云邻近效应对气溶胶光学厚度遥感反演的影响及其消减方法研究

全球大气中云的平均覆盖率约为60%。研究三维大气中云对气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)遥感反演的影响,发展和改进消减云影响的气溶胶光学厚度遥感反演方法,对于减小基于卫星遥感研究气溶胶间接气候效应的不确定性、全面掌握区域气溶胶污染分布情况及其变化规律具有重要的科学意义和应用价值。论文通过分析MODIS产品资料,获得对云影响下气溶胶光学厚度反演不确定性的初步认识;开展Monte Carlo理论模拟试验,定量分析云三维邻近效应对气溶胶光学厚度遥感反演的影响;在此基础上,基于GOCI和Landsat影像提出消减云影响的气溶胶光学厚度反演模型,以期为多云天气下高时空分辨率的气溶胶遥感提供理论依据和方法参考。     

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。     

从ASTER和Landsat／TM卫星数据反演日本千叶地区地表反射率和气溶胶光学厚度分布

在卫星遥感大气研究中，已有的精确反演海洋表面反射率和其上空气溶胶光学厚度分布的算法，由于陆地地表像元反射率的不均一性，使得这些方法在应用于陆地表面反射率的反演中具有一定的局限性。而利用三步校正法可以去除地表邻近像元的影响，从而消除这种局限性。文中介绍了三步校正的算法，并对日本千叶地区ASTER卫星数据进行了大气和地表邻近像元的影响校正，精确地反演了该地区的地表反射率，通过地表反射率和气溶胶光学厚度之间的关系计算得到了气溶胶光学厚度的分布。同时证明了在洁净天反演的地表反射率可以应用于反演同一季节中非洁净天的气溶胶光学厚度分布，这样不但减小了气溶胶模式选择的影响，而且实现了在缺少太阳辐射计数据情况下获得气溶胶光学厚度分布的目的。     

暗目标法的Himawari-8静止卫星数据气溶胶反演

Himawari-8(H8)是由日本气象厅发射的新一代静止气象卫星,可实现10 min/次的高频次对地观测,搭载的AHI(Advanced Himawari Imager)传感器设置有与MODIS暗目标气溶胶反演算法所需的类似波段。本文参考暗目标算法构建了针对该卫星传感器的陆地气溶胶反演算法:首先,通过基于地基站点观测数据的精确大气校正,统计得到短波红外与可见光波段的地表反射率比值关系,将此作为先验知识用于地—气解耦时的反射率估计;然后,初步假设大陆型气溶胶类型,利用辐射传输模型建立查找表;最后,通过模拟与卫星观测的表观反射率误差最小实现气溶胶光学厚度反演解算。选取2016年5月覆盖京津冀地区的观测数据进行测试,将反演结果与对应时间的MODIS气溶胶光学厚度产品进行对比验证,空间分布趋势一致、相关性较高,相关系数R达到0.852;通过与地基观测网AERONET站点实测数据对比验证,所有站点的相关系数R~2均大于0.88,精度较高。利用反演的高时间分辨率产品,分析了京津冀地区的大气空间分布和日变化情况,结果表明:采用暗目标法对H8静止卫星陆地气溶胶光学厚度反演具有一定的潜力和可行性,能反映气溶胶的高时间变化信息,有望成为大气环境污染变化监测新的重要手段。     

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。     

内蒙古辐射校正场特性评价与应用潜力分析

利用2010年6月在内蒙古贡格尔辐射校正场(简称内蒙古辐射校正场)实测的地表反射率和大气气溶胶数据,分析了该辐射校正场的地表反射率和大气气溶胶特性,并与敦煌辐射校正场相关数据进行了对比分析.结果表明:内蒙古辐射校正场地表反射率的相对方差小于5％,表现出较好的均一性;在天气晴朗的情况下,各通道的大气气溶胶光学厚度可达0....     

黑河流域MODIS气溶胶产品时空对比分析

卫星遥感监测提供的气溶胶产品很多,而当前使用最多的是Terra和Aqua卫星上搭载的MODIS传感器获得卫星影像数据反演气溶胶光学厚度AOD。MODIS数据反演得到的气溶胶光学厚度产品目前经历了C002、C003、C004、C005、C006等版本。为了对比分析黑河流域的MODIS气溶胶产品,本文首先对黑河流域范围内C006版本的气溶胶光学厚度产品的精度进行了验证,然后对比分析了研究区气溶胶光学厚度的时空变化特征。采用黑河生态水文遥感试验（HIWATER）气溶胶光学厚度地基观测数据验证MODIS气溶胶光学厚度产品的精度。验证结果显示MODIS气溶胶产品的精度较高,可信度也较高,具有显著的适用性。对比分析发现研究区的气溶胶光学厚度的时空变化特征很明显,下午星Aqua的气溶胶光学厚度值比上午星Terra的高,并且中下游气溶胶光学厚度值比上游地区较高。夏季的气溶胶光学厚度比其他季节的气溶胶光学厚度值高,春季气溶胶光学厚度高值区域集中分布在下游地区,夏季的高值区域分布在上游区域,秋季的高值区域分布比较均匀,冬季高值主要分布在研究区的西部地区。     

中国北方地区春季气溶胶光学特性地基遥感研究

基于中国北方地区地基太阳直接/散射辐射计观测,分析了2001年春季气溶胶光学厚度、尺度和吸收特性。沙尘期间,气溶胶光学厚度显著升高,而尺度上升,粗粒子浓度显著增加,大气气溶胶表现出中性或异常消光特征。除沙尘活动之外,中国华北地区人为排放也是导致气溶胶光学厚度偏高的一个重要原因。中国沙尘源区气溶胶单次散射反照率小于以往观测和模式结果。北京和香河两地气溶胶光学厚度、Angstrom指数和尺度谱基本相似,说明华北地区人为排放与沙尘活动类似,也表现出区域尺度的特点。由于沙尘气溶胶与人为排放气溶胶相比,折射指数实部偏大、虚部偏小,从而北京地区沙尘期间单次散射反照率明显大于非沙尘期间,特别是在近红外波段,说明沙尘活动不仅可以通过增加气溶胶光学厚度,同时也通过改变气溶胶物理、辐射特性来影响下游地区的气溶胶辐射强迫。     

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。     

中国东部气溶胶光学厚度季节变化的数值模拟

气候模式对气溶胶光学厚度AOD的合理模拟,是模拟研究气溶胶气候效应的前提。利用在线耦合的区域气候—大气化学—气溶胶耦合模式系统RIEMS-Chem,模拟研究了2010年中国东部地区AOD的季节变化情况。模拟结果与卫星搭载的中分辨率成像光谱仪(MODIS)的反演资料和地基气溶胶观测网(AERONET)的站点观测资料分别进行了一年四季的详细对比,检验结果显示尽管模拟值有所低估,模式仍然能够合理地反映AOD的季节变化情况和空间分布特征,与AERONET站点观测值相比,整体相关系数为0.6。MODIS反演和相应模拟结果均显示,中国东部地区AOD整体水平夏季最大,春季次之,秋、冬季最小,华北平原、四川盆地和华中地区是AOD的主要大值区。只考虑日间AOD时,其季节分布特征略有不同,在华北平原地区,日间AOD夏季最大(1.1—1.5),在长江中下游流域地区,日间AOD则在春季最大(1.1—1.7);在中国东部,日间AOD的大值在夏、冬两季分别主要分布在长江以北、以南地区,而在春、秋两季则主要位于长江中下游流域。