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。     

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。     

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.     

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.     

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。     

利用MODIS光学厚度遥感产品研究北京及周边地区的大气污染

对2001年在北京地区利用太阳光度计观测的气溶胶光学厚度和NASA发布的MODIS气溶胶产品进行了比较,验证了这一卫星遥感产品的可靠性;比较了2001年MODIS气溶胶光学厚度(AOD)产品和由空气污染指数(API)计算的每日平均可吸入颗粒物(PM10)浓度,得到了比较高的相关系数,证实该气溶胶产品可用于污染分析.将北京地区AOD与气象能见度观测资料进行比较,得到了不同季节的气溶胶"标高".利用统计的不同季节的气溶胶标高,从光学厚度的季节分布得到了能见度(能见距离)的季节分布.气溶胶光学厚度图像的个例分析表明,除局地排放外,周边区域(主要为西南和南向)的输送对北京市区的空气污染贡献份额较大.卫星遥感气溶胶可以比较直观地再现污染物的区域分布和输送,不仅为研究全球气候变化也为研究区域环境的空气质量提供了一种有效手段.     

中国遥感卫星辐射校正场气溶胶光学特性观测研究

1999年6月28日~7月19日在敦煌场, 7月25日~7月31日在青海湖水面场进行了一次大规模综合野外测量试验, 其中采用3台先进的法国CIMEL太阳辐射计对两个场地大气光学特性进行了系统全面测量, 获得大量晴空天气条件下的大气光学数据。利用Langley法处理气溶胶通道数据得到气溶胶光学厚度及其光谱变化。测量结果显示550 nm波长平均气溶胶光学厚度分别为0.12、0.18, 由气溶胶光学厚度的波长变化得到气溶胶Junge参数分别为2.6、3.0, 并与几种典型气溶胶类型比较。结果表明两地在晴空天气里, 气溶胶含量较小, 符合遥感卫星传感器辐射定标的大气条件。     

利用静止卫星MTSAT反演大气气溶胶光学厚度

卫星遥感是获取气溶胶光学特性的重要手段,利用静止卫星可见光通道资料反演气溶胶光学厚度(AOD)的算法使用日本静止气象卫星MTSAT可见光通道资料反演了2008年5月中国地区陆地上的气溶胶光学厚度,将得到的结果分别与AERONET站点的地面观测值进行比较,得到了较好的线性相关关系,再将其与相应的MODIS气溶胶光学厚度产品进行比较,也得到了较为一致的分布,表明MTSAT反演的气溶胶光学厚度产品可以反映大气气溶胶光学厚度的日变化信息。最后对这种反演算法的误差来源进行了分析。     

宽带消光法反演气溶胶光学厚度与AERONET北京站探测结果的对比研究

该文简要介绍了遥感气溶胶光学厚度的宽带消光法, 重点比较与分析了2001～2002年间北京地区宽带消光法和全球气溶胶探测网(AERONET)气溶胶光学厚度的探测结果.对比结果表明, 两类探测结果在无云晴天的条件下具有很好的吻合, 二者的相关系数达到90%以上.另外, 作者还针对宽带消光法反演月平均气溶胶光学厚度问题, 提出了一个减小云对反演结果影响的方法, 即月平均光学厚度约束法, 并与全球气溶胶探测网探测结果做对比分析.二者结果的一致性表明该约束方法的有效性.     

利用MODIS卫星和激光雷达遥感资料研究香港地区的一次大气气溶胶污染

利用MODIS可见光通道气溶胶光学厚度的卫星遥感和523 nm波长微脉冲激光雷达 (MPL LIDAR) 对气溶胶消光系数垂直分布的观测，分析了珠江三角洲地区2003年6月一次气溶胶污染过程中气溶胶光学厚度的分布特征、气溶胶消光系数廓线的演变，认为这次污染过程是弱高压控制下的区域性污染，而香港地区污染物浓度的上升与区域性输送有直接关系，结果表明卫星和激光雷达的光学遥感方法提供了研究大气污染的可行手段。     

利用多角度POLDER偏振资料实现陆地上空大气气溶胶光学厚度和地表反照率的同时反演 I. 理论与模拟

陆地上空标量辐射对地表反射率和大气气溶胶散射都具有很强的敏感性,而偏振反射只对大气气溶胶敏感,对地表不敏感。根据这个原理并结合POLDER(POLarization and Directionality of Earth Reflectance)资料的特点,作者提出综合利用标量辐射和偏振反射信息来实现陆地上空大气气溶胶和地表反照率的同时反演。首先,利用多角度偏振辐射观测提取大气气溶胶光学参数,再利用标量辐射测量对偏振反演结果作进一步筛选和订正,同时获得地表反射率。数值模拟试验结果证明,仅利用偏振信息只能获取大气气溶胶信息,而且其结果误差较大,特别是对于散射作用较强的短波长通道如670 nm误差更大,但经过标量辐射订正后的结果得到明显改善,气溶胶光学厚度和地表反射率与真实值之间相关系数都达到0.99以上。为提高查找表的计算效率,提出并建立了反演方案所需要的半参数化数值表,利用内插方法寻求气溶胶光学厚度和地表反射率的数值解的反演方法。     

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...     

CE318太阳光度计观测资料应用前景及其解读

2002年中国气象局在沙尘暴各观测站点安装了CE318太阳光度计,用于探测大气气溶胶。为了使研究人员了解CE318太阳光度计工作原理、数据存储格式及解读方法,使这批观测数据很好地发挥作用,该文介绍了气溶胶气候效应的研究现状,分析了应用太阳光度计这种地基手段探测气溶胶的优势以及探测数据的应用前景。同时,针对光度计原始观测资料直接应用的瓶颈问题———资料解读方案进行了讨论,包括定标、气溶胶光学厚度的计算、光度计数据质量控制方法等。结合新疆塔中站光度计观测资料,列举了采用Langley法进行定标和计算气溶胶光学厚度的步骤。     

一种反演气溶胶光学厚度的改进方法

该文提出了一种简单快速反演气溶胶光学厚度的方法,该算法对地表反照率的处理与MODIS V5.2算法相同,但气溶胶谱分布假定为Junge谱,设置了新的气溶胶参数。应用2006年9月6日—2008年6月10日太湖MODIS观测资料和2008年5月20日—2009年7月6日香河MODIS观测资料进行反演,并将反演结果与AERONET (AErosol RObotic NETwork) 站点资料进行对比,以检验算法的适用性和精度。对比结果显示:该算法在太湖的反演结果与AERONET太湖站反演结果对比的标准偏差为0.429,而MODIS卫星AOD产品与AERONET太湖站反演结果对比的标准偏差为0.693;相应在香河的两种反演结果与地面观测对比的标准偏差分别为0.493和0.542。该算法的反演误差小于MODIS现行算法,反演结果合理,具有较好的适用性,说明这种方法在这两个区域具有更高的反演精度。     

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。     

Recent Progresses in Atmospheric Remote Sensing Research in China——Chinese National Report on Atmospheric Remote Sensing Research in China during 1999-2003

Progresses of atmospheric remote sensing research in China during 1999-2003 are summarily introduced.This research includes: (1) microwave remote sensing of the atmosphere; (2) Lidax remote sensing; (3)remote sensing of aerosol optical properties; and (4) other research related to atmospheric remote sensing，including GPS remote sensing of precipitable water vapor and radiation model development.