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。     

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。     

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。     

MODIS数据的云顶高度反演

云的辐射特性和它的高度影响到辐射的收支可以导致地球的变暖或变冷,在地球大气能量收支平衡中．云具有特别显著的调节作用,是影响气候变化的一个重要因子。云顶性质包括云顶气压、云顶温度和有效云量或有效比辐射率。很多方法被用来从多光谱资料中估计云参数,而CO₂薄片算法(截断法)则是使用被动遥感资料反演云顶性质的重要方法之一。利用15μmCO₂吸收带的几个吸收不同的MODIS红外波段,对于大气不同高度层次的不同敏感度,通过从地球大气系统的几个CO₂波段同时测量向上红外辐射,以及大气的温度和透射率廓线的基础上,可以推断出云顶气压。这项技术应用于HIRS资料上已经有20年的历史,而EOS系列地球环境卫星的升空,使EOS上搭载的MODIS探测器成为第一个拥有CO₂薄片波段的高空间分辨率探测器。本文依据CO₂薄片算法(截断法)的理论模型结合实例讨论算法的特点及不足,同时分析其误差以利改进。     

卫星红外遥感技术在我国环保领域中的应用与发展分析

本文较为系统地分析了卫星红外遥感技术在我国秸秆焚烧、沙尘、气溶胶、颗粒物、灰霾等大气环境遥感监测,水华、水质参数、水表温度、热污染、核电厂温排水等水环境遥感监测,以及土壤含水量、地表温度、干旱、城市热岛效应等生态环境遥感监测的应用。同时,指出目前国产卫星红外载荷业务化应用程度不高、辐射定标能力不足、应用反演算法原创性不强、地面观测和试验验证能力不足等问题;并提出需大力发展国产红外传感器、提高辐射定标能力、发展国内原创监测算法、建设大型环保应用综合试验场等建议,以促进红外遥感技术在环境保护领域的应用和发展。     

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。     

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。     

利用MODIS数据反演沙漠化地区地表温度的简化模式——以陕西北部地区为例

利用MODIS数据可见光波段、近红外波段和中红外波段,获得提取地表温度所需要的2个基本参数:地表比辐射率和大气透过率;然后对热红外波段b31、b32运用劈窗算法提取出陕北地区地表温度;并利用两种不同经验公式参数得出的结果与相应位置气象观测站观测的卫星过境时刻的地表气温进行比较.结果表明,劈窗算法简化模式能获得较准确的地表温度,符合陕北地区的实际地表状况,印证了应用该简化模式可以在大范围内快速实时监测地表温度.     

冰云光学特性与等效球Mie理论的误差分析

用改进的射线光学理论和等效球Ｍｉｅ理论，计算了若干冰晶和冰晶尺度分布在太阳光谱区中一系列波长上的光学特性和散射特性，详细分析了Ｍｉｅ散射计算的误差，并假定冰云光学特性有１０％误差的情况下，用Ｄｅｌｔａ－Ｅｄｄｉｎｇｔｏｎ近似对所引起的冰云辐射特性的误差进行了数值试验。结果表明，沿用已久的等效球Ｍｉｅ理论因计算冰云光学特性在波长小于２．６μｍ波段误差过大，将引起冰云辐射特性有显著误差，最后提出了计算冰云光学特性的新方案。     

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。     

平流层臭氧的温室效应及其气候影响

本文阐述大气中重要的“痕量气体”之一——臭氧(平流层臭氧)对地球表面和低层大气的温室效应及其全球气候的反馈影响;指出了云的辐射力的概念及其重要性,并讨论了“南极臭氧洞”现象。     

Optical closure of parameterized bio-optical relationships

An optical closure study on bio-optical relationships was carried out using radiative transfer model matrix operator method developed by Freie Universitt Berlin.As a case study,the optical closure of bio-optical relationships empirically parameterized with in situ data for the East China Sea was examined.Remote-sensing refl ectance(R rs)was computed from the inherent optical properties predicted by these biooptical relationships and compared with published in situ data.It was found that the simulated R rs was overestimated for turbid water.To achieve optical closure,bio-optical relationships for absorption and scattering coeffi cients for suspended particulate matter were adjusted.Furthermore,the results show that the Fournier and Forand phase functions obtained from the adjusted relationships perform better than the Petzold phase function.Therefore,before bio-optical relationships are used for a local sea area,the optical closure should be examined.     

硫酸盐气溶胶对长江中下游夏季降水年代际转型的影响

为了研究人为硫酸盐气溶胶增长对1970年代末长江中下游夏季降水年代际转型的影响,使用全球气候模式（GFDL—AM2）,对硫酸盐直接气候效应进行了模拟。结果表明,硫酸盐气溶胶增长引起的降水年代际变化与观测到的降水转型有很好的时空一致性;观测中包括副热带高压西伸南移、中国东部近地面异常北风等夏季风年代际减弱信号以及对应的垂直温度、上升运动分布等均能很好地被模式再现。机制上,硫酸盐气溶胶通过引起负辐射强迫,造成中国中东部的大部分地区地面到对流层中层降温,海陆热力对比减小,使东亚夏季风减弱,雨带容易在长江中下游停留,从而导致该区域降水增多。于是,硫酸盐气溶胶增多对长江中下游降水年代际转型有重要贡献。     

Influence of temperature and frequency on microwave dielectric properties of lunar regolith simulant

The dielectric constant of the lunar regolith can directly influence the reflection coefficient and the trans-mission coefficient of the Moon′s surface, and plays an important role in the Moon research. In order to study the di-electric properties of the lunar regolith, the lunar regolith simulant was made according to the making procedure of the CAS-1 simulant made by Chinese Academy of Sciences. Then the dielectric constants of the lunar regolith simulant were measured with 85070E Aiglent Microwave Network Analyzer in the frequency ranging from 0.2 GHz to 20.0 GHz and at temperature of 25.1℃, 17.7℃, 13.1℃, 11.5℃, 9.6℃, 8.0℃, 4.1℃, -0.3℃, -4.7℃, -9.5℃, -18.7℃, -27.7℃, and -32.6℃, respectively. The Odelevsky model was employed to remove the influence of water in the air on the final effective dielectric constants. The results indicate that frequency and temperature have apparent influences on the dielectric constants of the lunar regolith simulant. The real parts of the dielectric constants increase fast over the range of 0.2 GHz to 3.0 GHz, but decrease slowly over the range of 4.0 GHz to 20.0 GHz. The opposite phenomenon occurs in the imaginary parts. The influences of the frequency and temperature on the brightness temperature were also estimated based on the radiative transfer equation. The result shows that the variation of the frequency and temperature results in great changes of the microwave brightness temperature emitting from the lunar regolith.     

基于MODIS数据的气溶胶光学厚度反演

气溶胶在大气污染事件中扮演重要角色。光学厚度作为大气气溶胶的一个重要光学属性,常作为其他相关科学研究的重要参数。本文以ENVI5.0为平台,利用经典的暗像元算法,对2011年8月5日北京地区的MODIS卫星遥感影像数据进行了气溶胶光学厚度(AOD)反演,并对其空间分布进行了分析,为环境监测部门提供了大气污染治理依据。     

Using genetic algorithms to calibrate a dimethylsulfide production model in the Arctic ocean

The global climate is intimately connected to changes in the polar oceans. The variability of sea ice coverage affects deep-water formations and large-scale thermohaline circulation patterns. The polar radiative budget is sensitive to sea-ice loss and consequent surface albedo changes. Aerosols and polar cloud microphysics are crucial players in the radiative energy balance of the Arctic Ocean. The main biogenic source of sulfate aerosols to the atmosphere above remote seas is dimethylsulfide (DMS). Recent research suggests the flux of DMS to the Arctic atmosphere may change markedly under global warming. This paper describes climate data and DMS production (based on the five years from 1998 to 2002) in the region of the Barents Sea (30–35°E and 70–80°N). A DMS model is introduced together with an updated calibration method. A genetic algorithm is used to calibrate the chlorophyll-a (CHL) measurements (based on satellite SeaWiFS data) and DMS content (determined from cruise data collected in the Arctic). Significant interannual variation of the CHL amount leads to significant interannual variability in the observed and modeled production of DMS in the study region. Strong DMS production in 1998 could have been caused by a large amount of ice algae being released in the southern region. Forcings from a general circulation model (CSIRO Mk3) were applied to the calibrated DMS model to predict the zonal mean sea-to-air flux of DMS for contemporary and enhanced greenhouse conditions at 70–80°N. It was found that significantly decreasing ice coverage, increasing sea surface temperature and decreasing mixed-layer depth could lead to annual DMS flux increases of more than 100% by the time of equivalent CO₂ tripling (the year 2080). This significant perturbation in the aerosol climate could have a large impact on the regional Arctic heat budget and consequences for global warming.     

Anomalously low ozone of 1997 and 2011 Arctic spring: Monitoring results and analysis

Total ozone observations from the Total Ozone Unit （TOU） aboard the Chinese second generation polar orbiting mete- orological satellite, Fengyun-3/A （FY-3/A）, revealed that total column ozone over the Arctic declined rapidly from the beginning of March 2011. An extensive region of low column amount formed around mid March; monthly mean total column ozone in March 2011 was about 30% lower than the average observed during 1979-2010. Daily total column density of ozone near the center of low ozone area in mid March was less than 240 Dobson units, about half the total column ozone amount observed during the same period of the prior 10 years. We analyzed total column ozone data from different satellites during 1979-2011. Results show that the Arctic depletion of ozone in spring 2011 was initiated by the cold polar vortex in the lower stratosphere. The March mean total ozone over the Arctic has shown a decreasing trend over the past 32 years, and its variation is strongly correlated with the polar vortex. A similar low ozone process of spring 1997 was compared to that of 2011, but daily variations of total ozone in March over the Northern Hemisphere in 1997 and 2011 have different patterns.