O2-O2云反演算法及其在TROPOMI上的应用

利用遥感技术对大气环境污染进行监测时，云是影响痕量气体反演精度的重要因素，因此在痕量气体反演中需要对云的影响进行校正，通常使用的云参数主要是有效云量和云压。本文基于O₂-O₂ 477 nm吸收波段构建了O₂-O₂云反演算法：首先，根据有效云量和云高与连续反射率和O₂-O₂斜柱浓度之间的对应关系，结合假定的云模型利用VLIDORT辐射传输模型建立关于有效云量和云压的查找表；然后，通过差分吸收光谱技术拟合卫星载荷观测的大气层顶辐射，获得O₂-O₂斜柱浓度并计算连续反射率；最后，结合辅助数据，根据查找表进行插值反演获得有效云量和云压。通过将算法应用到OMI观测数据，将反演结果与OMCLDO2产品进行对比验证，有效云量和云压空间分布一致，相关系数R均超过0.97；并还将该算法应用于下一代大气成分监测仪器TROPOMI，与FRESCO+产品对比，有效云量和云压空间分布基本一致，当地表类型为海洋时，有效云量相关系数R大于0.97，云压相关系数R大于0.94，云压反演结果存在一定的区别；通过将O₂-O₂云反演算法和FRESCO+云压反演结果与CALIOP Cloud Layer产品进行对比，结果表明，在低云情况下，O₂-O₂云反演算法线性回归方程斜率为0.782，截距为198.0 hPa，相关系数R为0.850，算法表现优于FRESCO+。而在高云情况下，FRESCO+反演结果更接近CALIOP云压结果。在OMI和TROPOMI上的应用表明O₂-O₂云反演算法在大气云反演中具有较高的准确性和可行性，可以为大气痕量气体反演的校正提供云参数，并为中国同类型卫星载荷的云反演算法提供算法参考。     

高分五号大气痕量气体差分吸收光谱仪观测数据的火山喷发SO2总量反演

火山喷发产生的高浓度SO₂气体及其远距离输送会对全球气候变化和航空飞行安全产生重要影响。卫星遥感技术以大面积连续观测、高时空分辨率等优势成为大气SO₂监测的重要手段之一。作为中国第一颗紫外可见光波段的高光谱载荷,高分五号卫星大气痕量气体差分吸收光谱仪（GF-5 EMI）通过探测地球大气或表面反射、散射的紫外辐射来解析SO₂总量的分布和变化。本文首先基于大气辐射传输模型SCIATRAN,选择中低纬地区地表类型均一的海洋区域像元,模拟了典型大气条件下的晴空天顶反照率,用以评价EMI载荷天顶观测光谱的精度。其次,基于TROPOMI L1 Radiance辐亮度数据和DOAS反演原理,经477 nm O₄云筛选、光谱定标、慢变剔除、斜柱转垂直柱等步骤后,获得同一火山喷发区域的SO₂总量反演结果并与TROPOMI官方offline L2 SO₂产品进行对比分析。最后,利用GF-5 EMI UV-2通道观测数据,采用DOAS算法反演获得GF-5 EMI大气SO₂总量,并将反演结果与国际同类载荷S5P/TROPOMI SO₂总量结果进行比较分析,评判GF-5 EMI在全球火山活动SO₂变化监测方面的能力。结果显示,300—400 nm波段范围内,海洋区域采样点EMI观测光谱值低于SCIATRAN模拟光谱值,EMI与TROPOMI观测光谱呈现出相似的系统性偏差。基于高空间高光谱分辨率的TROPOMI L1 Radiance辐亮度数据、315—327 nm、325—335 nm和360—390 nm共3个波段窗口、以及上述DOAS反演原理获得的SO₂结果与TROPOMI官方发布的offline L2 SO₂产品结果相关性较高,两者的相关系数可达到0.97—0.99,相对偏差在3%—9%。GF-5 EMI能够获取火山喷发SO₂排放的时空分布特征,并与国际同类载荷TROPOMI反演结果具有较高的空间一致性,能够满足全球火山喷发监测、预警及其气候影响研究的应用需求。     

基于卫星遥感的近地面PM2.5浓度反演进展

细颗粒物PM_2.5（Fine Particulate Matter）是影响空气质量和公共健康的关键因素之一。高时空分辨率的PM_2.5数据是公共健康风险评估和流行病学研究的基本需求。相较于地面站点,卫星遥感技术具有连续观测、宽覆盖和低成本的优势,基于卫星气溶胶光学厚度AOD（Aerosol Optical Depth）反演PM_2.5质量浓度的方法已成为热点。本研究概述了卫星AOD产品反演PM_2.5浓度的原理,介绍了用于PM_2.5反演的主要卫星AOD产品及其反演精度;总结了现有的PM_2.5估算方法及其优缺点,指出目前PM_2.5反演研究存在的问题;提出未来PM_2.5反演方向主要集中在高时空分辨率的PM_2.5浓度重建、基于激光雷达数据的三维PM_2.5浓度反演及PM_2.5化学组分反演等方向。比例因子法、物理机理模型和统计模型这3种方法都能在不同时期不同程度地准确估算PM_2.5浓度,代表了那个时期较为前沿的研究热点,但比例因子法和物理机理模型因其自身的局限性而应用较少,而统计模型因其独特的时间或时空异质性的可描述性和强大的非线性描述能力的优势而被广泛应用并不断改进。目前PM_2.5反演研究存在的问题主要有3种：（1）卫星AOD的非随机缺失问题造成估算的PM_2.5数据缺失;（2）反演模型的精度问题;（3）PM_2.5的化学成分估算问题。基于此,本文为了准确揭示近地面PM_2.5的时空变化趋势,提高基于卫星AOD产品的近地面PM_2.5反演研究的准确性,提出了几点未来的研究方向：首先,新型的高空间（如风云四号、高分五号）、高时间分辨率（Himawari-8/9）卫星AOD产品在PM_2.5的精细化估算研究上具有很大优势,这对于高时空分辨率的PM_2.5浓度重建具有重要意义;其次,随着大气探测技术的发展,星载、机载及地基激光雷达都能够获取垂直分布信息,搭载在无人机上的颗粒物传感器可实现PM_2.5垂直方向上的监测,将其与光学遥感卫星数据及地面监测数据结合,可实现三维的PM_2.5浓度反演;最后,PM_2.5化学组分信息对于分析污染成因、暴露特征等尤其重要,其时空变化趋势研究是一个重要的发展方向,然而,地面PM_2.5组分观测站网仍不完善,如何克服卫星遥感估算中对地面站网的依赖,实现PM_2.5化学成分的高精度反演需要进一步研究。通过本研究,有助于进一步了解不同PM_2.5估算方法的原理机制及其优缺点,为基于卫星AOD产品反演近地面PM_2.5浓度的新的发展方向提供启示,提升近地面PM_2.5浓度反演的精度及时空分辨率。     

高分五号大气痕量气体差分吸收光谱仪对流层NO2柱浓度遥感反演研究

搭载于“高分五号”（GF-5）卫星上的痕量气体差分吸收光谱仪（EMI）是一台星下观测的高光谱载荷,测量紫外和可见光光谱范围的地球后向散射辐射,设计用于大气痕量气体的探测。本研究基于EMI在VIS1通道的实测光谱,利用差分光学吸收光谱（DOAS）方法进行了对流层NO₂柱浓度反演,展示了基于EMI载荷的对流层NO₂柱浓度反演结果,与同类载荷产品进行交叉验证,并利用地基观测结果进行了地基验证。研究表明,EMI反演结果与OMI、TROPOMI具有较好的空间分布一致性和较低的相对偏差,与TROPOMI具有较好的时间变化一致性。地面验证结果表明EMI NO₂反演结果具有较高的精度。本研究证明了EMI在全球NO₂监测方面的能力,可以为中国后续污染气体探测载荷的设计和反演算法的开发提供参考。     

北京地区气溶胶粒径尺度谱与PM2.5浓度转换模型研究

大气细颗粒物（PM_2.5）质量浓度是重要的空气质量指标之一。为了促进区域PM_2.5浓度监测的研究，同时拓展利用CE318太阳光度计等光学传感器反演的大气气溶胶产品的应用领域，本文首先基于北京地区2014年—2017年大气气溶胶反演的粒径尺度谱分布产品，计算表征PM_2.5的粒子体积，并结合同一时间北京地区35个空气质量站点提供的PM_2.5质量浓度参考值计算转换系数，对样本区间进行划分以构建转换模型。其次，利用各CE318站点数据所得转换系数及其相对精度，对研究区PM_2.5质量浓度估算误差空间分布，以及转换系数偏差对估值误差贡献情况进行评价。研究结果表明，由CE318站PM_2.5粒子体积与其临近空气质量站PM_2.5质量浓度联合建立的转换系数是一种与气溶胶理化属性密切相关的参数指标，可将时间和空间维度上PM_2.5体积与PM_2.5质量浓度之间的关系映射到由理化属性主导的维度上，可用于对估值模型进行细化和分类，构建分段转换函数模型，使得各分段区间内具有较高的模型拟合精度。基于转换系数的北京地区PM_2.5浓度估值的相对误差多年均值介于12.8 %—28.7 %，而转换系数相对偏差对PM_2.5质量浓度估值相对误差的影响显著，二者之间具有“r”型结构。当转换系数相对偏差介于-16.3 %至24.5 %时，该偏差的出现概率约为66.5 %，使得PM_2.5质量浓度估值误差在20 %以内，表明采用此种方法对相应站点的PM_2.5质量浓度进行估值具有相当的精度和稳定性。以上研究结果可为地面观测站稀少区域利用卫星光学遥感开展空气质量大范围监测应用提供理论前提和技术支持。     

利用走航式数据对南大洋大气CO2廓线遥感反演

利用中国第24次南极考察期间获取的南大洋上空走航式大气CO₂数据和大气红外探测器(AIRS)探测的辐射率, 进行基于纬度分类下的统计回归, 其结果作为物理反演的初始猜测场。通过逐线积分辐射传输模式, 利用AMSU大气温度廓线和AIRS中13个通道的辐射测值反演南大洋上空的大气CO₂浓度廓线, 与WDCGG提供的固定站点下的大气CO₂浓度进行比较, 反演精度随纬度的变化而变化, 从低纬到高纬相对误差分别为0.31%、1.17%、2.63%。与同期国外卫星产品CO₂/AIRS比较, 相对误差为1.11%、1.07%。     

北京城市下垫面大气CO2反演算法

大气温室气体监测仪GMI（Greenhouse gases Monitor Instrument）是高分五号（GF-5）卫星载荷之一，主要用于全球温室气体含量监测和碳循环研究。高精度反演是卫星大气CO₂遥感的基本需求。地表反射率影响卫星遥感辐射量及辐射传输过程中的地气耦合过程，严重制约着CO₂的反演精度，针对GMI开发高精度的大气CO₂反演算法，地表反射是一个需要重点考虑的因素。城市是CO₂重要的发射源，且城市下垫面存在明显的二向反射特性，加上城市大气条件不良，复杂的地气耦合效应存在这都考验反演算法的准确性和鲁棒性。本文针对北京城市地区，利用2011年—2016年共5年的MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）地表二向反射分布函数BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）数据，构建了适合利用单次观测数据反演的BRDF模型，并提出一种同时反演地表BRDF参数和大气CO₂含量的算法。结果表明在550 nm波长处气溶胶光学厚度AOD（Aerosol Optical Depth）小于0.4时，大部分GMI模拟数据的反演误差控制在0.5%（~2 ppm）内。利用GOSAT （Greenhouse gases Observing SATellite）实测数据的反演结果与修正后的日本国立环境研究所NIES（National Institute for Environmental Studies）反演结果进行对比，其平均误差为1.25 ppm，相关性达到0.85。本算法满足GMI数据在北京城市区域高精度CO₂反演的需求，并使得反演高值气溶胶区域数据成为可能，增加了GMI观测数据的利用率。     

非球形冰晶的毫米波k-Ze关系研究

针对毫米波雷达处理数据的实际需要,应用离散偶极子近似法DDA,获得了非球形冰晶的后向散射及衰减截面并进行了参数化,并主要基于细化的冰云模型,假设冰晶粒子谱为Γ分布,通过模拟取样各1330次（代表1330种粒子分布）,分别计算得到了W波段（94 GHz）与Ka波段（35 GHz）毫米波雷达探测的冰云衰减系数k及雷达反射率因子Z_e,而且利用数值模拟的方法,建立了k-Z_e关系的具体表达式。计算表明,非球形和非瑞利散射对W波段毫米波雷达衰减的影响较大,而且在同样滴谱分布条件下,W波段毫米波雷达的衰减比Ka波段毫米波雷达的大几倍,此外细化的冰云模型对k-Z_e关系具有影响。本研究对中纬度非降水性冰云的毫米波雷达的衰减订正具有参考价值,并对中国的毫米波雷达应用具有借鉴作用。     

基于OMI的亚洲地区对流层NO2高分辨率反演产品POMINO v2.1及其与其他产品的定量对比

对流层二氧化氮（NO₂）是一种重要的痕量污染气体。现有基于OMI卫星探测器、覆盖亚洲地区的NO₂公开产品QA4ECV、OMNO2和POMINO受到广泛使用,然而对于这3个产品的差异的定量认识仍然不足。我们将前期开发的POMINO产品进行了改进和优化,更新至v2.1并将反演区域扩大至覆盖东亚、东南亚和南亚大部分地区,随后定量分析了QA4ECV、OMNO2 v4和POMINO v2.1对流层NO₂垂直柱浓度在2015年—2020年在不同采样条件下的异同。结果显示,POMINO版本的更新对自身NO₂柱浓度反演结果的整体影响较小（<10%）。当3个产品均基于POMINO v2.1进行一致采样时,产品之间在整个亚洲区域的平均差异约为10%,在京津冀等污染地区的差异最高可达40%。3个产品均显示,京津冀地区NO₂柱浓度在五年间下降了约30%,而长三角地区的变化趋势较小。当3个产品进行分别采样时,POMINO v2.1的有效数据量比其他两个产品增加了11%—44%,特别是更好地保留了重污染情形下的NO₂数据,从而降低了采样引起的对NO₂污染水平的系统性低估。本研究对于NO₂卫星产品差异的定量分析有助于认识氮氧化物污染状况以及排放和影响评估。     

利用遥感数据评价燃煤电厂空气质量

卫星观测数据可以评价燃煤电厂的空气质量等级。NO₂、SO₂ 和烟尘是燃煤电厂排放的主要污染物,本文利用卫星遥感观测的NO₂、SO₂和气溶胶光学厚度AOD(Aerosol Optical Depth)开展燃煤电厂空气质量评价。以中国华北地区为实验区,分析对比了3种污染物不同时间分辨率和空间分辨率的污染状况,确定了单因子的5级分级标准,根据燃煤电厂排放污染物的权重不同,提出了评价近地表空气质量状况的模型。本文综合考虑3种污染因子来反映电厂空气质量,有利于提高评价的准确性以及反应信息的全面性。结果表明,该模型能正确反映不同地区电厂的空气质量特点。     

GOSAT卫星数据监测中国大陆上空CO2浓度时空变化特征

中国地区大气CO2浓度对全球气候变化有重要的影响。本文基于日本GOSAT卫星短波红外CO2的长期观测数据,对2010年-2016年中国大陆上空CO2浓度的分布特征和变化趋势进行分析研究。利用高精度的地基TCCON站点CO2观测对GOSAT CO2数据进行精度验证,结果表明,GOSAT CO2具有较高的精度,相对TCCON CO2的偏差为-1.04±2.10 ppm,两者的相关系数高达0.90;利用中国地区7年的GOSAT CO2观测数据分析研究显示,CO2浓度高值主要分布在中国的浙江-江苏-安徽地区、京津冀地区和湖南-湖北-河南-陕西地区;截至2016年,中国大部地区CO2浓度超过400 ppm;中国大陆CO2平均浓度呈现明显的逐年增长趋势,从2010年的387.76 ppm增长到2016年的402.18 ppm,年增长率约为2.31 ppm/a,略高于同期全球平均水平。     

Increased accuracy of geostatistical prediction of nitrogen dioxide in the United Kingdom with secondary data

Five techniques were used to map nitrogen dioxide (NO₂) concentrations in the United Kingdom. The methods used to predict from point data, collected as part of the UK NO₂ diffusion tube network, were local linear regression (LR), inverse distance weighting (IDW), ordinary kriging (OK), simple kriging with a locally varying mean (SKlm) and kriging with an external drift (KED). These techniques may be divided into two groups: (i) those that use only a single variable in the prediction process (IDW, OK) and (ii) those that make use of additional variables as a part of prediction (LR, SKlm and KED). Nitrous oxides emission data were used as secondary data with LR, SKlm and KED. It was concluded that SKlm provided the most accurate predictions based on the summary statistics of prediction errors from cross-validation.     

CO2 concentration and its spatiotemporal variation in the troposphere using multi-sensor satellite data,carbon tracker,and aircraft observations

Satellite-based atmospheric CO₂ observations have provided a great opportunity to improve our understanding of the global carbon cycle. However, thermal infrared (TIR)-based satellite observations, which are useful for the investigation of vertical distribution and the transport of CO₂, have not yet been studied as much as the column amount products derived from shortwave infrared data. In this study, TIR-based satellite CO₂ products – from Atmospheric Infrared Sounder, Tropospheric Emission Spectrometer (TES), and Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observation – and carbon tracker mole fraction data were compared with in situ Comprehensive Observation Network for Trace gases by AIrLiner (CONTRAIL) data for different locations. The TES CO₂ product showed the best agreement with CONTRAIL CO₂ data resulting in R² ~ 0.87 and root-mean-square error ~0.9. The vertical distribution of CO₂ derived by TES strongly depends on the geophysical characteristics of an area. Two different climate regions (i.e., southeastern Japan and southeastern Australia) were examined in terms of the vertical distribution and transport of CO₂. Results show that while vertical distribution of CO₂ around southeastern Japan was mainly controlled by horizontal and vertical winds, horizontal wind might be a major factor to control the CO₂ transport around southeastern Australia. In addition, the vertical transport of CO₂ also varies by region, which is mainly controlled by anthropogenic CO₂, and horizontal and omega winds. This study improves our understanding of vertical distribution and the transport of CO₂, both of which vary by region, using TIR-based satellite CO₂ observations and meteorological variables.     

Impact of land-cover layout on particulate matter 2.5 in urban areas of China

ABSTRACT

Urbanization in China is closely connected with ambient particulate matter 2.5 (PM_2.5). However, the potential for altering PM_2.5 through the urban landscape characteristics is uncertain. In this study, we analyzed the urban PM_2.5 pollution situation for 2014–2016 and investigated the impact of landscape factors on urban PM_2.5 in China at the city level. All the prefecture-level cities were stratified by urban population size into small (<500,000), medium (500,000–1,000,000), and large (>1,000,000), and the other second-level administrative cities were assigned as ‘other’ cities. The multivariate regression model including both urban landscape factors and social-economic variables explained 70.0%, 32.8%, 19.2%, and 12.4% of the arithmetic mean PM_2.5 concentration (AMC-PM_2.5) for the other, small, medium, and large cities, respectively. With regard to the configuration of land cover, agricultural activity is a major contributor of PM_2.5 pollution, for which the explanatory power ranged from 7.6% (for the large cities) to 64% (for the other cities). In addition, grassland aggregation also has a limited but negative effect on urban PM_2.5 pollution, despite the negligible effect on dry deposition. Overall, these findings likely reflect the interaction between urban air quality and urbanization, and will have implications for air quality control strategies.     

短波红外CO2反演过程约束研究及初步反演结果

短波红外通道卫星CO2遥感是近年国际研究热点。首先,开展了卫星观测对气溶胶及大气温度的敏感性研究;其次,针对基于最优化理论的非线性迭代反演方法反演过程中的不收敛问题,提出了修正的阻尼牛顿方法(MDNM),并利用模拟数据评估了MDNM方法的有效性;最后,利用GOSAT卫星数据反演CO2的垂直混合比浓度,并与地基TCCON站点数进行比对。研究结果表明:短波近红外CO2卫星遥感受气溶胶散射及温度影响明显;通过地基比对初步验证了MDNM具有良好的精度,两者的相关性R2达到了0.729。     

GPS动态定位数据处理模型的比较研究 (英文)

The characteristics of three GPS kinematic data processing models, Least Squares （LS）, Kalman filtering and filtering are discussed and their advantages and disadvantages are compared. With observational data and pertinent data processing software, the applicable condition, context and effect of the three models are experimented. Results show that when the mobile platform is in uniform motion, the accuracy of the three models are almost equal; when the mobile platform is in stochastic acceleration, the accuracy of H∞ filtering model is superior to that of LS, while that of Kalman filtering is the worst.     

NPP卫星VIIRS微光资料反演夜间PM2.5质量浓度

为研究城市夜间PM_(2.5)质量浓度,利用NPP卫星上可见光红外成像辐射套件(VIIRS)DNB通道的微光辐射数据,以辐射传输理论为基础,建立了夜间城市灯光辐射强度与地面表层PM_(2.5)质量浓度的关系,并基于支持向量机方法建立了夜间城市PM_(2.5)质量浓度反演模型。以北京市作为研究对象,选取2015-03—2015-05期间无月、无云且晴朗夜空条件下4个PM_(2.5)监测站点的微光辐射数据与时空匹配的PM_(2.5)质量浓度数据对模型进行验证。研究结果表明:夜间城市灯光辐射强度与地面表层PM_(2.5)质量浓度呈现负相关性,相关系数最高的定陵站点达到–0.83。基于支持向量机方法建立的PM_(2.5)反演模型获得的PM_(2.5)质量浓度与实际PM_(2.5)质量浓度的相关系数达到0.95,反演结果较优,为进一步大范围监测PM_(2.5)质量浓度空间分布以及改善城市夜间空气质量状况评估方法提供了可行性参考。     

G0分布下基于白化滤波的极化SAR图像CFAR检测

在已有的极化合成孔径雷达(PolSAR)图像恒虚警(CFAR)检测方法中,存在着高分辨下杂波模型适用性差的难题。为解决此问题,提出了一种G_0分布下虚警概率具有闭合解析表达形式的CFAR检测方法,并定义虚警损失率(CFAR Loss, C_L)参数用以量化评估CFAR检测方法的恒虚警保持效果。首先,在乘积模型框架下,引入了逆Gamma纹理变量假设,推导出了多视极化白化滤波(MPWF)检测量的概率密度函数(PDF)。然后,对MPWF检测量的概率密度函数积分得到了虚警概率关于CFAR检测阈值的解析表达式,并设计了相应的CFAR检测流程。最后,采用仿真数据和AIRSAR实测数据对已有方法和新方法进行了算法运行时间、检测量拟合性能及目标检测性能对比。实验结果表明,方法运行时间比已有方法缩短3至30倍,具有良好的实时性;日本玉野地区的AIRSAR实测数据结果表明G_0分布对高分辨不均匀海区具有良好的拟合性能,且新方法在G_0分布和非G_0分布海区均能有效检测出目标,鲁棒性较强,相比其他检测方法品质因数(FoM)平均高出15.78%;C_L分析结果表明新方法具有良好的恒虚警保持性能,同时指出杂波对数累积量散点距离G_0分布曲线越近,新方法的恒虚警保持效果越好。