厦门市林地与建设用地对大气气溶胶空间分布的影响分析

分析大气气溶胶空间分布的影响因素有助于理解其变化机制与规律,从而为大气环境质量的调控提供科学依据。本文以厦门市为例,利用MODIS-Aqua卫星遥感影像,反演了大气气溶胶光学厚度。同时,选取Landsat8 OLI卫星数据,进行土地覆被分类。在此基础上,利用相关分析、一元线性回归模型和方差分解,对比研究了城市林地和建设用地对大气气溶胶空间分布的影响作用,得出以下结论：① 暗像元与插值法的结合适合厦门地区春季气溶胶光学厚度的反演;② 建设用地上空气溶胶光学厚度值明显高于林地;③ 林地对气溶胶空间分布的影响作用强于建设用地。本研究对缓解城市大气污染和改善城市生态环境具有重要参考价值和意义。     

区域优化Peterson模型的气溶胶光学厚度估算分析

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, 被广泛应用于空气质量监测及辐射传输模型的大气订正等研究中。卫星遥感可快速反演获取大范围气溶胶信息, 但其产品通常因云覆盖或暗目标算法等原因而存在空间覆盖率较低的问题, 且产品时相受限于卫星过境时间。水平能见度作为描述气溶胶光学特性的另一重要参数, 由分布广泛的气象台站一日8 次固定时间多次发布。建立水平能见度与气溶胶光学厚度的转换关系, 可实现对卫星反演气溶胶光学厚度的有益补充。本文利用2001-2009 年的MODIS气溶胶光学厚度产品与中国华东地区71 个气象台站的水平能见度数据, 对描述两者转换关系的Peterson 模型进行区域优化。采用分区域高斯曲线拟合的方法, 对影响转换精度的主要参数气溶胶标高随时间变化规律开展研究和模拟。利用2010 年数据对优化模型进行精度及区域适用性验证。结果表明, 优化后模型的气溶胶光学厚度估算均方根误差为0.31, 低于原模型误差;精度基本上与单站点优化模型一致, 但在实用性方面优于单站点优化模型。     

细粒子气溶胶光学厚度和谱分布偏振的反演

 细粒子气溶胶物理和光学参数定量卫星遥感反演一直是环境和气候领域研究人员关注的重要课题。气溶胶参数卫星业务遥感产品主要是反演气溶胶光学厚度,它体现大气中气溶胶总含量的信息,而获取气溶胶谱分布函数有助于进一步了解气溶胶物理特性,并提高气溶胶其他参数的遥感探测精度。目前,陆地气溶胶卫星反演面临两个关键问题:一是气溶胶模式;二是地表反射贡献的去除,偏振遥感在这两方面有其独有的优势。本文以多角度偏振方法,采用RT3辐射传输模型建立矢量查找表,利用法国PARASOL探测器一级数据反演了京津唐地区的细粒子气溶胶光学厚度和谱分布参数,并使用AERONET地基观测数据对反演结果进行验证,结果表明:偏振方法能较高精度地实现细粒子气溶胶光学厚度反演,而谱分布的反演还需进一步改进。     

基于太阳光度计的成都双流地区夏季气溶胶光学特性研究

选取成都信息工程学院航空港校区为研究区,利用CE318太阳光度计于2013年6月期间连续观测的数据反演气溶胶光学厚度,Angstrom指数和粒子谱分布,然后进行气溶胶光学特性分析,结果表明:气溶胶光学厚度随波长增加而减少;气溶胶光学厚度随人为活动和天气等诸多因素变化而变化;平均波长指数显示该地区气溶胶中小粒子占主控地位,平均直径在1.2μm左右;平均浑浊度系数为0.44,大气处于浑浊状态;粒子谱分布呈双峰型,证明该地区为城市气溶胶类型,也详细表明气溶胶粒径的变化。     

大气气溶胶光学特性与遥感图像光谱相关性分析

大气气溶胶对气候变化有重要的影响,由于观测资料缺乏,遥感成为越来越重要的研究手段。通过对气溶胶粒子的散射和反射特性分析表明,气溶胶的光学特性因气溶胶的成分和入射光波长的不同而不同,利用这些光谱差异,可以通过遥感方法进行光学厚度的反演,进而研究气溶胶的运动及分布、气候效应等特征。气溶胶中不同的粒子尺度及组成使其散射光学特性有较大的差异,2.1μm(或2.2μm)波段处的光谱反射率受尘粒气溶胶的影响较大;气溶胶具有时空变异特征;气溶胶在大气层上界(TDA)的辐射强迫表现为正效应,在单粒子反射率(SSA)的某一区间,其净效应因云状大小、表面反射率以及垂直气溶胶和云的分布的变化而变化,它通过影响云的凝聚核和半向效应而具有间接辐射强迫效应,另外它与臭氧的含量具有密切关系;在气溶胶信息的获取中,太阳光度计观测是一种重要手段,遥感正成为研究气溶胶越来越重要的途径。     

海南岛气溶胶时空变化及来源追溯

海南岛独特的区域和国家战略位置,使得了解和掌握该地区气溶胶时空格局特征及其大气污染物传输来源是海南大气环境质量监测和污染防治中重要的关注问题。选取MODIS 3 km分辨率气溶胶光学厚度（AOD）产品MOD04_3K,对海南岛2003—2017年AOD时空变化特征进行分析;以海口市为起始点,采用HYSPLIT模式对8次典型大气污染事件在10、500、1000 m 3个相对地面高度上进行48 h后向轨迹计算,以探究该区域大气污染物来源。结果表明：① 海南岛AOD在空间上呈较为明显的三级阶梯状分布,从西北方向向东南递减,2003—2017年在不同阶梯的空间变化趋势差异十分显著;② 2003—2017年海南岛AOD年均值为0.095,各年均值整体呈轻微升高趋势;季节均值差异表现为“春季>秋季>冬季>夏季”,此差异除受区域天气系统与地方风向特征的影响外,本区旅游业发展造成的大气污染物排放也不可忽视;③ 海南岛（海口市）2013—2017年典型大气污染事件发生期间大气污染气流在3个高度上（10、500、1000 m）的后向轨迹基本保持一致,均主要来自于海南岛东北方向。据此,位于该方向毗邻的珠江三角洲地区陆源大气污染物在东北盛行风的影响下被输送至海南岛,在区域天气系统（如大陆冷高压）和局部天气系统（如海风辐合）共同作用下,是促成该地区大气污染事件发生的重要因素。研究结果对深入理解海南岛近十多年来大气环境状况的变化规律、完善该区域大气污染联防联控机制具有重要的意义。     

一种基于FY3D/MERSI2的AOD遥感反演方法

针对目前国产卫星对气溶胶遥感监测应用较少的情况,本研究综合暗象元和SARA算法优势,基于FY-3D MERSI2数据构建了一套气溶胶光学厚度(Aerial Optical Depth, AOD)快速遥感反演方法。首先,引入了传统暗象元算法中的地表反射率经验关系,然后利用AERONET长时间序列的地基观测数据,构建了红波段和蓝波段气溶胶光学厚度、不对称因子和单次散射率之间的关系,最后利用MOD04和AERONET的AOD产品对研究反演结果进行了验证和评估分析。结果发现：① 本研究反演的AOD不仅保持了与MODIS的气溶胶产品空间分布的一致性,而且合理地呈现了AOD的高值分布,改进了MOD04气溶胶产品在云和亮目标方面反演缺失问题;② 利用AERONET地基观测结果对本研究获取的MERSI2的AOD反演结果进行了对比分析,发现二者具有较高的线性相关性,蓝波段AOD线性相关系数超过0.85;③ 利用MERSI2数据完整地捕捉到了2018年3月9—14日京津冀及周边区域的一次重污染过程中气溶胶时空分布变化情况,这也说明了FY3D卫星具备良好的气溶胶遥感监测能力,为我国灰霾监测和预警提供参考依据。本研究对大力发展国产卫星在大气环境遥感的应用有重要参考意义。     

现行POLDER陆地气溶胶偏振反演算法对粒子尺度的敏感性分析

目前,偏振遥感已被用于气溶胶卫星和地基遥感中,其仅对小粒子敏感。本研究以2007-2008年间的POLDER(Polarization and Directionality of the Earth’s Reflectances)和AERONET(Aerosol Robotic Network)合肥站的气溶胶数据为研究对象,探讨了偏振遥感对气溶胶粒子尺度的敏感性。利用AERONET合肥站的尺度分布数据和折射指数数据,计算了不同尺度范围内气溶胶粒子的光学厚度,并与对应的POLDER反演结果作拟合,通过寻找最佳拟合对应的尺度范围确定偏振遥感敏感的粒子尺度。结果表明,偏振遥感并非对所有尺度的小模式气溶胶粒子都敏感,在865 nm波段,其敏感的气溶胶粒子上限半径约为0.3 μm左右。这一结果对指导气溶胶偏振遥感,以及理解和应用偏振遥感气溶胶产品等具有重要意义。     

城市气溶胶光学厚度空间格局特征多指标综合分析

本文以厦门市为例,基于MODIS影像反演的大气气溶胶光学厚度（AOD）,利用空间自相关和景观格局指数从数量、形态和结构方面综合分析了2014年各月份（5月和9月除外）AOD时空格局变化。结果表明,研究区AOD具有明显的时空分布差异,林地上空的AOD处于较低等级,建设用地上空AOD大部分处于中高等级;AOD在春夏季较大,在秋冬季较小。AOD分布存在显著正空间自相关性,而且主要存在高高（HH）、低低（LL）、高低（HL）3种聚集模式。低低聚集模式主要分布在厦门市的北部山区;高高（HH）和高低（HL）模式主要分布在本岛东北部新城和本岛外各新城的城区。在景观格局指数方面,从秋冬季节到春夏季节期间,研究区气溶胶光学厚度高等级斑块增加,景观结构趋于复杂,景观异质性增加。对AOD时空格局变化进行多指标综合分析可以更加深入、细致、全面地刻画气溶胶的变化规律,有助于精确评估气溶胶对环境、气候等的影响,为城市可持续发展提供决策支持。     

温度对平流层气溶胶光学常数及辐射特性的影响

本文阐述平流层气溶胶的光学常数在不同温度下取值时,用Mie散射理论对不同浓度的平流层气溶胶红外波段的辐射特性进行的计算和分析。分析结果表明:在卫星遥感中,由温度引起的平流层气溶胶光学常数的变化对某些红外波段的平流层气溶胶辐射特性的影响是不容忽视的。     

华东地区MODIS与OMI气溶胶光学厚度数据融合

气溶胶光学厚度（AOD）表征气溶胶对光的衰减作用,体现大气混浊度或大气中气溶胶总含量,其卫星产品是研究近年来不断恶化的大气环境与空气质量的良好数据源。AOD卫星产品种类较多,但数据存在较大的不确定性;气溶胶全球监测网（AERONET）的地基数据精度高,但空间覆盖度较差。泛克里金法（UK）能在数据融合过程中更多地考虑描述对象的空间相关性,并且简单易行、结果可靠。因此,本文采用该方法,结合二次多项式波段插值法和回归分析方法,在AERONET AOD数据的基础上,对2008年11月华东地区臭氧监测仪（OMI）和中分辨率成像光谱仪（MODIS）的AOD产品进行了融合。结果表明：二次多项式的AOD波段插值方法,能提供比Angstrom波长指数法更为精准的AOD插值结果;AOD融合产品的空间分辨率高于OMI AOD,覆盖率大于OMIAOD和MODIS AOD,且其精度优于这2种AOD卫星产品;融合产品图显示,2008年11月,华东地区的AOD总体呈现南低北高的趋势,高值区主要分布在长江三角洲部分地区、安徽东北部、苏鲁交界处,以及山东西部;低值区主要为江苏以南大部。相比于前人研究,本文证实了AERONET AOD站点数据少、融合的数据源（卫星AOD产品）过境时间不一致的情况下,UK方法仍然有效。本文提出的融合系统,可为相关研究提供空间覆盖更全、精度更高的AOD数据。     

利用Sentinel-3A OLCI可见光通道反演台湾岛气溶胶光学厚度

OLCI（Ocean Land Colour Instrument）作为MERIS（Medium Resolution Imaging Spectrometer）的后继升级版传感器,在气溶胶反演中存在潜在优势,但是目前利用OLCI数据进行气溶胶监测的研究较少。因此,本文针对OLCI多通道反射特征开发了OLCI云检测算法,并对传统查找表构建方法进行改进,根据观测几何特征提出动态查找表法,并通过光谱卷积方式等效转换MODIS和OLCI红蓝通道地表反射率并获取OLCI红蓝通道地表反射率固定关系,进而实现台湾岛550 nm处的AOD反演。与550 nm处AERONET level 2.0 AOD验证结果首先表明不同季节、不同站点的精度表现存在一定差异,其次相对于同期MOD04_3K AOD产品,本文反演结果与全球气溶胶自动观测网（AERONET）站点实测值之间表现出更显著 的相关性（R²=0.8199）,均方根误差（RMSE）从0.175下降到0.113,相对平均误差（RME）从33.6%下降到26.7%,且67.5%的OLCI AOD落在预测误差（EE）区间内,明显大于MOD04_3K AOD落在预测误差区间的百分比（55.7%）。此外,误差分析表明,当实际AOD值较低时,红蓝通道地表反射率之间关系的误判会导致较为明显的AOD反演相对误差。     

集成多源遥感数据的PM2.5浓度空间分布制图

针对传统地面稀疏站点监测PM_2.5浓度以点带面的缺陷,本研究拟借助多源遥感数据开展了地面大气细颗粒物PM_2.5浓度空间分布模拟研究。以京津冀地区2013年的年均、季均PM_2.5浓度模拟图为例,用简化的气溶胶反演算法（SARA）反演了 1 km高分辨率AOD,并结合高分辨率遥感提取污染相关地理要素,对研究区PM_2.5浓度空间分布进行地理统计模拟及优选。结果表明：① SARA算法反演的AOD与地基AERONET相关性达0.99,能准确地反映研究区AOD的时空分布特征;② 集成多源遥感数据的地理加权回归模型拟合度高（平均R²-0.66）,其空间模拟显示研究区平均PM_2.5污染南部城镇最重,中东部城区次之,西北山区较轻;③ 研究区PM_2.5污染程度高,全年平均模拟浓度高达75 μg/m³,在气候环境及主要污染源季节性差异驱动下,浓度分布季节性特征显著,冬季污染最严重,而夏、秋季相对较轻。该成果对于精细把握PM_2.5污染特征,指导污染防控具有重要意义。     

Spike in phytoplankton biomass in Greenland Sea during 2009 and the correlations among chlorophyll-a,aerosol optical depth and ice cover

The distributions and correlations of chlorophyll-a(Chl-a),aerosol optical depth(AOD)and ice cover in the southeast Arctic Ocean-Greenland Sea(10°W–10°E,70°–80°N)between 2003 and 2009 were studied using satellite data and statistical analyses.Regression analysis showed correlations between Chl-a and AOD,Chl-a and ice cover,and AOD and ice cover with different time lags.The time lag of Chl-a and AOD indicated their long-term equilibrium relationship.Peaks in AOD and Chl-a and generally occurred in May and July,respectively.Despite the time lag,the correlation between Chl-a and AOD in the study region was as high as 0.7.The peak gap between Chl-a and AOD shifted for about 6 weeks during 2003–2009.In the summer and autumn of 2009,Chl-a and AOD levels were much higher than during the other years,especially in the northern band of the study region(75°–80°N).The driving forces for this localized increase in phytoplankton biomass could be mainly attributed to the very high rate of ice melting in spring and early summer and the high wind speed in autumn,together with the increased deposition of aerosol throughout the year.The unusually high AOD in the spring of 2003 was mainly due to a massive fi re in Russia,which occurred in the fi rst half of the year.Over the 7 years of the study,the sea surface temperature generally decreased.This may have been due to the release of dimethylsulfi de into the air,excreted in large amounts from abundant phytoplankton biomass,and its subsequent reaction,form large amounts of aerosol,and resulting in regional cooling.     

铜同位素及其在环境污染示踪中的应用进展

近年来,环境问题一直都是社会关注的热点,如大气、土壤和沉积物中的重金属污染问题已成为社会关注的热点。要解决环境重金属污染,关键是要确定其污染源和污染途径,本研究选取了3种典型的污染,即河流污染、冶炼厂地污染及大气颗粒物污染,选择同位素示踪技术作为研究方法,并且以铜作为示踪指标,对铜元素的基本性质,以及铜同位素在地球化学过程中的分馏,不同类型样品的处理、消解以及同位素分离纯化方法,同位素测试技术、示踪技术、端元模型进行了汇总,以及对现已发表的成果中上述3种典型重金属污染的端元(自然输入源和人为输入源),受污染途径、污染程度的研究进行了概括和总结。Cu同位素在环境污染溯源方面尚处于起步阶段,因此还需要进一步研究表生过程中Cu同位素的分馏机理,为认识重金属污染源与汇迁移过程中的机理提供重要的信息。未来的研究中,可进一步运用多种同位素相结合的方法,扩展多元同位素指纹数据库;而且同位素模型是对重金属污染源及污染贡献率进行正确评价的重要研究内容,还需构建新的多同位素多元污染模型来解决更为复杂的污染源。