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.     

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.     

夏季华北地区二次气溶胶的模拟研究

通过模式结果与观测的NOx,CO,O3,NH3,HNO3,SO2和PM2.5的对比,说明CMAQ空气质量模式能够较好地模拟华北地区污染物的变化.同时,模式结果表明河北、河南和山东地区NH3的浓度较高,平均浓度为(30～35)×10?9.模拟试验的结果表明高浓度的NH3使得二次气溶胶中硫酸盐气溶胶生成效率提高了大约30%以上,特别是在邯郸、安阳和长治交界地区其作用更显著,达到了50%.而且,NH3还会增加二次气溶胶中含氮气溶胶和铵盐成分,二者的质量浓度和与硫酸盐气溶胶相当.北京地区边界层高度在白天较高,中午平均高度为1500m.这使得SO2,NH3和HNO3可以输送到边界层上部850hPa.硫酸盐、铵盐和硝酸盐分别在边界层上部和下部形成各自的高浓度区.由于PM2.5的寿命较长,因此它们可以被输送到对流层的中层,形成深厚的气溶胶层,构成了北京地区气溶胶的穹隆.模式结果表明:如要控制华北地区夏季大气中气溶胶的浓度,除了减少SO2和NOx的排放以及一次气溶胶的排放外,降低大气中NH3的排放也是有效办法之一.     

MODIS卫星遥感气溶胶产品在北京市大气污染研究中的应用

利用NASA MODIS气溶胶光学厚度产品与北京市空气污染指数做了长期比较分析, 发现二者的直接对比相关较低; 在引入季节变化的气溶胶标高、考虑了气溶胶的垂直分布后, 二者的相关系数有所提高; 在考虑了湿度影响因子订正后, 二者的相关系数显著提高. 证实卫星遥感气溶胶光学厚度在经过垂直和湿度影响两方面的订正后, 可以作为监测颗粒物污染物地面分布的一个有效手段. 利用 MODIS资料对2004年10月一次污染个例的分析, 表明卫星遥感气溶胶可以细致描绘地面污染事件的形成过程, 发现区域尺度输送和地形因素对北京市空气质量具有显著影响. 高分辨率的反演结果给出北京城区及周边地区气溶胶光学厚度的年平均分布, 表明高分辨率卫星遥感可能在监测颗粒物排放源分布上具有潜在的应用价值.     

北京亚微米气溶胶化学组分及粒径分布季节变化特征

本文利用气溶胶质谱仪（Q-AMS）对北京2008年不同季节（1,4,6和10月）亚微米气溶胶（PM1）特性进行观测实验.获得了PM1及其主要化学组分硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机物的质量浓度和粒径分布数据,总结了亚微米气溶胶化学组分和粒径分布的季节变化特征.研究表明,亚微米气溶胶质量浓度夏季最高,秋季最低.有机物浓度在四季中占PM1的份额（36%～58%）高于其他物种,四季中有机物在冬季浓度最高.硫酸盐、硝酸盐和铵盐平均浓度次之,三种物种在夏季浓度最高,其次为春季,秋冬季最低.利用主因子分析手段将有机气溶胶解析为碳氢类有机气溶胶（HOA）和氧化性有机气溶胶（OOA）两类.HOA浓度在冬季最高,占有机气溶胶总量的70%左右.OOA浓度在夏季最高,秋冬季较低.在四个不同季节主要化学组分质量浓度的日变化规律表现为夜间高,日间低的特点.HOA傍晚到夜间浓度变化幅度明显大于其他物种,其浓度在中午出现浓度峰值,可能与北京餐馆排放有直接关系.OOA以及硫酸盐、硝酸盐、铵盐和氯化物的日变化特点接近,早上9：00～13：00之间浓度出现上升趋势,午后有所下降.亚微米气溶胶主要化学组分粒径分布峰值均出现在500～600nm之间.有机物质量谱分布范围较其他物种宽,尤其是秋、冬季质量谱分布更宽.硫酸盐、硝酸盐和铵盐在春、夏、秋三季的平均粒径分布特点相似,而冬季谱分布较其他季节要宽,峰值粒径偏小.在粒径小于200nm的范围内,有机物占亚微米气溶胶总量60%以上,粒子越细,有机物占的份额越大,冬季有机物在观测粒径范围内占PM1的50%以上.春、夏、秋三季HOA在〈200nm粒径范围内占优势,而OOA则在〉300nm粒径范围内占有相对优势.     

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.     

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.     

基于PPDF方法的气溶胶散射效应参数化模型精度评估

本文讨论分析了O2-A带气溶胶散射效应的估算．利用基于等效理论的光子路径分布概率函数（PPDF）方法,将散射效应对大气有效透过率的影响参数化,通过模拟反演实验分析研究PPDF方法的有效性．首先利用正向模型模拟四种不同气溶胶模式分布情况下02-A带的卫星观测;然后利用非线性最优化迭代方法反演PPDF因子,利用反演得到的PPDF因子重构观测值,最后比对分析了重构观测值和模拟观测真值之间的差异．通过反演实验,验证了PPDF方法对于气溶胶散射效应估算的有效性;同时也表明02-A带可以作为痕量气体卫星遥感的一个有效辅助观测通道．     

基于实测PM_(2.5)、能见度和相对湿度分辨雾霾的新方法

霾是由于气溶胶增多或相对湿度增大引起气溶胶吸湿增长而导致的能见度降低的现象,而雾是气溶胶经过活化变成雾滴而造成的低能见度事件,在气象观测中如何对两者进行准确区分一直是一个存在争议的问题.本文以雾和霾在物理性质上的客观区别为基础,介绍了一种全新的基于实测PM2.5、能见度和相对湿度来分辨雾和霾的新方法.通过对当地历史观测的气溶胶谱分布数据进行拟合和统计,并结合气溶胶吸湿增长特性计算得到判别参考值.通过将实际测量的PM2.5、能见度和相对湿度与判别参考值相比对,来估计当前状况是雾或霾的概率.本方法可操作性强,基于常规观测仪器即可实现.     

沙漠地区光学散射非对称因子反演研究

沙漠具有较高的地表反照率和较广的面积分布, 是地球系统的重要组成部分之一, 了解沙漠地区地表散射的各向异性对于全球地表辐射和能量平衡研究非常重要. 多角度卫星遥感技术的发展为在区域尺度上反演沙漠地表散射各向异性提供了机会. 本文首先利用Hapke模型和模拟数据研究了多时相和单时相星载多角度传感器MISR数据反演非对称因子的精度, 在此基础上, 利用单时相MISR数据反演了我国西北沙漠地区典型地表的非对称因子, 并与实验室测试数据的反演结果进行了对比. 结果表明, 可以用单时相的MISR数据反演沙漠非对称因子. 对室内测试数据反演的非对称因子是正值, 为前向散射. 从遥感数据反演的非对称因子是负值, 为后向散射, 其大小与地表状况有关. 地表相对平坦的塔里木盆地东部楼兰地区具有较大的负非对称因子, 后向散射强; 而地表较为粗糙的库姆塔格沙漠沙丘的非对称因子为弱的负值, 不具有优先方位的散射. 就遥感数据来说, 地表越粗糙不一定后向散射越强, 今后在应用经验方法表征地表粗糙度时应慎重.     

东亚地区春季黑碳气溶胶源排放及其浓度分布

本研究收集整理了东亚地区一个黑碳气溶胶的排放源,并利用一个三维化学输送模式系统模拟研究了东亚地区春季黑碳气溶胶的输送和演变过程.黑碳气溶胶浓度的模拟值与地面观测站和观测船获取的监测值相比,模拟值与监测值具有良好的一致性,这表明本研究收集整理的黑碳气溶胶的排放量及其分布是基本合理的,模式系统较好地反映了黑碳气溶浓度的时空分布和变化趋势,再现了许多观测到的重要特征.模拟结果表明,东亚地区春季间隙性的长距离输送对于西北太平洋海域的黑碳气溶胶浓度分布具有非常重要的影响.     

多角度卫星遥感多阶段目标决策反演研究

利用小波变换, 对多角度卫星遥感图像进行多尺度分解, 在每一尺度上进行多阶段目标决策, 粗尺度的反演结果作为细尺度反演的先验信息, 反演逐步细化, 直到最初的观测尺度. 为实现多阶段目标决策反演策略应用于区域范围的卫星遥感反演实践提出了一种解决的方法. 利用MISR数据, 反演内蒙半干旱草场的植被结构参数, 初步验证表明该方法有效.     

FFIM用于机载大气激光雷达 ABCT反演的可行性研究

Fernald前向积分法能否用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数的反演一直是一个有争议的课题.本文利用青岛机载大气探测激光雷达实测数据、国外机载大气探测激光雷达实测数据和机载大气探测激光雷达模拟数据,对Fernald前向积分法应用于不同高度的机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演的误差进行了定量分析,分析结果表明:飞机的飞行高度在3.5 km左右,标定值存在20%的误差时,离地面2 km的高度范围内反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差在12%以内,但在标定点附近相对误差可达20%;飞机飞行高度在7 km左右,当标定值存在100%的误差时,反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差大都在10%~15%之间,标定值存在400%的误差时,反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差大部分在15%~50%之间.本文从理论上对Fernald前向积分法应用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演出现负值的原因进行了探讨.研究表明:Fernald前向积分法能够较准确地反演出中高空探测(4.5 km以上)机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数,但应用于低空探测(4.5 km以下)机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演时,反演误差较大甚至反演结果会出现负值.     

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.     

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.     

深圳大气PM_(2.5)来源解析与二次有机气溶胶估算

PM2.5是我国大气复合污染的关键污染物,随着新的国家空气质量标准的实施,PM2.5成为未来我国大气污染防控的重点对象.准确细致地掌握PM2.5的来源结构是有效防控PM2.5的前提条件,但全面系统的我国PM2.5源解析研究结果在国内外文献中却鲜有报道.研究基于2009年全年在深圳开展的PM2.5样品采集与分析,应用正向矩阵因子解析(PMF)模型对其主要来源及时空变化规律进行了解析,结果表明,深圳市区(大学城点)大气PM2.5年均浓度为42.2μg m-3,其中二次硫酸盐生成、机动车排放、生物质燃烧和二次硝酸盐生成是最主要来源,对PM2.5总质量分别贡献了30.0%,26.9%,9.8%和9.3%;高氯源、重油燃烧、海盐、扬尘和冶金工业分别贡献了PM2.5总质量的2%~4%.不同源贡献的时空变化规律显示,机动车排放主要为本地源,二次硫酸盐和生物质燃烧主要为区域源,而本地排放和区域传输对二次硝酸盐生成都有重要贡献.二次有机气溶胶(SOA)的识别一直是颗粒物源解析的难点,在本研究中结合了PMF模型与OC/EC比值法对PM2.5中SOA进行了估算,结果表明,深圳市区(大学城点)PM2.5中SOA年均浓度为7.5μg m-3,占有机物质量的57%,机动车排放是SOA前体物的最主要来源.研究可为国内今后更广泛深入地开展PM2.5污染与源解析研究提供相关案例借鉴.     

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.     

带先验约束的地表参数提取的有效反演方法

地球表面的各向异性特性可以用地表二向反射函数（BRDF）恰当地描述.BRDF的核心是利用线性核驱动模型,数学上表述为各向同性核、体散射核和几何光学核的线性组合.随着多角度遥感领域的发展,BRDF模型越来越被看作是可以反演重要的有关地表生物的或气候的参数,比如说叶面积指数和地表反照率.一个线性逼近的核驱动BRDF模型通常可以写成下述形式（Roujean等,1992）：fiso＋kvol（ti,tv,φ）fvol＋kgeo（ti,tv,φ）fgeo=r（ti,tv,φ）,其中r表示地表的二向反射;kvol和kgeo为通常所说的核函数,即为已知的入射和观测几何特性的函数,分别描述了体散射和几何散射（包括折射和反射）;ti是太阳方向天顶角,tv是观测方向天顶角;φ表示太阳-观测方向的相对方位角;fiso,fvol和fgeo为未知的待反演参数,可以用来拟合观测.计算过程的稳定性是由核矩阵的代数算子特征谱和观测噪音/误差来刻画的.因此为了计算地表反照率,成功反演模型参数是至关重要的环节.我们首先考虑了为计算BRDF模型反演的光滑解方法.业已知道,这是一个不适定的反问题.不适定性是由线性核驱动BRDF模型的欠定性表征的,比如说观测严重不足或观测方向范围有限,或者是观测数据高度线性相关以及噪音的污染等.例如,一次单角度观测可以导致一个欠定的系统（核算子的零空间含有非零向量）或者系统无解（系数矩阵的秩不等于增广矩阵的秩）.因此,光滑性或正则化技巧应当加以利用来压制不适定性.Li等（2001）应用先验知识把原始模型转换为一个超定的模型并求得最小二乘解.Pokrovsky等（2002）应用QR分解反演BRDF模型.Wang等（2007）考虑到了反演的正则化策略并提出了不适定地表参数反演的一个完整的正则化理论.在文中,强调从不同的空间添加先验信息于反演模型中.首先从数学物理的观点,第一次提出了?     

西太平洋海-气相互作用研究进展

主要对近十几年来我国在西太平洋海域海-气相互作用方面的研究成果作一简要回顾通过参与国际合作，我国在西太平洋海域已经获得大量观测资料，并在海气能量交换和物质交换方面取得了不少科研成果这些成果主要包括：（1）近中国海和热带西太平洋海域的海面动量、热量交换特征；（2）西太平洋及暖油海域的边界层特征；（3）海上气溶胶特性及分布规律；（4）热带西太平洋海-气二氧化碳交换。