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。     

ＣＥ３１８太阳光度计常见故障及排除方法

CE318型太阳光度计,是法国CIMEL公司制造的一种高精度野外太阳和天空辐射测量仪器,主要用来测量大气气溶胶光学厚度。用于卫星遥感产品真实性检验和气溶胶气候研究的大气气溶胶环境监测仪器,在遥感卫星传感器辐射定标中用于大气光学参数测量的重要仪器,同时还在沙尘暴监测中发挥重要作用。     

近年来大气遥感研究进展

本文着重介绍中国科学院大气物理研究所2003年以来在大气遥感研究方面的主要进展与成果,内容包括:(1)遥感技术与设备的发展;(2)大气气溶胶遥感;(3)云遥感;(4)大气微量气体遥感;(5)反演方法发展;(6)大气辐射传输算法研究。气溶胶的光学特性遥感研究是近年来热点之一,本文简要论述在气溶胶光学特性地基和卫星遥感反演算法、中国大气气溶胶光学特性时空分布特性、气溶胶辐射强迫遥感研究等方面所取得的成果。     

气溶胶辐射特性的观测研究

利用一个简化的辐射平衡模式,讨论了气溶胶直接辐射强迫和气溶胶辐射特性以及与地面反射率之间的关系。模式分析表明,增加气溶胶层以后,地气系统对太阳辐射的反射率可能增大,也可能减少,取决于气溶胶的单散射反射率~ω0、不对称度因子g与地面反射率αg之间的配置,但与气溶胶光学厚度δ没有直接的关系。气溶胶光学厚度值仅和反射率变化的幅度成正比。从辐射平衡模式的结果可知,为了定量地研究气溶胶直接辐射强迫作用,需要有系统的有关气溶胶辐射特性的观测资料。从地面和空间对中国地区气溶胶的辐射特性开展了观测研究,包括从地面用太阳光度计测量气溶胶的光学厚度、用浊度计测量气溶胶的散射系数、黑碳仪测量气溶胶的吸收系数,并且利用MODIS资料反演气溶胶的光学厚度。地面太阳光度计观测的气溶胶光学厚度用于检验卫星遥感的气溶胶光学厚度值,对中国东部地区,遥感的结果是可以接受的,主要是由于这一地区存在较低的地表反射率;但对中国北方植被条件不很好的地区,在遥感反演时对地面反射率的估计可能偏低,如做适当的修改还有可能提高遥感反演的精度。从地面直接测量气溶胶的散射系数和吸收系数算出的气溶胶单散射反射率在0.8左右,需要有更多的观测,以便进一步查清这一问题。     

沙尘气溶胶对西北地区植被遥感的影响分析

选取扬沙—浮尘天气发生中、后的对地观测卫星EOS-MODIS数据,利用6S辐射传输模式对该卫星资料进行大气订正,分析了沙尘气溶胶对沙尘多发区的西北地区植被指数(VI)遥感的影响。结果表明,与晴空天气得到的反射率相比,沙尘使红光通道反射率ρ1、近红外通道反射率ρ2和蓝光通道反射率ρ3均增加,归一化植被指数NDVI有不同程度的降低,降低最大值为0.246。抗大气植被指数ARVI也有所降低,降低最大值为0.231。应用晴空天气条件下的资料,建立了西北干旱区ARVI与NDVI之间的线性关系,并证明了在沙尘天气条件下,利用ARVI计算NDVI的方法,所得的结果较好。     

城市大气气溶胶细粒子的化学成分及其来源

大气气溶胶细颗粒物（PM10、PM2．5）是近年来大气气溶胶研究的热点。细粒子中含有多种化学元素与化合物。细粒子中的化学成分随时空变化而变化。细粒子主要来自车辆尾气、化石、油料及生物质燃料燃烧等人为排放源和二次污染。     

珠江三角洲大气灰霾导致能见度下降问题研究

大气气溶胶的气候效应和环境效应研究是当今国际科技界的热门话题。近年来珠江三角洲地区的气溶胶污染日趋严重,一年四季长期稳定存在气溶胶云,重污染区偏于珠江口以西的珠江三角洲西侧。灰霾天气主要出现在10月至次年4月。大气灰霾导致能见度恶化。自20世纪80年代初开始,该地区的能见度急剧恶化,灰霾天气显著增加,其中有3次大的波动,分别代表与珠江三角洲经济发展相伴随的气溶胶污染、硫酸盐加气溶胶污染、光化学过程的细粒子加硫酸盐加气溶胶的复合污染时期。雾和轻雾造成的低能见度的长期变化趋势,没有由于人类活动影响或经济发展影响带来的趋势性变化,其波动主要反映了气候波动固有的年际和年代际变化。珠江三角洲能见度的恶化主要与细粒子关系比较大,PM10有一半月均值超过国家二级标准的日均值浓度限值(150μg/m3),而PM2.5月均值全部超过美国国家标准的日均值浓度限值(65μg/m3),尤其是10月至次年1月的月均值浓度几乎超过标准限值的1倍,细粒子浓度甚高。另外PM2.5占PM10的比重非常高(58%—77%),尤其是旱季比雨季更高。与15a前的资料相比较,细粒子在气溶胶中的比重有明显增加,因而在目前珠江三角洲的气溶胶污染中,主要是细粒子的污染。     

2004年北京地区秋季大气气溶胶粒子分布特征

2004年秋季在北京地区利用机载大气气溶胶粒子探头进行了大气气溶胶观测,获得了0～7 km气溶胶细粒子数浓度和尺度谱分布的垂直、水平变化特征.结果表明:北京地区上空气溶胶粒子数浓度在1 km左右高度以下的混合层内有均匀的分布,明显递减层的高度范围约在1～2 km之间,2 km以上随高度递减很小,高层气溶胶数浓度变化不大...     

大气气溶胶光学厚度遥感研究概况

大气气溶胶是影响气候变化的重要因子之一,利用遥感手段不仅可以获得气溶胶的分布信息,也可以得到相关的气溶胶光学特性参数。本文阐述了国内外气溶胶遥感的发展动态,介绍了气溶胶遥感的基本情况及气溶胶光学厚度反演的几种方法,提出了存在的问题并对今后的研究进行了展望。     

MODIS卫星遥感北京地区气溶胶光学厚度及与地面光度计遥感的对比

介绍MODIS卫星遥感气溶胶的方法,利用北京大学地面多波段太阳光度计的观测进行了对比,二者的相关性比较好.给出了描述北京地区气溶胶光学厚度分布的几幅图片.卫星遥感对于更好地研究空气污染提供了一种新手段,卫星遥感的气溶胶光学厚度弥补了地面观测空间覆盖不足的缺陷.卫星遥感的气溶胶资料不仅对全球和区域气候研究而且对城市污染分析提供了丰富的资料.     

地基消光测量确定新疆博斯腾湖地区大气气溶胶模型

为确定新疆博斯腾湖地区气溶胶主要组分,减小辐射传输计算和卫星遥感应用中由于气溶胶模型误判造成的误差,分别取大陆型、背景沙漠型、体积百分比自定义模型和两种动态气溶胶模型,用6S辐射传输算法计算出对应于太阳光度计测量时段的各波段大气气溶胶光学厚度。将模式计算值与测量值进行比较,确定测量地区的大气气溶胶模型。将该方法用于2010年在新疆博斯腾湖地区测量的太阳光度计数据,结果显示该地区在测量时段较为符合体积百分比自定义模型,沙尘性粒子体积百分比均在88%上,符合当地靠近沙尘源地和测量时段浮尘天气频发的实际情况。     

利用可见光与近红外大气窗区的组合通道探测陆面上空气溶胶

本文提出了一种利用可见光与近红外大气窗区内的0.5μm和0.85μm双通道的组合,通过观测地气系统的反射辐射从卫星上遥感陆面上空气溶胶的方法.模拟试验发现,对于不同类型的气溶胶,随着气溶胶光学厚度的逐渐增大,0.5μm和0.85μm双通道的反射辐亮度的差值和比值呈现出明显不同的变化趋势,据此便可以识别出气溶胶的类型,并...     

GMS卫星遥感中国地区气溶胶光学厚度

讨论了利用GMS卫星遥感湖面上空气溶胶光学厚度的方法,根据在5个湖面附近与多波段光度计遥感结果的比较,对卫星遥感的方法和结果进行了检验,然后利用该方法遥感了中国大陆25个湖面上空气溶胶光学厚度.结果显示,利用卫星反演湖面光学厚度可以提供大陆上空气溶胶的信息,是研究大陆上空气溶胶光学厚度一个可行的方法.     

中国利用星载激光雷达开展沙尘和污染研究的综述

激光雷达作为一种新兴的主动遥感探测工具,被广泛应用于大气遥感、环境监测等领域。星载激光雷达由于其较广的探测范围、较高的时空分辨率、可获得连续的廓线数据等优势,已经成为全球及区域气溶胶和云特性观测研究的强有力工具。本文总结了自2006年CALIPSO卫星发射以来,中国科学家在利用其开展沙尘气溶胶及污染研究方面的工作,重点阐述了沙尘气溶胶的时空分布、远距离传输、分类识别、光学特性、沙尘释放、辐射与气候效应,以及灰霾和烟尘特性等方面的最新研究成果。对以上研究成果的梳理,有助于深入理解中国在利用星载激光雷达开展沙尘与污染研究的水平,也为未来开拓中国自主研发星载激光雷达的遥感应用领域奠定了基础。     

Identification of Aerosol Types and Their Optical Properties in the North China Plain Based on Long-Term AERONET Data

Characterization of aerosols is required to reduce uncertainties in satellite retrievals of global aerosols and for modeling the effects of these aerosols on climate.Aerosols in the North China Plain(NCP) are complex,which provides a good opportunity to study key aerosol optical properties for various aerosol types.A cluster analysis of key optical properties obtained from Aerosol Robotic Network(AERONET) data in Beijing and Xianghe during 2001-11 was performed to identify dominant aerosol types and their associated optical properties.Five dominant aerosol types were identified.The results show that the urban/industrial aerosol of moderate absorption was dominant in the region and that this type varied little with season.Urban/industrial aerosol of weak absorption was the next most common type and mainly occurs in summer,followed by that strong aerosols occurring mainly in winter.All were predominantly fine mode particles.Mineral dust(MD) and polluted dust(PD) occurred mainly in spring,followed by winter,and their absorption decreased with wavelength.In addition,aerosol dynamics and optical parameters such as refractive index and asymmetry factor were examined.Results show that the size of coarse mode particles decreased with AOD indicating the domination of external mixing between aerosols.     

CALIOP对一次秸秆焚烧后气溶胶光学特性的探测分析

采用星载激光雷达(Cloud - Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization,CALIOP)资料研究了2008年6月2日华东秸秆焚烧排放气溶胶的光学特性,并与2006～2008年统计结果进行了对比.结果表明:1)CALIOP能够有效探测到气溶胶层,探测结果符合生物质燃烧气溶胶的...     

塔克拉玛干沙漠与撒哈拉沙漠沙尘气溶胶光学特性对比研究

基于2007—2021年CALIPSO和MODIS主、被动卫星遥感探测数据,对塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠的气溶胶光学特性时空分布特征进行探究及对比分析。结果表明：（1）两大沙漠的沙尘气溶胶对总气溶胶的贡献率最大,气溶胶类型季节变化的相对单一性反映了塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠地区存在沙漠沙尘排放对总气溶胶成分的显著影响;（2）塔克拉玛干沙漠气溶胶光学厚度AOD的峰值出现在春季（春季>夏季>秋季>冬季）,而撒哈拉沙漠AOD的峰值出现在夏季（夏季>春季>秋季>冬季）;（3）撒哈拉沙漠总气溶胶抬升高度与塔克拉玛干沙漠相近,但近地面层消光系数明显小于塔克拉玛干沙漠;塔克拉玛干沙漠的消光系数平均值在所有季节中均大于撒哈拉沙漠,故塔克拉玛干沙漠的沙尘气溶胶AOD比撒哈拉沙漠的大;相比沙漠沙尘气溶胶,塔克拉玛干沙漠和撒哈拉沙漠都无明显的污染沙尘和抬升烟活动。上述研究结果揭示了两大沙漠源区沙尘气溶胶光学特性的观测事实与利用大气气溶胶时空变化特征反映区域气候变化的可能性。     

沙尘气溶胶卫星遥感现状与需要关注的若干问题

沙尘暴是全球干旱、半干旱地区特有的一种灾害性天气,所产生的沙尘气溶胶是全球气溶胶系统重要组成部分,对全球环境、天气、气候和生态有复杂的影响。沙尘气溶胶作为一种吸收性气溶胶,对太阳辐射有着较强的吸收,还能通过加热大气、改变大气稳定度、蒸发云滴、减少云量等"半直接方式"影响气候。卫星遥感对沙尘气溶胶的监测具有独特的优势,是全球沙尘研究的重要手段。本文系统整理和介绍了目前常用的可见近红外、热红外、被动微波、紫外和主动激光测量等五类卫星遥感沙尘气溶胶的主要方法,在总结典型遥感仪器和主要产品基础上,讨论了遥感产品的定量精度和地面验证问题,结合辐射传输理论模拟了可见近红外和热红外的卫星观测,探讨了可见近红外遥感的地表反照率影响和热红外高光谱遥感的波段选择问题,最后对未来的一些研究重点进行了展望。