北京南部周边城市群落区域,上述相关分布特征揭示出北京南部周边城市群落影响域存在气溶胶气候效应区域性增强的变化趋势.     

珠江三角洲对流层气溶胶时空变化特征分析

利用AERONET资料对珠三角地区气溶胶物理性质特征进行分析,建立珠三角地区的气溶胶模型,在此基础上,根据RT3 辐射传输模型构建矢量查找表,采用多角度偏振方法从PARASOL L1B数据反演得到细模态气溶胶光学厚度(AOD),最后采用2007-2009年MODIS总的AOD产品和本文的细模态AOD三年的反演结果分析了珠三角地区气溶胶的时间变化和空间分布特征,为深入研究珠三角地区污染物的局地排放和输送提供了条件.结果表明:(1)珠三角地区对流层气溶胶呈双峰型对数正态分布,其中细粒子平均半径主要集中在0.05~0.1,标准方差以0.5、0.6为主,粗粒子平均半径以0.9、1.0为主,标准方差为0.6、0.7,复折射指数实部以1.4、1.5 居多,虚部以0、0.01为主,细粒子所占比例大于70%,珠三角气溶胶呈现出粗颗粒物和细颗粒物并存的特征;(2)PARASOL业务算法中的气溶胶模型在珠三角地区有较大的局限性,引入当地气溶胶模型使细模态AOD的反演精度较卫星产品有了很大提高,细模态AOD主要反映了珠三角地区二次污染的强度;(3)珠三角地区总AOD值春季较大,秋夏季次之,冬季较小,并呈现逐年较小的趋势;(4)珠三角地区细模态AOD也在逐年降低,2009年细模态AOD年均值比2007年低了0.02,在空间分布上,高值地区主要集中在广州、佛山、中山等城市.     

二氧化碳柱浓度的卫星反演试验及地基验证

基于最优估计理论,采用LBLRTM和VLIDORT辐射传输模式以及包含Line Mixing效应的aer_v_3.2数据库,构建了一套短波红外高光谱卫星反演XCO2的算法.利用该算法试验了Line Mixing效应对卫星反演结果的影响,对GOSAT卫星观测光谱数据进行了系统性试验反演,并利用选取的TCCON站点一年中的匹配观测资料进行了地面验证,同时与GOSAT卫星官方L2B产品进行了比对.试验表明,忽略Line Mixing将系统性低估约0.25%的CO2柱浓度.在气溶胶光学厚度小于0.3的大气条件下,本文反演算法反演结果与GOSAT官方数据产品精度接近,与地基观测值相差小于1%,而高浓度气溶胶背景下卫星反演CO2浓度的有效方法仍有待于突破.     

基于水分距平指数的2006年四川盆地东部特大干旱遥感响应分析

针对四川盆地东部的2006年特大干旱, 分析MODIS遥感观测资料对旱情的响应, 以探求区域干旱遥感监测的可操作性方案. 首先, 依据地面气象和水文观测初步估算了旱情的发展过程和空间分布范围, 利用MODIS产品计算了2001~2006年夏季每8天的地表水分遥感指数; 然后, 构造并计算了地表水分距平遥感指数, 用之检验了四川盆地东部特大干旱的遥感响应; 最后, 基于地表水分距平遥感指数分析了不同植被覆盖类型对干旱的敏感性. 研究结果表明: 该距平指数对水分盈缺敏感, 优于基于绝对含水量的遥感监测方法, 准确提取了四川盆地东部2006年特大干旱的时空格局, 重建了旱情的发展和消退历程, 同相关旱情统计比较吻合. 同干旱的地面监测比较, 该方法不仅考虑了局地需水持水特性, 而且克服了观测站点的空间代表性局限, 能快速提供区域旱情的详细空间分布, 因此为区域干旱的日常监测提供了一个具可操作性的实用方案.     

青藏高原地区气溶胶的时空分布特征及其辐射强迫和气候效应的数值模拟

利用美国的SAGEⅡ全球月平均格点卫星资料, 对青藏高原地区的大气气溶胶状况进行了分析. 分析表明高原上空平流层大气气溶胶的光学厚度在冬季最大, 春、秋季次之, 夏季最小, 存在明显的季节振荡现象. 然后利用MM 5模拟了气溶胶的辐射强迫状况, 结果表明, 相对于设置均一的背景气溶胶而言, 青藏高原地区的辐射强迫均为正值. 高原上地面土壤温度和地面气温均有所增加, 增加的量级相当, 但增幅略小. 高原上500 hPa处的气温也有所增加, 增幅比地面气温的增幅更小, 但仍处于同一个量级.