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。     

雾灵山山基掩星观测反演误差分析

运用山基GPS掩星探测技术对2005年8月河北雾灵山山基GPS掩星观测试验数据进行了处理,获得了接收机高度以下的大气折射率廓线;分析了掩星反演结果的内部符合情况,并利用同时进行的联合探空观测数据,将探空结果与掩星反演结果进行了比对分析.分析结果表明,山基GPS掩星反演大气折射率的内部符合精度优于1%,与常规探空结果的平均偏差为5.9%.反演结果偏小,标准偏差为5.6%.     

武汉地区大气特征的日变化及季节变化分析

大气温度和湿度是描述大气动力和热力状态的重要参数。重点分析武汉地区由微波辐射计测量获得的温度和湿度廓线、大气边界层高度(atmospheric boundary layer height,ABLH)以及液态水路径(liquid water path,LWP)廓线的日变化及季节性变化。首先在有云和无云情况下,对RPG-HATPRO型微波辐射计和探空气球的探测结果进行比较。微波辐射计反演得到的温度、湿度在2 km以下相较于探空气球偏低,2 km以上则均表现为偏高;观测精度会因天气条件的不同而变化,使用微波辐射计产品时,应着重考虑云的影响。然后分析2011—2015年各气象要素的日变化和季节变化,实现武汉地区对流层大气的热力学表征。ABLH从上午8时开始增加,下午15时达到最高值,之后开始下降,在夜间整体保持稳定。LWP在夜间含量要高于白天,冬季高于夏季。结合高度信息,分析得出相对湿度(relative humidity,RH)在0～1 km随高度的增加而上升,随后下降。对武汉地区气象参数的日变化与季节性变化进行观测与分析,为气象探测、大气污染研究、空气质量监测、天气预报等提供了可靠信息。     

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。     

结合地基激光雷达和太阳辐射计的气溶胶垂直分布观测

选取2013年1月灰霾和2月晴好天进行气溶胶垂直分布的雷达观测研究,并对不同高度气溶胶消光系数进行对比分析。结果显示在研究时间段内,晴好天时气溶胶的垂直分布不均匀,易出现垂直分层现象,而灰霾天时气溶胶主要集中在垂直高度1km以下,基本无分层现象。对比分析显示,严重灰霾天时气溶胶消光系数较大,在400米高度可达到中度污染天的5倍,以及晴好天的50倍。此外,整层大气的气溶胶光学厚度与400米处消光具有较好的相关性。     

基于北斗卫星的水汽探测性能分析

本文利用北斗试验网的数据,结合探空观测,对北斗系统与GPS系统,北斗、GPS与探空系统之间进行详细的比较分析,对北斗水汽探测性能及精度给出初步分析结果。北斗系统与GPS系统及探空系统大气可降水量的探测结果较一致,很好地反映了大气可降水量的变化情况;北斗系统解算出的大气可降水量大于GPS系统,两个系统间存在2~3.3mm的系统误差,水汽含量较低时,一致性更好;北斗系统与探空的系统误差和标准偏差较大,定位定轨模型有待优化,系统稳定性有待提高。     

灰霾污染状况下气溶胶组分及辐射效应的遥感估算

本文利用地基遥感观测数据和气溶胶模型,分析了北京地区2013年1月份灰霾期间气溶胶中不同成分的光学与物理化学特性,并使用大气辐射传输模式估算了气溶胶中不同成分对直接辐射强迫的贡献。结果显示,在严重灰霾时期,大气中的硫酸盐等水溶性气溶胶光学厚度（440nm）显著增加,对气溶胶光学厚度的贡献达到70%以上,同时黑碳气溶胶对总光学厚度（440nm）的贡献也呈现增长趋势,是晴朗天气下的8倍以上。严重灰霾（28日）时气溶胶的直接辐射强迫显著增加,但气溶胶中不同成分对辐射效应的贡献不同,黑碳成分在气溶胶对大气层的辐射强迫中占主要贡献（57%）,而水溶性成分则在气溶胶对地表的辐射强迫中占主要贡献（60%）。     

日食对中国大气边界层热力状态的影响分析

地球的能量主要来源于太阳,太阳的辐射变化对地球大气边界层有着潜在的影响。日食过程中太阳被遮挡减少了到达地球的热辐射能量,大气热力状态被改变,为研究大气层热力状态的变化提供了一个好的机会。2020年6月21日,在中国境内出现了一次日环食,除日环食带以外中国其他地区都可见到日偏食。为了研究日食对边界层大气热力状态的影响,本文分析了西安、遵义、南宁和宜宾4个不同地区的微波辐射计实时连续观测的大气温湿度廓线数据,研究日食期间不同日面遮挡程度对不同边界层高度上大气热力状态的变化及其受天气条件的影响。这4个站点月球对太阳的遮挡比例都不相同,其中宜宾处在日环食带上遮挡最多。实验结果表明,日食期间大气边界层温湿度受到日食的影响较为明显。从日食开始到最大时刻由于到达地球的太阳辐射能减少,边界层大气温度也开始降低,在日食从最大时刻到结束期间,从太阳到达地球的辐射能量逐渐增大,边界层温度开始上升,日食过程中相对湿度变化与温度相反。4个站点温度变化最大约4℃,相对湿度变化超过10%,水汽密度没有明显变化,各个高度层温湿度变化明显滞后日食过程约15—20 min。日食过程中,月球对日面遮挡越多,日食对边界层大气...     

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。     

不同星历反演大气可降水量的时间序列分析

针对地基GPS水汽探测过程中星历文件的选取对最终反演结果影响的问题,该文利用探空资料建立了一种新的香港季度加权平均温度计算公式,采用3种不同星历对GPS观测数据进行基线解算。通过MATLAB对反演的大气可降水量进行时间序列分析,3种不同星历反演的大气可降水量与探空数据的结果相似,均方差非常接近,快速星历与最终精密星历反演精度基本一致,超快速星历与最终精密星历的反演精度接近。此结果表明:不同星历的选取能够对最终反演结果产生影响,但影响可以近似忽略;最终精密星历可用于事后的高精度水汽反演,分析水汽的变化规律;快速星历结果可用于时效性快的水汽探测;超快速星历用于实时水汽探测,成为水汽探测的手段之一。     

星载大气探测激光雷达发展与展望

从最早的星载激光雷达空间技术实验LITE出发,回顾了已成功发射的多颗星载激光雷达发展历程。详细阐述了LITE、CALIPSO等星载激光雷达在大气遥感领域,特别是气候环境变化和数值预报模式研究上所取得的成就。主要从全球气溶胶垂直结构及其辐射强迫、全球云垂直结构和特征、气溶胶-云-降水相互作用和气溶胶数据在雾-霾和沙尘天气预报中的应用等4个方面进行展开说明,并且深入分析了未来星载激光雷达在大气风场和大气成分探测方面所面临的需求和挑战。在大气风场探测需求方面,结合星载激光雷达探测优势从提高热带地区的天气预报准确率、提高非地转条件下中小尺度短时临近预报水平和填补卫星高/低空急流监测技术空白等3个方面进行详细论述。在大气成分探测需求方面,与传统被动探测仪器相比较,突出激光雷达在信噪比、CO2垂直结构和夜间探测上的明显优势。最后,指出全球风场和大气成分探测将成为未来星载激光雷达的重要发展方向。     

利用FY-3C折射率对大气边界层高度的反演与分析

2013年中国发射了首颗进行全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)掩星观测的气象卫星风云3号C星(Fengyun-3C,FY-3C),且已发布自2014年6月以来的FY-3C掩星大气产品,但目前还未见将其应用于大气边界层的相关研究。首次尝试利用FY-3C折射率产品确定边界层高度并进一步进行空间分布分析。结果表明,在小波协方差变换法基础上,进行尖锐度约束,能够确定FY-3C掩星低层大气折射率廓线中可能存在的突变,反演边界层高度。所得到的2015―2018年各年边界层高度全球分布在不同纬度及海洋和陆地上的差异基本体现了边界层与地表气候及地形的关系,但FY-3C折射率产品在低层大气的精度和垂直分辨率相对较低。因此,反演成功率总体上较低,反演结果对边界层高度空间分布细节特征的呈现仍有待提升。     

机载激光雷达平均树高提取研究

为了研究机载激光雷达(LiDAR)树高提取技术,以山东省泰安市徂徕山林场为实验区,于2005年5月进行了机载LiDAR数据获取和外业测量.通过对LiDAR点云数据的分类处理,分别得到了试验区的地面点云子集、植被点云子集和高程归一化的植被点云子集.基于高程归一化的植被点云子集计算了上四分位数处的高度,与实地测量的数据进行了比较,并结合中国森林调查规程进行了实用性分析.结果表明:对于较低密度的点云数据,使用分位数法可以较好地进行林分平均高的估计;机载激光雷达技术对树高估计是可行的,精度都高于87%,总体平均精度为90.59%,其中阔叶树的精度高于针叶树.该试验精度可以满足中国二类森林调查规程中平均树高因子的一般商品林和生态公益林的精度要求,对国有商品林小班的调查精度要求(5%)存在一点差距,需要在国有商品林区进一步开展验证工作.对本试验区而言,已经可以满足其作为森林公园生态公益林的调查要求.     

利用太阳-天空辐射计遥感观测反演北京冬季灰霾气溶胶成分含量

根据气溶胶成分的光学特性,气溶胶可简化为五种成分组成：一类是吸收性的成分,包括黑碳(BC)、吸收性有机碳(BrC)、沙尘(DU);另一类是散射性成分硫酸铵(AS);还有一类是气溶胶中的重要成分——水分(AW)。本文基于太阳-太空辐射计获取的气溶胶微物理特性资料,对北京2013年1月灰霾过程气溶胶中这五种成分的含量进行了定量反演研究。结果表明,灰霾天气下气溶胶中BC,BrC,DU,AS和AW的体积比例为2%,9%,30%,33%和26%,而清洁天气分别为3%,3%,15%,71%和8%。对于质量浓度,灰霾天气下BC,BrC,DU,AS和AW分别是7,35,166,131和73 mg/m2;而清洁天气下分别为4,4,29,78和6 mg/m2,两者的成分比例有显著差别。反演的黑碳质量浓度,以及细粒子的质量浓度分别与黑碳仪的观测和环保部公布的PM2.5的质量浓度具有很好的一致性,相关系数（R2）分别为0.45和0.85。     

激光雷达回波模型辅助的坡地森林冠层高度反演

大光斑激光雷达数据已广泛应用于森林冠层高度提取,但通常仅限于地形坡度小于20°的平缓地区。在地形坡度大于20°的陡峭山区,地形引起的波形展宽使得地面回波和植被回波信息混合在一起,给森林冠层高度提取带来巨大挑战。本文利用激光雷达回波模型和地形信息,提出了一种模型辅助的坡地森林冠层高度反演算法。该方法以激光雷达回波信号截止点为参考,定义了波形高度指数H50和H75,使用激光雷达回波模型与已知地形信息模拟裸地的激光雷达回波,将裸地回波信号截止点与森林激光雷达回波信号截止点对齐,利用裸地回波计算常用的波形相对高度指数RH50和RH75,对森林冠层高度进行反演。并与高斯波形分解法和波形参数法的反演结果进行了比较。研究结果表明:(1)利用所提取的波形指数RH50和RH75对胸高断面积加权平均高(Lorey’s height)进行了估算,在坡度小于20°时,高斯波形分解法、波形参数法和模型辅助法的估算结果与实测值线性拟合的相关系数(R2)分别为0.70,0.78和0.98,对应的均方根误差(RMSE)分别为2.90 m,2.48 m和0.60 m,模型辅助法略优于其他两种方法;(2)在坡度大于20°时,高斯波形分解法、波形参数法和模型辅助法的R2分别为0.14,0.28和0.97,相应的RMSE分别为4.93 m,4.53 m和0.81 m,模型辅助法明显优于其他两种方法;(3)在0°—40°时,模型辅助法对Lorey’s height估算结果与实测值的R2为0.97,RMSE为0.80 m。本研究提出的模型辅助法具有更好的地形适应性,在0°—40°的坡度范围内具备对坡地森林冠层高度反演的潜力。     

Study on Sampling Rule and Simplification of LiDAR Point Cloud Based on Terrain Complexity

It is difficult to obtain digital elevation model (DEM) in the mountainous regions. As an emerging technology, Light Detection and Ranging (LiDAR) is an enabling technology. However, the amount of points obtained by LiDAR is huge. When processing LiDAR point cloud, huge data will lead to a rapid decline in data processing speed, so it is necessary to thin LiDAR point cloud. In this paper, a new terrain sampling rule had been built based on the integrated terrain complexity, and then based on the rule a LiDAR point cloud simplification method, which was referred as to TCthin, had been proposed. The TCthin method was evaluated by experiments in which XUthin and Lasthin were selected as the TCthin’s comparative methods. The TCthin’s simplification degree was estimated by the simplification rate value, and the TCthin’s simplification quality was evaluated by Root Mean Square Deviation. The experimental results show that the TCthin method can thin LiDAR point cloud effectively and improve the simplification quality, and at 5 m, 10 m, 30 m scale levels, the TCthin method has a good applicability in the areas with different terrain complexity. This study has theoretical and practical value in sampling theory, thinning LiDAR point cloud, building high-precision DEM and so on.     

Retrieving aboveground biomass of wetland Phragmites australis (common reed) using a combination of airborne discrete-return LiDAR and hyperspectral data

Wetland biomass is essential for monitoring the stability and productivity of wetland ecosystems. Conventional field methods to measure or estimate wetland biomass are accurate and reliable, but expensive, time consuming and labor intensive. This research explored the potential for estimating wetland reed biomass using a combination of airborne discrete-return Light Detection and Ranging (LiDAR) and hyperspectral data. To derive the optimal predictor variables of reed biomass, a range of LiDAR and hyperspectral metrics at different spatial scales were regressed against the field-observed biomasses. The results showed that the LiDAR-derived H_p99 (99th percentile of the LiDAR height) and hyperspectral-calculated modified soil-adjusted vegetation index (MSAVI) were the best metrics for estimating reed biomass using the single regression model. Although the LiDAR data yielded a higher estimation accuracy compared to the hyperspectral data, the combination of LiDAR and hyperspectral data produced a more accurate prediction model for reed biomass (R² = 0.648, RMSE = 167.546 g/m², RMSE_r = 20.71%) than LiDAR data alone. Thus, combining LiDAR data with hyperspectral data has a great potential for improving the accuracy of aboveground biomass estimation.     

全波形机载激光雷达绝对辐射定标与不确定性分析

为揭示全波形激光雷达回波在森林等植被区域多回波信号的特征和对目标识别分类的影响,以激光雷达方程为模型基础,利用朗伯体目标为地面参考,提出了将激光雷达波形参数标定为后向散射截面、后向散射系数和漫反射率等物理量的方法,实现了机载小光斑全波形机载激光雷达数据绝对辐射定标。对两个不同实验区的LMS-Q680i数据标定结果表明,漫反射率与参考反射率相对误差总体分别小于10%和5.5%,误差标准差分别为0.044和0.077,有效消除了条带间差异。推导了多回波的激光雷达方程组,比较了相同系统在不同观测条件下的定标常数变化,重点分析了全波形激光雷达在穿透性目标上的多回波现象造成的能量衰减,及其对辐射定标结果的影响,证明了多回波现象是造成多回波信号减弱的主要原因。该现象是当前技术体制下激光雷达观测过程本身存在的缺陷,对基于激光雷达辐射信息的目标识别分类带来了一定的挑战,也是多光谱、高光谱激光雷达辐射信号定标必须解决的问题。