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。     

基于MODIS的城市大气颗粒物污染指数研究

遥感特征指数法是一种简单、高效的信息提取方法。根据气溶胶散射或吸收引起的卫星不同波段间表观反射率变化,构建了基于MODIS的城市大气颗粒物污染指数,结合石家庄市各环境空气质量站实测颗粒物浓度数据,分析差值植被指数(difference vegetation index,DVI)、归一化灰霾指数(normalized difference haze index,NDHI)、归一化建筑指数(normalized difference built-up index,NDBI)和差值建筑指数(difference built-up index,DBI)与PM10之间的相关关系。结果表明,除NDHI外,DVI,NDBI和DBI与大气颗粒物质量浓度均呈现负相关关系,DBI与PM10之间线性相关关系较为明显,综合多种大气颗粒物污染指数构建的大气颗粒物质量浓度估算模型,可以用来简便、快速地指示城市大气颗粒物污染状况。     

2013年1月华北灰霾气溶胶光学特性的垂直分布

利用Cloud-Aerosol Li DAR with Orthogonal Polarization(CALIOP)正交极化云—气溶胶激光雷达资料、Aerosol Robotic Network(AERONET)气溶胶观测资料、地面常规气象观测资料和Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory(HYSPLIT)模式分析了2013年1月份华北地区的3次中重度灰霾天气过程,着重对灰霾天气过程中大气气溶胶的衰减后向散射系数、退偏比和色比等光学参数的垂直分布进行了研究。结果表明,2013年1月份华北地区灰霾天气发生时,低层大气(2 km)以下污染最严重,存在大量的气溶胶粒子。1月29日重度灰霾时气溶胶的后向散射系数增大至0.0045 km-1·sr-1,退偏比大于20%,0—8 km高度范围内的色比值大于100%的比例约为36.3%;气溶胶光学厚度从0.2增大至2.1,Angstrom指数由1.4降至0.9,表明气溶胶光学厚度增加的同时,大气中混合的粗粒子气溶胶比重增加。HYSPLIT后向轨迹模拟结果显示:500 m、1000 m和1500 m 3个高度的气流均途经蒙古国、中国内蒙古自治区、西北地区,最后影响华北地区,表明这次灰霾污染事件除受本地排放的气溶胶粒子影响,还受到源于蒙古国、内蒙古、中国西北部地区远程输送的沙尘影响。     

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。     

气溶胶大气辐射校正区域性分析

针对使用6S模型中标准气溶胶模型进行大气辐射校正时结果较差的问题,该文提出使用实测气溶胶模型代替其进行计算。利用AERONET数据产品分析了香河、榆中等部分站点的气溶胶成分及其区域性分布特点,证明了中国气溶胶的成分具有明显的区域特性;并对6S模型中标准气溶胶模型与香河地基观测气溶胶光学参数进行比较,结果表明,两者具有较大的差异;最后使用不同的气溶胶模型校正Landsat5TM影像,结果表明,采用实测气溶胶数据进行大气辐射校正结果较优。     

大气气溶胶成分遥感研究进展

大气气溶胶成分的复杂变化导致其在气候变化评估中具有很高的不确定性。气溶胶成分遥感利用遥感观测的气溶胶光学—微物理参数,定量估计整层大气气溶胶主要成分含量,具有实时快速、空间覆盖、保持气溶胶自然状态等特点。本文介绍了近年来气溶胶成分遥感在理论基础和观测研究方面的进展情况。首先,在简要回顾反演算法发展的基础上,以目前较先进的成分遥感分类模型(包括黑碳、棕色碳、沙尘、非吸光有机物、细粒子无机盐、海盐和水)为例,详细分析了气溶胶成分遥感反演的思路。据此提出了基于气溶胶综合光学—微物理特性(包括光学吸收/散射、粒径尺度、形状等敏感性特征参数)的气溶胶成分遥感识别方法。之后,结合气溶胶混合方式,讨论了复折射指数计算方法及其对成分反演的影响,并给出了利用同步化学采样观测验证气溶胶成分遥感的一些结果示例。最后,结合观测手段拓展、成分模型优化、反演精度提升、应用能力推广等4个方向,展望了大气气溶胶成分遥感的发展趋势,及其在全球气候变化评估等领域的应用。     

基于S5P/TROPOMI的中国东部气溶胶单次散射反照率反演初探

气溶胶单次散射反照率SSA（Single Scattering Albedo）的卫星定量遥感对气候评估和大气污染治理均具有重要意义。搭载于S5P（Sentinel-5 Precursor）上的对流层监测仪（TROPOMI）具有目前同类卫星传感器中最优的空间分辨率。本文基于S5P/TROPOMI数据开展了中国东部地区的SSA反演研究。首先利用中国东部地区AERONET（Aerosol Robotic Network）站点数据对OPAC（Optical Properties of Aerosols and Clouds）气溶胶模型进行约束改进,构建了更为合适的气溶胶类型,并使用地基激光雷达（Lidar）预设相应气溶胶类型的垂直结构。然后使用辐射传输模型SCIATRAN构建查找表LUT（Look-Up Table）,将TROPOMI UVAI（Ultraviolet Absorbing Index）和MODIS AOD（Aerosol Optical Depth）数据联合输入反演气溶胶SSA数据。反演结果与地基站点数据对比,相关系数R²为0.61,均方根误差为0.05;和OMI SSA产品相比,总体趋势一致且具有空间连续性更好。基于TROPOMI的高分辨率SSA算法和数据将有助于中小尺度下气溶胶时空分布、光学特性等研究。     

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。     

VRSS-1卫星数据气溶胶光学厚度反演及精度验证

采用委内瑞拉遥感卫星(VRSS-1)数据进行气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)反演,是VRSS-1卫星数据在环保领域应用的一次尝试。本文采用将VRSS-1卫星数据反演的气溶胶光学厚度结果与NASA(美国航空航天局)公布的MODIS气溶胶标准产品对比的方法进行精度验证,以确定所选择的气溶胶光学厚度算法是否适合VRSS-1卫星数据。     

秋冬季节珠三角典型区域气溶胶浓度垂直分布的激光雷达反演

气溶胶与全球热辐射平衡、水循环、人类健康密不可分,其观测精度直接影响天气预测、气候建模以及对人类健康影响评估的精度,激光雷达能监测气溶胶的垂直分布,对污染气溶胶的扩散趋势、污染源反演、气候预测等均有重要意义。本文基于激光在大气中的辐射传输过程,根据米散射激光雷达的工作原理,使用雷达的多个系统参数计算雷达常数,建立激光雷达气溶胶质量浓度反演模型,从地面向上在晴空条件下进行了珠三角地区典型区域的秋冬季节气溶胶垂直观测的实验,计算气溶胶质量浓度的垂直廓线,反演气溶胶的垂直分布情况。验证与分析结果表明:(1)激光雷达反演结果显示,白天的反演结果中噪声大大减少,表明反演算法能够有效减弱太阳光的影响。(2)相比于传统方法,使用雷达常数而非边界值的反演结果波动较小,更符合实际,能够有效避免高空噪声的影响。(3)高层大气在晴朗静稳天气状况下较为干净,气溶胶基本分布在低空区域,质量浓度随高度基本呈负指数分布。     

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%）。     

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。     

利用深蓝算法从HJ-1数据反演陆地气溶胶

大气气溶胶是环境空气污染监测的重要指标,在利用环境一号卫星CCD相机进行气溶胶监测时,暗目标法和结构函数法都有相应的不足。本文从Hsu等人(2004)提出的深蓝算法出发,以MODIS的地表反射率产品为基础建立反射率库,并利用地面观测数据分析了各种典型地物在CCD相机与MODIS蓝波段反射率之间关系,提出了将MODIS地表反射率修正到CCD相机的方法,进而实现地气解耦,反演气溶胶光学厚度。选择北京地区为实验区,进行了算法实验,并用AERONET/PHOTONS北京站的数据进行了验证,结果表明,(1)光学厚度较大时(>0.5),深蓝算法精度能够较好的满足环境一号卫星CCD相机对气溶胶日常监测的要求;(2)气溶胶模式会对结果产生较大的影响,尤其是城市型气溶胶。     

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。     

结合地基激光雷达和太阳辐射计的气溶胶垂直分布观测

选取2013年1月灰霾和2月晴好天进行气溶胶垂直分布的雷达观测研究,并对不同高度气溶胶消光系数进行对比分析。结果显示在研究时间段内,晴好天时气溶胶的垂直分布不均匀,易出现垂直分层现象,而灰霾天时气溶胶主要集中在垂直高度1km以下,基本无分层现象。对比分析显示,严重灰霾天时气溶胶消光系数较大,在400米高度可达到中度污染天的5倍,以及晴好天的50倍。此外,整层大气的气溶胶光学厚度与400米处消光具有较好的相关性。     

NPPVIIRS数据反演气溶胶光学厚度

利用NPP卫星的VIIRS传感器数据,基于暗像元法反演陆地气溶胶光学厚度AOD。首先,根据红外波段的归一化植被指数NDVI来对暗像元进行识别;然后,利用6S软件进行辐射传输计算构建查找表;最后,根据VIIRS数据从查找表插值得到AOD,并对其进行海拔校正。选取华北地区作为反演实验区,获得了2013年9月1日的气溶胶分布。利用AERONET北京站太阳光度计地基观测结果对反演结果对比验证,发现二者具有显著的相关性,相关系数达到0.7920。将2013年9月1日的MODIS AOD产品与本研究反演的AOD进行比对,发现二者分布趋势一致,相关系数为0.7059,相关性显著。反演结果表明,本文算法反演陆地AOD效果较好,为大气颗粒物环境监测提供了良好方法手段和数据源。     

南京地区大气气溶胶综合观测与对比分析

利用CE-318太阳光度计、MPL激光雷达与卫星观测数据,分别采用光谱消光法、Fernald方法以及MODIS暗像元法(DDV)反演南京地区气溶胶光学厚度,并进行了对比分析。通过研究分析3月3日、6日卫星反演气溶胶光学厚度的空间分布图,发现长江流域附近以及市区(除老山、中山陵等山区地带之外)的AOD较高。3月3日太阳光度计、激光雷达与卫星数据在站点位置(南京信息工程大学,118.7°E,32.2°N)的AOD值分别为0.455、0.289、0.4;3月6日的AOD值分别为0.373、0.267、0.25。通过对比分析3月至9月之间的多天数据,可得3种数据计算所得AOD相差不大,说明卫星与激光雷达反演数据相对可靠。其中,3月3日与3月6日的太阳光度计数据显示,观测地区出现常见的两种AOD变化类型:一种是早晚高,中午低;一种是早低晚高。此外,激光雷达所得数据结果随着时间的变化幅度较大,且可以在有云的天气条件下探测气溶胶;本文利用激光雷达数据计算出的9 km以下AOD值多数在0.3左右,3月3日与3月6日两天之中,2 km以下较脏,出现了一些气溶胶层,6km以上相对比较干净,个别时段6 km以上高空存在云层。与地基观测相比,卫星虽然时间分辨率虽然低,但是对于大面积的趋势分析却有着绝对的优势。在今后的气溶胶观测发展中,结合三者的优势,有助于以较高精度,大面积反演大气气溶胶空间分布情况,获得较准确的气溶胶参数。     

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。     

北京地区HJ-1卫星CCD数据的气溶胶反演及在大气校正中的应用

与现有的大气卫星传感器相比,环境一号卫星(HJ-1)CCD相机具有较高的空间分辨率(30m),使得在城市地区找到光谱纯像元的机率大大增加。本文提出一种基于纯像元提取的城市地区气溶胶光学厚度(AerosolOpticalDepth,AOD)反演算法,利用像元纯净指数来提取CCD影像上的纯像元,并由HJ-1A星和B星的多时相CCD观测数据结合地表双向反射率模型确定纯像元的地表反射特性,在此基础上反演AOD。与AERONET地基测量数据的对比表明,该算法具有较高精度,相关系数为0.83,线性拟合斜率为1.091,截距为0.053。基于该方法的AOD反演结果作为输入,能较大程度提高HJ-1卫星CCD影像大气校正的精度。