极地区域气溶胶地基遥感观测及分析

依据全球气溶胶自动观测网在极地区域的观测,对以下问题进行了讨论:(1)温度订正在极地气溶胶光学厚度观测中的重要性及订正方法;(2)在极地进行仪器常数标定的可行性分析及温度效应的影响;(3)利用天空散射光观测反演气溶胶微物理和光学特性参数(粒子谱分布、散射相函数、复折射指数、单次散射反照率等)时,关于观测几何选择的问题,以及针对极地区域气溶胶特性的初步反演结果。这些研究可以为中国未来在两极地区开展基于自动太阳-天空辐射计的气溶胶地基遥感观测提供参考,为极地区域气溶胶卫星遥感及气候效应评估等研究提供重要支撑。     

中国地区气溶胶类型特性分析

利用全球气溶胶观测网（AERONET）2001年—2012年中国地区12个站点的地基遥感气溶胶物理光学特性产品研究了中国地区气溶胶类型特性及其时空变化规律。研究发现中国地区不同类别的气溶胶光学特性（单次散射反照率、不对称因子、光学厚度等）差异较大,由沙尘型、混合型、强散射型细粒子、弱吸收型细粒子、中度吸收型细粒子和强吸收型细粒子等6类组成。中国地区气溶胶类型具有极强的空间变化特性和明显的季节、年际变化特征,沙尘气溶胶主要出现在春季,强散射型细粒子气溶胶主要出现在夏季,而强吸收型细粒子气溶胶主要出现在秋冬季节;近10年间沙尘型、混合型和强散射型细粒子气溶胶呈现上升趋势,而强吸收型细粒子气溶胶则处于下降趋势。在此基础上对比了中国和美国、法国典型站点气溶胶类型,研究发现3个站点的气溶胶差异较大,中国强吸收细粒子类所占的比重高于后两者,同时强散射细粒子类所占的比重低于后两者。     

基于地基偏振观测研究北京城区北部大气气溶胶特性变化

利用位于北京城区北部AERONET网北京站点2005-2006年地基观测数据,对比分析了AERONET观测网使用的气溶胶参数反演算法与加入偏振信息后的气溶胶参数反演算法精度.结果表明,加入865nm偏振信息后的气溶胶参数反演具有更高的精度.在此基础上,基于两种算法反演获得的北京站点2005年和2006年气溶胶光学参数和物理参数,对奥运工地建设区气溶胶特性的变化情况进行了详细的分析.结果表明:(1)2006年的光学厚度有所增大,气溶胶的粒径也同时有所增大;(2)2006年的气溶胶单次散射反照率基本比2005年低0.05左右,位于0.85左右的水平,而且夏季更低,达0.80附近,说明2006年气溶胶具有更强的吸收特性;(3)偏振相函数值与Angstrom指数值变化是一致的;(4)两年的气溶胶粒子谱形态均表现出北京北部城区气溶胶双峰型分布特点,但2006年双峰的粒子半径均比2005年的偏大一些.     

全天空偏振模式及其影响因素初探

太阳光入射与地表、大气相互作用,会在天空中出现较为稳定的天空偏振模式图,即以太阳为中心,天空中的偏振信号呈现一定的规律分布。影响天空偏振模式图的强度及形态主要由地表反射性质、空气分子散射性质及气溶胶光学性质共同影响。本研究利用矢量辐射传输模型,以海洋下垫面为例,在获取沙尘非球形与煤烟非球型气溶胶单次散射性质的基础上,模拟了不同气溶胶光学厚度情况下的全天空偏振模式图。结果表明,天空以太阳入射方向为中心呈现一个较为稳定的天空偏振模式图。沙尘型散射气溶胶光学厚度的增大会减弱该模式图的强度,而煤烟型吸收气溶胶光学厚度的增大会增大该模式图的强度。利用双模态(沙尘型与煤烟型混合)气溶胶模型,系统分析不同气溶胶比例情况下的天空偏振模式图,结果表明全天空偏振模式图的基本模态依旧存在,但是其强度受气溶胶模型与光学厚度双重影响。因此在利用全天空偏振模式图进行气溶胶光学性质反演时需要注意气溶胶模态信息的选择。     

灰霾污染状况下气溶胶组分及辐射效应的遥感估算

本文利用地基遥感观测数据和气溶胶模型,分析了北京地区2013年1月份灰霾期间气溶胶中不同成分的光学与物理化学特性,并使用大气辐射传输模式估算了气溶胶中不同成分对直接辐射强迫的贡献。结果显示,在严重灰霾时期,大气中的硫酸盐等水溶性气溶胶光学厚度（440nm）显著增加,对气溶胶光学厚度的贡献达到70%以上,同时黑碳气溶胶对总光学厚度（440nm）的贡献也呈现增长趋势,是晴朗天气下的8倍以上。严重灰霾（28日）时气溶胶的直接辐射强迫显著增加,但气溶胶中不同成分对辐射效应的贡献不同,黑碳成分在气溶胶对大气层的辐射强迫中占主要贡献（57%）,而水溶性成分则在气溶胶对地表的辐射强迫中占主要贡献（60%）。     

基于地基遥感的灰霾气溶胶光学及微物理特性观测

近年来北京地区冬季频繁遭受灰霾污染的侵袭,在2013年1月又出现了长时间、大范围的严重灰霾污染天气,引发广泛关注和热议。为了解北京地区2013年1月严重灰霾污染过程中大气气溶胶特性,本文基于地基太阳-天空辐射计CE318观测数据,反演了气溶胶光学和微物理参数,并据此对1月份第二次严重污染过程进行了详细分析。研究表明：（1）2013年1月北京地区灰霾污染期间,气溶胶光学厚度较大,在440 nm处均值达到0.87,在个别严重污染天气下高达3左右;（2）气溶胶光学与物理参数与灰霾过程密切相关,Ångström指数由清洁大气时的1.3降到灰霾污染时的0.95,复折射指数虚部均值由污染前的0.04下降为污染过程中的0.01,单次散射反照率均值则由0.73增大到0.92,同时不对称因子均值从0.58增大到0.67;（3）灰霾污染过程中细模态气溶胶比例较高,占总体积比例平均达到73.0%,最高达90.5%,在灰霾污染中气溶胶细模态平均峰值半径随光学厚度增大而增大,清楚表明了灰霾过程中颗粒物的吸湿增长效应,粗模态平均峰值半径随光学厚度的增加而减小,在污染最严重时,粒子谱分布峰值半径约为0.43 μm。     

查找表方法确定气溶胶类型

针对传统气溶胶类型确定方法的局限性以及当前气溶胶类型确定存在的困难,提出一种使用多波段气溶胶光学厚度数据确定气溶胶类型的方法。基于大气颗粒物的散射与吸收特性分析,通过构建查找表的方法实现气溶胶类型的确定。该方法利用Mie散射理论通过正向模拟不同类型气溶胶粒子数量与多波段光学厚度之间的关系来构建查找表,基于该查找表,使用440 nm、670 nm、870 nm及1020 nm 4个波段的气溶胶光学厚度确定气溶胶类型。使用模拟的多波段气溶胶光学厚度数据开展了气溶胶类型的确定实验,分析了不同波段气溶胶光学厚度误差对气溶胶类型确定结果的影响。结果表明,该方法可根据4个波段的气溶胶光学厚度以较高的精度确定出沙尘性、水溶性和煤烟3种气溶胶粒子的数量,从而确定气溶胶类型。     

用GMS-5气象卫星遥测地面太阳总辐射

由GMS-5静止气象卫星测量的可见光通道的行星反照率，根据地球-大气系统的物理模式反演得到了地面的太阳辐射。该模式以平均气候模式和晴天的气溶胶光学厚度计算晴天的大气吸收、分子和气溶胶散射，其它情况下的散射由行星反照率和晴天的地表反照率推算而得。模式中考虑了水汽和气溶胶的变化对地表太阳辐射的影响。卫星反演的地表太阳辐射与地面观测结果的相关系数高达95％以上，日平均方差约为10％。     

利用热红外温差识别沙尘

沙尘识别是沙尘灾害监测和沙尘气溶胶特性研究的首要工作。利用辐射传输方程进行了沙尘气溶胶的辐射计算 ,对不同沙尘气溶胶光学厚度下的热红外通道温差ΔT(T11μm-T12 μm)的变化进行了分析。理论分析表明 ,利用热红外通道的温度差ΔT进行陆地沙尘识别是可行的。并利用NOAA AVHRR热红外通道的温度差ΔT进行了陆地沙尘识别的实验 ,经与地面气象站实测的沙尘天气现象相比较 ,结果一致。     

北京区域冬季灰霾过程中人为气溶胶光学厚度估算

本文使用北京地区不同时期（2009年1月和2013年1月）的地基气溶胶观测资料,估算了灰霾天气的人为气溶胶光学厚度,在此基础上结合气溶胶光学参数进行了对比分析。结果表明：（1）2013年1月人为气溶胶光学厚度（440 nm）较2009年1月有所增加,月平均值分别为0.88和0.44;（2）2013年1月灰霾污染中人为气溶胶占统治地位的天数比例是86.7%,高于2009年1月的62.5%;（3）2013年1月人为成分在气溶胶光学厚度（440 nm）中的贡献平均达88%,说明灰霾污染主要是由人为气溶胶造成的。     

气溶胶光学厚度与水平气象视距相互转换的经验公式及其应用

气溶胶光学厚度作为描述气溶胶光学特性的重要参数之一，在辐射传输和大气订正中被广泛应用。与此同时，被广泛应用的大气辐射传输软件MODTRAN却采用水平气象视距作为其输入参数，两者之间在遥感应用中存在“脱节”。将两者联系起来对于气溶胶数据的合理利用是很有用的。本文的分析表明两者之间的关系随气溶胶垂直廓线的分布不同而异，为此，本文根据MOHTRAN的模拟结果归纳出一个经验公式，分析表明，不同季节经验公式的系数是不同的，不考虑这种差异时，从相同的气象视距下转换得到的气溶胶光学厚度的误差最大可达0．029。最后我们将经验公式用于大气订正中。     

高斯曲线优化能见度与气溶胶光学厚度转换模型

大气气溶胶是影响对地观测定量精度的最主要不确定性因素。随着定量遥感的发展,对气溶胶光学厚度数据的精度提出了更高要求。在广泛应用的基于辐射传输模型大气校正研究中,需要输入气溶胶光学厚度等关键参数,但与对地观测影像数据同时相的气溶胶光学厚度获取较难,而水平能见度作为表征气溶胶光学特性的间接参数可通过广泛分布的气象台站获得,可将能见度转换得到的气溶胶光学厚度数据作为同时相数据输入传输模型进行大气校正计算。本文以实测的能见度和气溶胶光学厚度数据为基础,通过拟合气溶胶标高其随时间的变化对Peterson模型进行了修正。对修正后的模型进行精度验证得到RMSE为0.254,结果表明优化的模型对精度有较大提升。     

Dust Radiative Effects Over Global Oceans

Using one year of moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) and clouds and the Earth's radiant energy system (CERES) data, we provide a satellite-based assessment of top-of-atmosphere (TOA) cloud-free shortwave and longwave dust radiative effects over global oceans from the Terra satellite. Over global cloud-free oceans, the dust net radiative effect is -0.7 plusmn0.2 W middotm^-2, and the TOA dust shortwave radiative effect (SWRE) dominates the longwave radiative effect (LWRE). Globally, the annual mean dust contribution to the total MODIS level 2 aerosol optical thickness (AOT, at 550 nm) is about 30% with a dust SWRE of -0.7 plusmn0.2 W middotm^-2 and LWRE of 0.03 plusmn0.02 W middotm^-2. Averaged over all seasons, the cloud-free diurnal mean dust radiative efficiency is -33 plusmn5 W middotm^-2 middottau^-1, and there is a remarkable linear relationship between the CERES SWRE and the MODIS AOT. This is the first satellite-based assessment of dust net radiative effect over the global oceans and will serve as a useful constraint for numerical modeling analysis.     

利用MODIS数据和查找表的城区TM影像大气校正

影像大气校正精度的关键参数为气溶胶光学厚度,而城区大气条件复杂,对城区TM影像采用统一的大气参数进行大气校正,势必难以获得令人满意的校正精度。因此,本文提出了一种基于MODIS数据和查找表的大气校正算法,首先应用6S模型离线计算建立不同气溶胶光学厚度的大气校正系数查找表,然后基于MODIS数据反演气溶胶光学厚度,最后基于查找表和气溶胶光学厚度数据对长沙城区TM影像进行了逐像元大气校正。结果表明:基于查找表的校正算法与6S模型在线计算算法的校正精度接近,能够较好地进行大气校正;在水体区校正精度最高,而在城区校正精度相对较低。     

中国东部海域气溶胶光学厚度时空变化研究

结合船基海上现场实测资料与卫星遥感MODIS光学厚度资料,分析了中国东部海域气溶胶光学厚度(AOD)的季节变化和地理分布特征。中国东部海域平均气溶胶光学厚度存在以中纬度为中心的纬向分布;同时受到陆源物质的影响,近海气溶胶光学厚度大于远海,且随着离海岸距离变大有线性递减的趋势。受沙尘、季风气候的影响,各海域气溶胶光学厚度存在明显季节变化和分布特征。渤海、黄海及东海有类似的变化特征,春季都受到沙尘气溶胶的影响,气溶胶平均光学厚度值为全年最高0.12,并且对东海的影响最明显;夏季最小,秋、冬季逐渐变大。