大气环境卫星温室气体和气溶胶协同观测综述

人类排放的温室气体和气溶胶是造成全球气候变暖和大气环境恶化的主要因素,也是大气环境卫星遥感的核心探测目标。与传统的单一探测目标卫星相比,实现同平台的大气温室气体和气溶胶协同监测,对于提高温室气体卫星反演精度、改善“自上而下”碳源汇估算、提升温室气体和气溶胶的人为/自然源区分能力具有重要意义,也是各国航天机构积极发展的空间探测手段。本文对欧、日、中、美等具备温室气体和气溶胶协同监测能力的卫星进行系统的介绍,包括卫星平台、传感器、处理算法和质控验证。按照卫星监测任务和传感器用途,将其分为大气综合探测卫星和温室气体监测卫星两大类,并从碳中和行动和大气环境综合治理等需求出发,提出温室气体和气溶胶协同观测星座（GACOC）的概念及其发展方向,包括主被动卫星组网观测、温室气体和气溶胶高精度联合反演算法、人为排放源识别和定量监测等应用。     

雾霾的影响因子分析及其区域相关性研究

成都、重庆作为中国西南地区快速发展的城市,是雾霾频发的区域,研究其雾霾因子联系以及区域空间分布特征及其规律,对于城市发展、创建绿色城市具有重要意义。通过分析2016年12月～2017年2月的PM2.5等污染物浓度数据可知:①成渝地区雾霾产生的高峰期在1月,并以成都、重庆为中心向四周减弱;②在时间分布上,成都和重庆的雾霾污染物浓度呈协同变化趋势,说明两地雾霾在区域上相互影响,协同作用;③在气象因素中,两地的湿度和风速对雾霾集聚、转移和扩散具有重要作用;④两地的位置和地形特征是其雾霾具有相关性的重要因素,因此只有两地同时防治雾霾,才能达到最好的效果。根据不同地域特征,积极改进生产结构,采取相应措施,才是治理雾霾的根本所在。     

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。     

北京区域2013严重灰霾污染的主被动遥感监测

灰霾造成的严重大气污染受到人们越来越多的重视。结合2013年1月北京严重灰霾污染事件,介绍了太阳-天空辐射计、激光雷达、多波段CCD相机等遥感监测手段,分析了地-空基、主-被动等遥感方法获得的灰霾气溶胶特性遥感结果,讨论了不同遥感监测手段的特点及联合使用,结果表明：主动遥感手段在严重污染、夜间等情况下具有观测优势,而被动遥感信息含量大,具有获得气溶胶复杂特性参数的能力;地面遥感点、垂直分布线监测数据与卫星遥感的面观测数据相结合,可以初步实现灰霾的主被动遥感立体监测。     

臭氧卫星遥感六十年进展

臭氧已成为中国继PM_2.5之后多地的首要污染物,臭氧污染防治是中国“十四五”及未来大气污染防治的重点。本文回顾了近60年来国内外臭氧卫星观测方面的主要进展,包括卫星探测载荷和臭氧相关的反演应用技术等,分为3个阶段总结了卫星载荷天底、临边和掩星3种探测方式的发展历程。臭氧卫星遥感反演算法和监测应用也随着载荷的发展在不断更新,本文重点介绍了臭氧柱总量和垂直廓线卫星遥感反演算法、近地面臭氧及其前体物观测、平流层臭氧入侵观测和区域传输、臭氧卫星观测数据的精度验证等方面的重要进展。对比国际臭氧卫星遥感监测,中国臭氧监测卫星发展滞后,虽然国家民用空间基础设施规划中陆续发射的高光谱观测卫星、大气环境监测卫星具有初步的臭氧监测能力,但在卫星载荷在功能、性能等方面还有不小差距,比如空间分辨率、信噪比等方面。在算法反演和监测应用方面,目前臭氧柱总量反演精度较高,还存在对流层中低层和近地面臭氧浓度反演精度不够,臭氧污染评估及成因分析不足,如近地面臭氧污染迁移转化过程、平流层臭氧侵入识别分析等问题,是下一步要重点关注的方向。     

国家自然科学基金大气科学学科二级申请代码下设研究方向与关键词解读:D0509大气观测、遥感和探测技术与方法

为顺应新一轮科技发展革命,国家自然科学基金委员会积极开展了以“优化学科布局”为主要任务之一的改革工作,学科申请代码的调整是该任务的重要组成部分和切入点。从2019年到2022年,国家自然科学基金委大气科学学科对二级申请代码进行了调整,将与大气探测相关的研究归并至“D0509大气观测、遥感和探测技术与方法”,并将其定义为“支撑技术”板块,以区别于“分支学科”和“发展领域”。本文对D0509二级代码的修订过程进行了介绍,并从大气观测、遥感和探测技术与方法的重要性、内涵与外延、发展趋势等视角,对相关的研究方向和关键词进行了解读。特别是从学科基础层面和具体应用层面两个维度,对D0509下设的六大研究方向,以及各方向的关键词进行分析,有助于申请人和评审专家根据自己的学术背景准确挑选关键词,以利于申请书的精准评审。本文可以为科研人员在基金申请过程中关键词的选择提供参考。     

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。     

动态气溶胶模型的PARASOL多角度偏振卫星气溶胶光学厚度反演算法

在卫星气溶胶反演中,如何确定研究区域的气溶胶模型直接影响目前大多数卫星遥感算法的气溶胶光学厚度反演精度。本文基于气溶胶自动观测网(AERONET)典型类型的动态气溶胶模型,提出了一种基于动态气溶胶模型的气溶胶光学厚度反演算法,并将其运用到PARASOL(Polarization and Anisotropy of Reflectance for Atmospheric Science coupled with Observations from Lidar)卫星的反演中。针对华北地区2012年的PARASOL卫星观测数据,应用动态气溶胶模型反演算法反演气溶胶光学厚度,并与地面观测站点进行对比验证,结果显示通过气溶胶模型选取与反演结果的迭代约束,在865 nm反演的气溶胶光学厚度与地基观测的相关程度(R2)达到0.71,均方根误差(RMSE)为0.15,与PARASOL气溶胶产品相比一定程度提高了反演结果的精度。     

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。     

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.