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。     

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.     

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。     

利用卫星测高数据研究ENSO现象

利用卫星测高数据提取赤道太平洋地区海平面的年际变化序列,以及南方涛动指数SOI和MEI指数研究了2005—2014年10年间ENSO现象和该地区海平面变化。证明赤道太平洋地区海平面变化与ENSO现象密切相关,尤其是在厄尔尼诺和拉尼娜事件发生期间,可作为研究ENSO现象的特征指标。并根据卫星测高数据计算的赤道太平洋地区海平面月变化异常图分别研究了2009—2011年先后发生的厄尔尼诺和拉尼娜事件的变化发展过程。     

利用GNSS掩星数据分析ENSO期间

厄尔尼诺-南方涛动事件(ENSO)会引起全球大气压强的异常变化. 应用2006年至2008年期间全球导航卫星系统(GNSS)掩星数据,采用几何光学反演法计算地面高度2 km处的大气压强变化,将厄尔尼诺期间(2006年12月)、拉尼娜期间(2007年12月)与正常年份(2008年12月)之间的全球大气压强求差,分析大气压强变化. 实验结果表明,利用GNSS掩星数据通过绘制全球范围某一高度的大气压强变化剖面图,可以直观地展现出ENSO期间的大气压强变化,为相关的气候变化研究提供便利参考条件.      

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。     

基于OMI卫星数据的对流层O_3柱总量时空分布特征分析

利用OMI卫星数据分析了2008-2017年全球及我国O_3柱总量浓度空间分布特征和长时间序列变化,总结了地形、人口密度、城市扩张和前体物NO2等因素对中国地区O_3柱总量浓度产生的影响。结果表明,全球O_3柱总量高浓度区主要位于中低纬度且季节性差异十分显著,冬季的含量相对较低,夏季的含量相对较高。中国地区由于独特的地形条件、渐增的人口数量和稳步增长的经济发展趋势,中国O_3柱总量浓度具有东南高西北低的分布格局,且含量在逐年降低。通过对流层NO2浓度与O_3柱总量浓度的拟合结果发现,前体物NO2对O_3的生成和分布具有重要影响。     

利用COSMIC掩星资料分析南极地区对流层顶变化

利用2011年全年的南极地区的COSMIC掩星资料,反演了大气温度剖面,进而提取对流层顶参数(温度和高度),定量分析了南极地区对流层顶的时空变化特征。在南极地区,温度递减率对流层顶比最冷点对流层顶更准确,且掩星反演法与臭氧、无线电探空仪等结果基本一致。南极对流层顶整体表现为位相相反的一波结构,温度变化范围为200~230K,高度变化范围为9~11km。南极地区对流层顶在冬季和春季"消失",在夏季和秋季出现逆温层。南极地区对流层顶温度在冬季和春季表现出明显的梯度特征,纬度方向上,极点附近低,四周较高;经度方向上,西南极地区较低。     

基于集成学习方法的中国近地面臭氧浓度时空分布

自2013年大气污染防治行动以来，PM_2.5、PM₁₀、SO₂、NO₂等空气污染物浓度都有不同程度下降，但臭氧污染仍有上升趋势，臭氧污染已成为制约中国空气质量持续改善的关键问题。地基站点可以提供空间上特定点的臭氧浓度，但无法获得近地面臭氧连续的空间分布。由于臭氧大量分布于平流层，遥感卫星反演的臭氧柱浓度产品仅能反映整层臭氧柱浓度，但整层臭氧柱浓度与近地面浓度无明显相关性，因而无法体现近地面臭氧浓度。本文综合地基监测数据、再分析资料、卫星产品，采用不同的模型方法，得到近地面臭氧浓度的时空分布，结果表明集成学习方法可以准确估算近地面臭氧在空间上的分布状况和在时间上的变化趋势。本文对比了梯度提升回归树(GBRT)、极端随机树(ERT)、极端梯度提升器(XGBoost) 3种不同的集成学习方法在近地面臭氧污染估算的效果表现，3种集成学习方法在2019年—2020两年的十折交叉验证R2都在0.89以上，极端梯度提升器(XGBoost)方法在RMSE、MAE指标上有最好的表现，2019年—2020年两年的平均R...     

大气CO2浓度时空变化卫星遥感监测的应用潜力分析

GOSAT卫星观测反演大气CO2浓度精度已经提高到了1—2 ppm,而卫星数据能否准确地揭示全球和区域大气CO2浓度变化特征还缺乏充分的评价与分析。本文针对已经连续运行观测3年的GOSAT卫星,收集了来自美国NASA-OCO团队(ACOS)和日本环境研究所GOSAT团队(NIES)基于各自算法反演的两套大气CO2柱浓度数据,描述并分析了全球大气CO2时空变化特征。分析结果表明,从XCO2反演的绝对值结果来看ACOS总体上比NIES的高出约2 ppm左右,但从时空的相对变化上它们揭示了相近的大气CO2浓度时空变化特征。两套数据显示出全球平均大气CO2浓度在2010年—2012年的3年期间年增量分别为1.8 ppm和2.0 ppm;季节变化幅度,北半球最大4—6 ppm,南半球最大约2 ppm,这与地面观测结果基本一致。进一步将EDGAR 4.2人为排放总量格网化数据与GOSAT卫星观测反演的CO2浓度进行相关统计分析,结果指出两套数据对人为排放量有着微弱的响应。本文结果指出目前GOSAT卫星观测反演的XCO2可以检测出全球和区域大气CO2浓度的年变化、季节变化和区域空间变化的特征;GOSAT卫星10.5 km空间分辨率的观测虽难于检测出点源的浓度变化,但从区域上对人为排放的累积效应的监测显示了一定的应用潜力。     

红外临边探测发展现状

临边探测器垂直分辨率高,辐射信号的变化主要受大气参数影响,且辐射校准后几乎不受背景辐射影响,对痕量气体可探测性强,探测高度约为10—100 km,对臭氧层的大气遥感监测具有特殊意义。红外临边传感器经过40余年的发展过程,在通道数目、信噪比、可探测目标种类、冷冻技术、在轨寿命方面都有明显改进。本文以平流层O_3及其相关的痕量气体为中心,按照传感器搭载的卫星平台及卫星发射时间的先后顺序,比较了国际上已有的LRIR、LIMS、SAMS、ISAMS、CLAES、MIPAS、HIRDLS、TES共8个星载红外临边探测器的特性、探测目标、技术改进、性能提升等;介绍了红外临边探测大气成分的反演原理;总结了红外临边探测器在痕量气体,平流层云与气溶胶,重力波与极涡,非局部热力学平衡效应4个方面的应用成果。最后对红外临边探测的前景趋势提出了思考。     

Heterophase Processes in the Formation of Antarctica's Spring Ozone Anomaly

A study demonstrates that accepted official values of the catalytic cycle with the participation of ClO in ozone destruction during the spring ozone anomaly in Antarctica (SOAA) usually is not adequately validated or confirmed by observational data. The strong inverse correlation between the mixing ratios for ozone and ClO observed during the SOAA period evidently can be attributed to the heterophase reactions of direct destruction of molecules of both chlorine nitrate and ozone on particle surfaces in polar stratospheric clouds. An increase in ClO concentration and decrease in ozone concentration during an SOAA period may be the result of a single factor causing temperature changes, and thus changes in the quantitative and qualitative parameters of polar stratospheric clouds.     

基于NOAA/AVHRR数据的北极反照率反演及其变化研究

极地海冰反照率直接影响极区的热收支,反照率的变化对地气系统热量收支平衡及气候变化等的研究具有重要意义。本文采用由美国国家海洋与大气管理局NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)发射的NOAA卫星携带的先进的甚高分辨率辐射仪AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) Level-1B (L1B) 数据,经宽带反射率转换、各向异性校正、大气订正、云检测等处理,得到4 km宽带晴空地表反照率产品。将AVHRR反照率与北冰洋地表热收支SHEBA (Surface Heat Budget of the Arctic Ocean)实验数据进行印证,印证结果显示在冰雪冻结期二者平均偏差为-0.07,标准偏差为0.05。本文处理了2008年—2010年的AVHRR数据,结合第4次北极科学考察现场观测数据研究了北极冰面月平均反照率的变化,从降雪和冰脊两个方面分析了反照率的变化,结果显示反照率在冰雪融化过程中变化约为0.3,变化较大且较为迅速,表面粗糙的多年冰海域和较为平滑的一年冰海域的反照率在雪融化时期变化约为0.2且变化相对缓慢。研究结果表明,由冰雪融化引起的反照率变化较为快速且幅度较大,是引起北极反照率变化的主导因素。     

基于ARMA模型的BDS卫星钟差异常值探测及其短期预报

星载原子钟在运行过程中会受到恶劣空间环境与设备老化等因素的影响,使得卫星钟差数据中经常存在异常值,其中AO(additive outlier)类异常值是钟差序列中常见的一类异常值。结合最大期望算法与自回归滑动平均(autoregressive moving average,ARMA)模型,提出一种AO类异常值探测算法。该算法可以准确探测孤立AO类异常值与成片AO类异常值,有效克服了其他算法经常出现的淹没与掩盖现象。在成功探测钟差序列AO类异常值的同时,该算法可以估计得到精确的ARMA模型,进而能准确地进行卫星钟差预报。利用仿真数据与北斗卫星钟差实测数据进行计算分析,结果表明,所提算法可以精确探测出钟差序列AO类异常值,并且具有很好的卫星钟差预报效果。     

Ice mass change in Greenland and Antarctica between 1993 and 2013 from satellite gravity measurements

We construct long-term time series of Greenland and Antarctic ice sheet mass change from satellite gravity measurements. A statistical reconstruction approach is developed based on a principal component analysis (PCA) to combine high-resolution spatial modes from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mission with the gravity information from conventional satellite tracking data. Uncertainties of this reconstruction are rigorously assessed; they include temporal limitations for short GRACE measurements, spatial limitations for the low-resolution conventional tracking data measurements, and limitations of the estimated statistical relationships between low- and high-degree potential coefficients reflected in the PCA modes. Trends of mass variations in Greenland and Antarctica are assessed against a number of previous studies. The resulting time series for Greenland show a higher rate of mass loss than other methods before 2000, while the Antarctic ice sheet appears heavily influenced by interannual variations.     

2002年——2011年北极海冰时空变化分析

基于2002年-2011年AMSR-E海冰密集度数据, 分析了北极海冰的时空变化特征及其原因。结果表明海冰外缘线面积每年减小8.28×10⁴ km², 下降趋势最快的季节为夏季, 下降速度是1979年-2006年的两倍多, 而且海冰密集度也在降低。2003年、2004年的冰情相对较重, 2007年海冰面积最小。长期冰在2002年-2010年间减少了近30%, 减少的区域主要在波弗特海、楚科奇海、东西伯利亚海、拉普贴夫海、喀拉海以及由这些边缘海向北极方向延伸的北冰洋的广大区域, 长期冰减少的地方大部分为季节性海冰增加的地方。海冰面积与年平均气温之间有显著的负相关关系, 随着全球气候变暖的加剧, 这种减小趋势将会持续。     

2000—2015年北极夏季反照率变化及其与海冰密集度的关系

作为影响极区热平衡的关键因素,北极反照率会对北极气候与环境变化产生重要影响。采用CLARA-A2-SAL(The CM SAF Cloud,Albedo and Radiation)反照率产品分析2000—2015年北极夏季反照率月尺度和年尺度的时空变化,并探索北极反照率与海冰密集度的关系。结果表明,近15年间北极夏季反照率降幅达到12.20%,8月反照率下降趋势最显著,每10年减少0.040;随着海冰的融化,北极夏季反照率发生由高到低的变化;北极中央密集冰区与周边海域的反照率变化呈现出显著的空间差异性;北极反照率与海冰密集度呈稳定的正相关。研究北极反照率的时空变化及其影响因素可为解释海冰变化成因、预测北极海冰变化趋势提供参考。     

FY-3B/MWRI和Aqua/AMSR-E海冰密集度比较及印证

本文对2011-07-01—2011-09-30风云三号B星(FY-3B)搭载的微波成像仪MWRI(Microwave Radiometer Imager)和Aqua卫星搭载的微波扫描辐射计AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer for Earth Observing System)观测数据获取的海冰密集度产品进行比较及印证。首先,逐日比较FY-3B/MWRI和Aqua/AMSR-E区域平均海冰密集度;其次,逐月比较FY-3B/MWRI和Aqua/AMSR-E月平均海冰密集度;最后,使用Aqua卫星搭载的中等分辨率成像光谱辐射计MODIS数据进行印证。MWRI和AMSR-E比较结果为(1)MWRI与AMSR-E逐日区域平均海冰密集度变化趋势一致,MWRI海冰密集度均高于AMSR-E,7—9月MWRI与AMSR-E逐日平均偏差月平均值分别为8.55%、7.67%、2.58%,逐日标准差月平均值分别为12.16%、12.08%、10.43%,二者差异逐月减小。(2)MWRI与AMSR-E月平均海冰密集度差呈现逐月递减趋势,7—9月MWRI与AMSR-E逐月平均偏差分别为7.37%、6.53%、1.51%,逐月标准差分别为4.61%、4.36%、3.64%,MWRI与AMSR-E差异逐月减小的原因是二者在密集度较低的边缘区域差异较大,而夏季随着边缘区域海冰的融化,二者差异逐渐减小。MWRI和AMSRE海冰密集度与MODIS印证结果为:(1)密集度小于95%情况下,MWRI与AMSR-E海冰密集度均比MODIS偏高,AMSR-E更接近MODIS,MWRI高估,误差较大。(2)密集度大于等于95%情况下,MWRI与AMSR-E海冰密集度均比MODIS偏低,AMSR-E偏低更多,MWRI结果更好。     

Spatial Statistical Analyses of Global Trends of Ultraviolet B Fluxes in the Continental United States

Many environmental factors, such as stratospheric ozone, aerosols, and clouds, may affect ultraviolet (UV) irradiance. The aim of this study is to investigate the possible association between ultraviolet B (UVB) radiation and total cloud amount, ozone, and aerosols simultaneously, leading to the assessment of possible impacts of climate change on UVB flux variations in the continental United States (U.S.). Spatiotemporal correlation analyses were conducted, based on data collected from the Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) and the International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP), with a geographic information system (GIS). Findings indicate that in the past 22 years, while ozone decreased and aerosols increased across the U.S., the UVB decrease in the northern states was consistent with an increase in aerosols and total cloud amount. Therefore, to some extent, the trend characteristics of UVB over the U.S. between 1980 and 2002 were simultaneously affected by such dominant factors as total ozone and by such auxiliary factors as aerosol and total cloud amount. Climate change impact resulting in higher total cloud amount in the northern states might result in lower UVB in the future.