大气气溶胶的卫星遥感及其在气候和环境研究中的应用

卫星遥感可以获得全球范围的大气气溶胶光学特性,目前国内外已有多颗卫星观测能够提供气溶胶特性的资料。本文综述性介绍国内外卫星遥感气溶胶特性方面的研究进展和成果,并讨论了卫星遥感资料在气候和环境研究领域中的应用。主要内容包括:极轨/静止卫星平台搭载的被动遥感传感器及其反演气溶胶特性的方法;星载激光雷达获取气溶胶光学特性的方法;国内外正在研发的新一代卫星主、被动气溶胶遥感探测器;卫星气溶胶产品在气溶胶辐射强迫、气候效应、大尺度污染输送、区域空气质量监测等研究中的应用。     

1980—2009年中国大陆中东部气溶胶-云-辐射变化及其关系

基于中国大陆中东部484个气象站1980—2009年日照时数、总云量、能见度数据,按区域分析了地表太阳辐射长期变化特征及云量和气溶胶对辐射变化的可能影响,深入理解地表太阳辐射变化趋势成因。中国大陆中东部地区地表太阳辐射呈下降趋势（-0.7 Wm-2/10a）。从季节变化分析,下降趋势主要集中于夏季（-2.7 Wm-2/10a）;从区域分析,下降幅度最大的为华北地区（-3.9 Wm-2/10a）,该区云量不明显上升、能见度明显下降,且地表太阳辐射与云量低频部分相关系数（年代际变率）约-0.25,与气溶胶低频部分相关系数达-0.87,以此推测华北地区地表辐射的长期变化是气溶胶与总云量共同作用的结果。华南地区春季辐射上升（4.2 Wm-2/10a）则归因于总云量的下降（-2.1%/10a）。地表太阳辐射与总云量高频部分的相关系数（年际变率）达到-0.85以上,表明地表太阳辐射的年际短期变率主要贡献是来自于总云量的年际变化。     

Recent Progress in Atmospheric Observation Research in China

Recent progress in atmospheric observation techniques, observational systems and their application in China are reviewed. According to different observational platforms, the review is presented in three sections, i.e., satellite remote sensing （SRS）, ground-based observation technologies and applications, and aircraft/balloon measurements. The section ＂satellite remote sensing＂ presents advances in SRS techniques, SRS of clouds and aerosols, and SRS of trace gases and temperature/moisture profiles. The section ＂groundbased observation technologies and applications＂ focuses on research such as lidar systems and applications, sun/sky radiometer and broadband radiation observations, weather radar and wind profilers, GPS measurements, and some new concept systems. The section ＂aircraft/balloon measurements＂ presents some newly developed aircraft- and balloon-based sounding techniques.     

塔克拉玛干沙漠地区气溶胶光学厚度卫星遥感产品验证

基于塔克拉玛干沙漠地区地基太阳光度计数据,系统验证2007～2008年星载多角度成像光谱仪(MISR)、中分辨率成像光谱仪(MODIS)和臭氧监测仪(OMI)气溶胶反演产品,旨在定量评估这些产品在我国沙漠地区的气溶胶光学厚度(AOD)反演精度。结果表明:MODIS/AOD的相关系数在4种产品中最高(0.91),OMI/AOD次之(0.87),其次为MISR/AOD(0.84),OMI/UVAI相关系数偏低(0.51)。MISR/AOD均方根误差(0.14)和平均偏差(-0.06)在4种反演产品中最低。与地基观测相比,MISR/AOD、MODIS/AOD系统偏低,OMI/AOD、OMI/UVAI系统偏高。在相同比较条件下(地基观测气溶胶光学厚度值限定在2.0以内),MISR的均方根误差和平均偏差在4种反演产品中最低,且相关系数也较高(0.84)。尽管存在诸多不同,但3种探测器气溶胶反演产品均能较好地展示该地区的气溶胶季节变化。塔克拉玛干沙漠春、夏季AOD较大,秋、冬季AOD相对较小。ngstrm波长指数的结果表明,春季(3～5月)最小(均值为0.11),夏季(6～8月)次之,秋季(9～11月)和冬季(12月至次年2月)较大(均值达到0.61),这表明在春、夏季气溶胶粒子偏大,秋、冬季气溶胶粒子偏小。此外,通过研究2000～2010年AOD年际变化表明,由于塔克拉玛干沙漠地区属于沙尘源区,气溶胶类型较为单一,所以总体来说,变化趋势不是较为明显。从反演结果来看,2003年的气溶胶含量为此10年中最高,年均值达到0.32;2005年的气溶胶含量在这10年中最低,年均值为0.28。     

北京地区闪电活动与气溶胶浓度的关系研究

基于2015—2017年北京闪电定位网(BLNET)总闪资料与35个自动空气质量监测站PM2.5数据,分析了北京地区(39.5°N—41.0°N,115.0°E—117.5°E)夏季(6—8月)闪电活动与PM2.5的时空分布特征,同时针对117次雷暴天气,探讨了气溶胶浓度变化对闪电活动的可能影响.结果表明:PM2.5浓度及总闪密度均呈现自西北向东南升高的空间分布特征.闪电峰值在污染背景下出现的时间(19∶00LT)晚于清洁背景下(15∶00LT)约4h,且总闪百分比(～20%)可达清洁背景下(～9%)的两倍.对雷暴前1～4h的PM2.5浓度与时间窗(12∶00—22∶00LT)内总闪数目的中位数进行相关分析,发现PM2.5浓度低于130μg·m-3时,PM2.5与总闪数存在明显正相关,此时气溶胶可能通过影响云微物理过程进而影响雷暴的对流发展,增强闪电活动;PM2.5大于150μg·m-3时,总闪数随PM2.5浓度的增加呈减少趋势,可能的原因是高气溶胶浓度下地面太阳辐射显著下降,对流活动受到抑制,导致闪电活动减少.当PM2.5浓度在130～150μg·m-3时,两者关系不明显.     

华东农田秸秆燃烧对常州大气环境的影响

为研究2012年6月6—15日华东农田秸秆燃烧对江苏省常州市大气环境的可能影响,利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)火点探测数据、气溶胶光学厚度(AOD)数据、臭氧监测仪(OMI)的二氧化氮(NO2)柱含量密度、大气红外探空仪(AIRS)的一氧化碳(CO)柱含量密度和地面监测的PM_(2.5)、NO_2、CO浓度等数据,结合天气形势和后向轨迹分析的方法进行了系统的分析。监测数据表明:华东地区2012年6月火点数目分别在9日和13日出现高值,分别达到1714和1654个;AOD、NO_2柱含量密度、CO柱含量密度与火点的变化趋势大致相同。利用HYSPLIT前向轨迹模式和火点分布可知:到达常州的高低空气流均经过火点源区时,地面和大气柱污染物浓度发生显著的协同变化;而当到达常州的高低空气流传输轨迹不同时,地面和大气柱污染物浓度变化趋势不一致。本次常州地区污染事件主要是由山西、河北、河南、山东、安徽、江苏北部的秸秆燃烧排放的大气污染物经大气高空传输扩散所致。     

青藏高原纳木错站地表反照率观测与MODIS资料的对比分析

利用中国科学院纳木错多圈层相互作用综合观测研究站内太阳光度计观测的大气气溶胶光学厚度和整层气柱水汽总量,作为大气辐射传输模式的输入参数,模拟计算了2007年5月—2008年8月无雪期晴空条件下,正午时段该站的太阳总辐射和散射辐射,得到两者的比例S。基于MODIS发布的MCD43B3产品中的短波段黑空和白空反照率以及比例S,计算得到实际大气条件下地表反照率的卫星反演值,进而与地面观测值进行对比分析。结果显示,两者没有显著差别,可以满足气候模式对地表反照率绝对偏差为0.02的精度要求,且均方根偏差约为0.0156,最大偏差为0.046。雨季纳木错站的土壤含水量增加,使得该站晴空时观测的5 min平均地表反照率呈线性下降。     

香河地基观测臭氧柱总量数据分析及臭氧变化趋势研究

大气臭氧变化在全球气候和环境中具有重要作用,是当今大气科学领域的重要研究对象之一。对比分析了中国科学院大气物理研究所河北香河大气综合观测试验站2014～2016年Dobson和Brewer两种臭氧总量观测仪器探测结果的一致性,并使用1979～2016年Dobson观测数据分析了香河地区臭氧总量的长期变化趋势。结果表明:进行有效温度修正后,两种臭氧总量仪器观测结果一致性较好,平均偏差仅为-0.14DU(多布森单位),平均绝对偏差为8.00 DU,标准差为36.09 DU,相关系数达0.964。整体来说,两类仪器观测臭氧总量吻合较好。SO2浓度对Dobson仪器数据精度有一定影响,两组仪器数据在SO2浓度为0～0.2DU、0.2～0.4DU和0.4DU大气条件情况下的平均偏差分别为4.8 DU、7.0 DU和8.0 DU,平均偏差随SO2浓度升高而增大。过去38年香河地区的臭氧总量季节差异性强,春、冬两季臭氧总量高,夏、秋两季臭氧总量相对低,季节变化趋势差异明显。从长期变化上看,臭氧总量变化波动有不同的周期,在4个大的时间段变化趋势不同,2000～2010年臭氧层有显著恢复,但最近几年又有变薄的趋势。     

大气环流模式与春玉米生长模拟模式联接的影响评估模拟试验

根据春玉米田间试验资料和历史气候资料,对春玉米生长模拟模式进行了验证与灵敏性分析,在此基础上,运用逐步订正法将当前气候前景和大气环流模式输出资料结合历史气候资料生成的未来气候情景订正到１ｏ×１ｏ网格点上,与春玉米生长模拟模式相联接,就未来气候变化对我国东北地区春玉米生长、发育和最终产量的可能影响进行了网格化定量模拟,并对一些适应性对策的效果进行了定性或定量的分析。结果表明,在ＤＫＲＺＯＰＹＣ模拟的未来情景下,若保持当前作物品种和生产技术措施不变,研究区域除北部将平均增产７０％外,其余地区都将有不同程度的减产,幅度在－１０％～－５０％之间,而在ＮＣＡＲ模拟的情景下,中西部地区将增产,其它地区可维持当前产量水平。适应性对策将对开发利用未来可能的气候资源,减缓未来气候变化的负效应,充分发挥其正效应起到积极作用,进而绝大部分区域将受益于未来水热条件的改变。     

2002～2022年北京大气气溶胶光学特性的地基遥感连续观测

长时间序列的气溶胶光学特性观测资料是定量研究气溶胶辐射和气候效应的重要基础,也是空气质量和环境健康研究的重要数据来源。本文系统评述了全球AERONET(Aerosol Robotic Network)观测网,并介绍了我国最长观测时间的AEROENT北京站发展状况和一些研究成果;使用北京站长达20余年的观测数据,针对AERONET观测网的光学辐射产品的多时间尺度变化特征进行系统分析,讨论了长期观测的重要性和迫切性。