臭氧卫星遥感六十年进展

臭氧已成为中国继PM_2.5之后多地的首要污染物,臭氧污染防治是中国“十四五”及未来大气污染防治的重点。本文回顾了近60年来国内外臭氧卫星观测方面的主要进展,包括卫星探测载荷和臭氧相关的反演应用技术等,分为3个阶段总结了卫星载荷天底、临边和掩星3种探测方式的发展历程。臭氧卫星遥感反演算法和监测应用也随着载荷的发展在不断更新,本文重点介绍了臭氧柱总量和垂直廓线卫星遥感反演算法、近地面臭氧及其前体物观测、平流层臭氧入侵观测和区域传输、臭氧卫星观测数据的精度验证等方面的重要进展。对比国际臭氧卫星遥感监测,中国臭氧监测卫星发展滞后,虽然国家民用空间基础设施规划中陆续发射的高光谱观测卫星、大气环境监测卫星具有初步的臭氧监测能力,但在卫星载荷在功能、性能等方面还有不小差距,比如空间分辨率、信噪比等方面。在算法反演和监测应用方面,目前臭氧柱总量反演精度较高,还存在对流层中低层和近地面臭氧浓度反演精度不够,臭氧污染评估及成因分析不足,如近地面臭氧污染迁移转化过程、平流层臭氧侵入识别分析等问题,是下一步要重点关注的方向。     

大气臭氧总量与吸收性气溶胶指数的关系

吸收性气溶胶指数AAI(Absorbing Aerosol Index)是基于卫星观测的紫外后向散射辐射导出的参数,与大气中对紫外线有吸收作用的气溶胶(简称吸收性气溶胶)有关,能够定性反应吸收性气溶胶的存在与空间分布特征。由于臭氧在AAI反演波段对紫外线仍然存在弱吸收作用,因此AAI可能与大气臭氧总量有关,臭氧反演的误差也可能对AAI的反演精度造成影响。为了研究臭氧总量与AAI的关系,臭氧反演的精度对AAI反演的影响,利用辐射传输模型通过敏感性实验,来模拟吸收性气溶胶指数和臭氧总量之间的关系,臭氧反演误差对吸收气溶胶指数的反演的影响。采用沙漠气溶胶,不改变气溶胶的含量,通过改变中纬度夏季的臭氧总量来计算大气模型。对臭氧总量、气溶胶含量与AAI的内在关系,臭氧总量对AAI反演精度的影响进行了模拟,模拟结果表明,气溶胶指数与臭氧总量的改变存在正相关关系,而臭氧总量的反演误差对AAI指数的反演影响不大。基于风云三号气象卫星紫外臭氧总量探测仪(FY-3/TOU)的臭氧总量和吸收性气溶胶指数数据(2012年),分析了青藏高原地区7月份臭氧总量与吸收性气溶胶指数空间分布特征的关系,与模拟结果一致。     

河南省夏季臭氧生成敏感性及其驱动因素分析

明确当地臭氧生成敏感性变化的主控因子是制定有效臭氧污染控制策略的前提。采用卫星观测OMI FNR（Ratio of the tropospheric columns of Formaldehyde to Nitrogen dioxide,HCHO/NO₂）指示剂将河南省夏季臭氧生成敏感性OFS（Ozone Formation Sensitivity）划分为VOCs控制区、协同控制区和NOx控制区。基于地理探测器,量化气象条件、人为源前体物及其交互作用与OFS的关系。研究揭示：（1）河南省夏季OFS以协同控制区为主,区域内臭氧污染严重,仅次于VOC_S控制区。2005年—2015年,FNR值波动下降,OFS向协同控制区转变,主要受NO_X减排的影响。2016年之后,FNR值变大,OFS有向NO_X控制区转变的趋势。（2）人为源排放是OFS变化的主要驱动因子,平均可解释FNR变化的40.5%（q＝0.405）。若CO、PM_2.5、NOx和非甲烷挥发性有机物NMVOC（Non-methane Volatile Organic Compounds）的排放量增加,FNR减小,河南省夏季OFS向VOCs控制区转变,对NOx减排的敏感性降低。（3）地表净太阳辐射SSR（q＝0.321, Surface net Solar Radiation）和大气柱总水量TCW（q＝0.302, Total Column Water）是河南省夏季OFS变化的主要气象驱动因素。SSR增加,FNR减小,使臭氧生成对VOCs更加敏感。TCW对OFS变化的影响较为复杂,当TCW<40 kg/m²时,TCW增加,FNR减小,臭氧生成对VOCs更加敏感;当TCW>40 kg/m²时,TCW增加,FNR增大,臭氧生成对NOx更加敏感。（4）因子间的交互作用对OFS空间分布的驱动大于单一因子的独立作用,人为源前体物和气象因子的交互作用占主导地位。研究结果可加强对臭氧生成光化学过程的认识,为制定合理的污染减排措施提供依据。     

BP神经网络的近地面臭氧估算及时空特征分析

近年来,中国东部城市光化学烟雾污染频繁发生,臭氧（O₃）作为光化学烟雾的标志性污染物日益成为影响城市或区域大气的首要污染物。为探究京津唐地区近地面臭氧污染特征及时空变化趋势,本文基于前馈（BP）神经网络,结合地面监测站点臭氧浓度数据、卫星遥感臭氧柱总量数据与气象站点气象要素数据的非线性关系建立近地面臭氧浓度反演模型,并对近地面臭氧时空分布进行分析。结果表明：评价模型可靠性的决定系数R²为0.888、RMSE为10.742、MAE为9.596,建立的BP神经网络模型精度较高;2016—2019年京津唐臭氧年平均浓度呈现增加趋势;四季中,京津唐夏季臭氧浓度最大,冬季最小。研究结果为近地面臭氧估算提供了技术参考,同时对环境监测具有重要的现实指导意义。     

一种Aura卫星遥感臭氧产品的修复方法

遥感臭氧产品对于监测大气臭氧的时空分布及变化规律十分重要。然而,搭载于Aura卫星上的臭氧监测仪器提供的臭氧总量产品OMTO3e（ozone monitoring total ozone level 3 expanded）,自2006年末开始出现信息缺失问题,每个数据的缺失区域占到三分之一甚至更多,严重阻碍了该产品的正常使用。根据OMTO3e数据的特点,针对包括中国大陆的矩形区域提出了一种时相拟合法来进行缺失数据的修复。该方法考虑多个时相的空间信息,首先选取参考像元,然后利用参考像元求得回归关系,并通过加权求和得到缺失数据的预测值。模拟实验和真实实验证明,相对于传统方法,所提方法具有更高的修复精度。     

北极臭氧年际变化特征及其与极涡的关系

利用风云三号卫星搭载的紫外臭氧总量探测仪(TOU)和国际同类卫星的臭氧总量数据对1979年—2011年北半球春季臭氧特征进行了分析,发现北极臭氧年际变化显著,它与平流层温度变化一致(相关系数为0.75)。北极臭氧损耗异常强弱年的月均和日变化特征有明显差异,春季北极臭氧损耗强年有明显的化学损耗过程(1997年和2011年),而弱年化学作用影响不明显(1999年和2010年)。损耗弱年的日变化型在不同年份特征不同,它的臭氧变化可能更多受天气过程的影响。综合分析北极涛动、极涡和平流层温度等大气环流背景场的变化,表明春季北极臭氧损耗强弱受大气环流变化影响。北极涛动指数正位相,极涡偏强偏冷,北极臭氧损耗异常偏高。北极涛动指数负位相,极涡偏弱偏暖,北极臭氧损耗异常偏低。     

AIRS/TOVS/TOMS反演的臭氧总量的对比分析

本文利用2003-2005年的AIRS(Atmospheric Infrared Sounder),TOVS(The TIROS Operational Vertical Sounder)和TOMS(Total ozone mapping spectrometer)卫星资料反演的大气臭氧柱总量分析了全球范围内大气臭氧的分布和变化特征.北半球大气臭氧柱总量有明显的季节变化,在春季达到最大值约为322.25DU,秋季达到最小值约为277.83DU,变化幅度约为45DU,南半球季节变化不明显;大气臭氧柱总量有明显的纬度变化,低纬度地区臭氧柱总量较低,基本维持在250-270DU,高纬度地区臭氧柱总量较高,北半球中高纬地区平均约为294DU,南半球中高纬地区平均约为279DU.几种反演结果的对比分析表明,AIRS的全球(60°N-60°S)平均臭氧柱总量的值比TOVS和TOMS的值高大约3-5DU.其反演值在南极大陆和沙漠地区出现异常.与地基观测资料相比较,AIRS和TOMS反演值与地面站观测值之间具有一致的变化趋势,并存在较好的相关性.     

An asynchronous Geoprocessing Workflow and its application to an Antarctic ozone monitoring and mapping service

The integration of Sensor Web Enablement services with other Open Geospatial Consortium (OGC) Web Services as Geospatial Processing Workflows (GPW) is essential for future Sensor Web application scenarios. With the help of GPW technology, distributed and heterogeneous OGC Web Services can be organized and integrated as compound Web Service applications that can direct complicated earth observation tasks. Under the Sensor Web environment, asynchronous communications between Sensor Web Services are common. We have proposed an asynchronous GPW architecture for the integration of Sensor Web Services into a Web Service Business Process Execution Language workflow technology. We designed a Sensor Information Accessing and Processing workflow, an asynchronous GPW instance, to take an experiment of observing and mapping ozone over Antarctica. Based on our results, our proposed asynchronous workflow method shows the advantages of taking environmental monitoring and mapping tasks.     

浅析数字化测绘与信息化测绘的关系

信息化测绘是在数字化测绘的基础上发展起来的,二者既有联系又有区别.为了从概念和形式上解数字化测绘和信息化测绘的异同,从测绘信息获取与处理、信息产品形式和存储方式,以及测绘产品服务保障的不同侧面进行分析,试图从测绘生产、测绘产品及服务的全过程描述信息化测绘的优势和特点,从而加深对信息化测绘的认识,明确信息化测绘发展所需的技术支撑条件,了解信息化测绘在实时化服务方面的本质特性.     

恶意软件的特征、危害性及其防范与清除方法

恶意软件已成为社会公害,其泛滥是继网络病毒、垃圾邮件后互联网世界的又一个全球性问题。本文简要介绍了恶意软件的特征及其危害性,指出了防范恶意软件的一些具体措施,列举了清除恶意软件的常用方法。     

数字地面模型(DEM)和正射影像(DOM)的设计与实施

从1:2000比例尺数字地面模型(DEM)和1:2000比例尺正射影像(DOM),设计与实施过程入手,系统的阐述了数字地面模型(DEM)和正射影像(DOM)的设计与实施过程和方法。成果的精度经全野外实地全站仪检测比较,符合成图的精度要求,结论认为这项成果能够广泛应用于测绘生产中应用。     

我国导航与位置服务的进展及思考

导航与位置服务是继移动通信、移动互联网之后又一发展非常迅速的新兴信息产业。本文首先详细分析了导航与位置服务产业的发展现状及其特点，探讨了导航与位置服务产业链及其产业布局的构成。然后，根据该产业的特点，进一步阐述了导航与位置服务产业发展的前沿技术及趋势；这些前沿技术涉及协同精密定位、社会感知与计算、与5G相融合的通导一体化、与无人机器人相融合的智能导航等。最后，以服务于国家现代化发展重大需求为导向，给出了我国导航与位置服务产业发展的一些思考，主要包括关键技术推广、人才培养、重大战略规划、核心芯片与软件平台、标准制定等5个方面。