扩展多波长偏振测量的太阳—天空辐射计观测网

太阳辐射和大气气溶胶的地基遥感观测在气候变化、大气环境和对地观测等领域有重要意义。结合多波长偏振测量技术在气溶胶观测中的应用,本文介绍了在中国典型区域建立的太阳—天空辐射计观测网SONET(Sunsky radiometer Oberservation NETwork)。主要内容包括:(1)多波长偏振太阳—天空辐射计的参数、基本原理和功能,以及据此建立的中国区域太阳—天空辐射计观测网及其站点的基本情况;(2)太阳直射、太阳主平面和平纬圈几何条件下,太阳—天空辐射和偏振的观测模式及其测量参数;(3)针对气溶胶、水汽等大气成分观测发展的太阳直射辐射、天空光辐亮度、线偏振度等观测量的定标和数据处理方法,并给出在晴朗和灰霾等天气下的SONET观测结果示例;(4)基于在SONET典型站点连续的较长期遥感观测,初步建立了城市、乡村和灰霾情况下的整层大气气溶胶参数模型。在扩展多波长偏振测量的基础上,SONET还发展了自动观测、快速数据处理、定期标定和维护等观测网运行关键技术,可为典型大气气溶胶模型构建、卫星气溶胶产品反演和验证、大气环境遥感监测等应用提供支撑。     

短波红外CO2反演过程约束研究及初步反演结果

短波红外通道卫星CO2遥感是近年国际研究热点。首先,开展了卫星观测对气溶胶及大气温度的敏感性研究;其次,针对基于最优化理论的非线性迭代反演方法反演过程中的不收敛问题,提出了修正的阻尼牛顿方法(MDNM),并利用模拟数据评估了MDNM方法的有效性;最后,利用GOSAT卫星数据反演CO2的垂直混合比浓度,并与地基TCCON站点数进行比对。研究结果表明:短波近红外CO2卫星遥感受气溶胶散射及温度影响明显;通过地基比对初步验证了MDNM具有良好的精度,两者的相关性R2达到了0.729。     

极地区域气溶胶地基遥感观测及分析

依据全球气溶胶自动观测网在极地区域的观测,对以下问题进行了讨论:(1)温度订正在极地气溶胶光学厚度观测中的重要性及订正方法;(2)在极地进行仪器常数标定的可行性分析及温度效应的影响;(3)利用天空散射光观测反演气溶胶微物理和光学特性参数(粒子谱分布、散射相函数、复折射指数、单次散射反照率等)时,关于观测几何选择的问题,以及针对极地区域气溶胶特性的初步反演结果。这些研究可以为中国未来在两极地区开展基于自动太阳-天空辐射计的气溶胶地基遥感观测提供参考,为极地区域气溶胶卫星遥感及气候效应评估等研究提供重要支撑。     

MODIS卫星遥感估计福州地区近地面PM2.5浓度

卫星遥感反演气溶胶光学厚度已被广泛应用于近地面空气污染遥感监测。为揭示福州地区细颗粒物污染的空间分异趋势,利用2014年—2015年的地基监测细颗粒物(PM_(2.5))浓度数据、MODIS 3 km气溶胶光学厚度(AOD)卫星数据以及GEOS-FP气象数据,分别构建了估计福州地区近地面PM2.5浓度的日校正模型和站点一日校正模型,并利用十折交叉验证方法对2个模型进行评价验证。结果表明:(1)日校正模型和站点一日校正模型分别能够解释福州地区PM2.5浓度76.2%和81.4%的变异,反演的2014年—2015年福州地区近地面PM2.5浓度和地面实测站点数据之间的相关性R~2分别为0.724(RMSE=10.993μg·m~(-3))和0.781(RMSE=9.687μg.m~(-3));(2)分别针对不同下垫面环境的城市站点和县郊站点数据进行模型拟合验证,两个模型反演的PM2.5浓度值与地面实测值之间皆具有良好的相关性,R~2最高可达0.808;(3)将模型反演的PM2.5浓度季均值与地面实测季均值进行对比分析,结果也显示二者高度相关,据此反演的2015年福州地区年平均PM2.5浓度分布图可清晰地揭示福州地区PM_(2.5)浓度分布的空间变化情况。由此可见,基于MODIS 3 km AOD产品和气象数据建立的近地面PM_(2.5)浓度遥感估算模型能够很好地反演出福州地区近地面PM2.5浓度分布情况。     

融合卫星遥感与地面测站的区域PM2.5反演

融合卫星遥感与地面站点的互补优势,进行了华中地区PM2.5的反演研究.基于MODIS LIB数据,结合暗像元法和亮目标法,利用6S大气传输模型反演获得分辨率为1 km的气溶胶光学厚度(AOD);基于M估计理论,将遥感反演的AOD与PM2.5站点数据进行稳健回归分析,并根据回归模型实现大尺度空间连续的PM2.5反演;最后,利用留一交叉验证法,对反演精度进行了验证.结果表明,反演的1 km AOD和MODIS现有的AOD产品相比,与PM2.5站点数据的相关系数从0.683提高到0.883,生成的PM2.5平均绝对误差从23.495 μg/m3降低到11.705 μg/m工3.     

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.     

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。     

基于精细模式气溶胶与WRF模式估算PM_(2.5)质量浓度

将气象要素加入到基于气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)的近地面大气颗粒物浓度估算是目前热门的技术手段之一。获取了江苏省南京市2014年3月—2019年2月期间的AOD,精细模式分数(fine-mode fraction,FMF)和PM_(2.5)质量浓度数据,并结合天气研究和预报(weather research and forecast,WRF)模式得到的气象模拟数据,对南京市PM_(2.5)的质量浓度进行反演。结果表明,相比于AOD与PM_(2.5)进行相关性分析,通过FMF校正得到的精细气溶胶光学厚度AOD_f与PM_(2.5)的相关性分析能够取得更高的拟合系数,R~2最高达到0.40。利用随机森林模型,引入含不同高度的气象因子对PM_(2.5)质量浓度建立反演模型,得到的拟合系数与各误差指标均优于仅含近地面气象因子的模型,表明PM_(2.5)质量浓度受到多因子共同作用的影响,能较好地为利用多源数据反演PM_(2.5)质量浓度提供依据和参考。     

POLDER-2PARASOL卫星气溶胶业务产品在北京地区的验证分析

利用地面AERONET/PHOTONS气溶胶观测网北京和香河站点的资料,在北京地区对POLDER12/PARAsOL卫星多角度偏振信息获得的气溶胶反演产品进行了验证分析.地基AERONET/PHOTONS观测网的体积谱分布资料分析显示,在北京地区气溶胶尺度分布的细粒子截断半径约为0.3um.将POLDER-2/PARASOL卫星气溶胶业务产品和重新定义的地基AERONET/PHOTONs细模态(半径r<0.3p.m)气溶胶光学厚度(AOT)比较,两者在北京地区有着很好的一致性,说明卫星的气溶胶业务反演产品表征了主要来自人类污染排放的细粒子气溶胶贡献.然而,由于POLDER系列卫星业务反演方法固定了埃斯屈朗(Angstrom)指数的变化范围是1.8-3.0造成了细粒子贡献占绝对主导的局限.由地基AERONET/PHOTONS观测资料的分析可知,这个埃斯屈朗指数的先验值远远大于北京地区的地基测量结果,导致了POLDER业务反演的气溶胶光学厚度偏低,埃斯屈朗指数偏高.     

基于MODIS数据的PM2.5反演在大气污染监测中的应用

针对基于传统10km气溶胶光学厚度产品计算PM2.5无法获得更为精细的PM2.5空间分布特征的问题,提出采用6S模型计算获得不同气溶胶光学厚度条件下辐射传输模型方程参数查找表,该查找表可以采用原始光谱波段信息进行数据反演,并结合暗像元法计算得到的地表反射率信息,在辐射传输模型方程计算结果的基础上进行线性插值获得1km气溶胶光学厚度,再利用地面实测PM2.5浓度数据,通过回归分析的方法,获得1km的PM2.5监测数据。以西安市为例,1km分辨率的PM2.5更进一步表现了西安市域内PM2.5的空间分布特征,具有明显的地形分异特征,而且呈现出从城区向郊区逐渐衰减的趋势。研究结果为小区域的PM2.5来源和变化分析提供了一种有效的技术途径。     

基于高分辨率影像的城市地区气溶胶反演研究述评

介绍了大气气溶胶对全球气候变化和大气污染状况的影响,阐述了基于卫星遥感反演气溶胶的国内外研究现状;简要介绍了卫星遥感反演气溶胶的原理以及当前应用较为广泛的单通道和多通道法、基于对比度差异的空间结构法、基于多角度数据的反演方法、基于偏振数据的反演方法和基于星载激光雷达数据的反演方法等5类卫星遥感反演方法;最后根据上述反演方法以及城市地区气溶胶反演的难点,对城市地区气溶胶反演研究进行了论述分析和总结,点明了利用卫星高分辨率遥感影像对城市地区气溶胶反演研究的重要性,讨论了当前基于高分辨率影像的城市地区反演方法的不足,并对其存在的问题的突破点和解决途径进行了展望。     

WRF模式气象数据在遥感反演PM_(2.5)中的应用研究

利用MODIS气溶胶光学厚度产品AOD,结合地面台站气象观测数据和WRF模式气象模拟数据,对徐州环境监测国控级别站点的近地面PM_(2.5)质量浓度进行反演。根据不同气象要素在反演过程中的相关程度,对气象观测数据和WRF模拟数据在遥感反演中的效果进行分析评估。结果表明,气象观测值和WRF模拟气象数据均能有效应用于PM_(2.5)的遥感反演,在气象观测数据时空覆盖度较低的情况下,能够使用WRF模拟数据进行有效替代,为不同来源的气象数据对PM_(2.5)反演应用研究提供依据和参考。     

航空遥感数据典型自然下垫面偏振特性分析

对于航空航天大气偏振遥感来说,下垫面偏振辐射噪声影响扣除至关重要。本文基于航空偏振遥感数据,探讨了典型自然下垫面对可见光及短波红外波段偏振敏感性。研究发现,在可见光波段与短波红外(2250 nm)波段,植被下垫面偏振反射率线性拟合斜率都接近1,相关系数大于0.95,表明植被偏振反射率对光谱波段不敏感。比较分析了平静水面和存在耀光水面在670 nm和2250 nm两波段的偏振特性,存在耀光的水面其偏振反射率大约是平静水面的3倍。此外,在实验室测量了红砂土和河沙土的偏振反射率,偏振反射率随波段的改变量很小,其与波段的线性拟合斜率仅为10-5量级,说明两者的偏振反射率对波段很不敏感。因此,利用典型自然下垫面在可见和短波红外波段的偏振反射特性,将能够有效进行地气解耦,提高大气偏振遥感精度。     

利用POLDER多角度偏振数据反演陆上气溶胶光学厚度的群组残差最优方法

陆上气溶胶光学厚度(AOD)反演作为气候、环境领域的一大研究方向,偏振多角度遥感在这个方向上有其特有的优势.本文使用法国POLDER(Polarization and Directionality of Earth's Reflectance)1 级偏振多角度资料,提出了一种针对气溶胶反演的群组残差最优方法,反演了气溶...     

大气臭氧总量与吸收性气溶胶指数的关系

吸收性气溶胶指数AAI(Absorbing Aerosol Index)是基于卫星观测的紫外后向散射辐射导出的参数,与大气中对紫外线有吸收作用的气溶胶(简称吸收性气溶胶)有关,能够定性反应吸收性气溶胶的存在与空间分布特征。由于臭氧在AAI反演波段对紫外线仍然存在弱吸收作用,因此AAI可能与大气臭氧总量有关,臭氧反演的误差也可能对AAI的反演精度造成影响。为了研究臭氧总量与AAI的关系,臭氧反演的精度对AAI反演的影响,利用辐射传输模型通过敏感性实验,来模拟吸收性气溶胶指数和臭氧总量之间的关系,臭氧反演误差对吸收气溶胶指数的反演的影响。采用沙漠气溶胶,不改变气溶胶的含量,通过改变中纬度夏季的臭氧总量来计算大气模型。对臭氧总量、气溶胶含量与AAI的内在关系,臭氧总量对AAI反演精度的影响进行了模拟,模拟结果表明,气溶胶指数与臭氧总量的改变存在正相关关系,而臭氧总量的反演误差对AAI指数的反演影响不大。基于风云三号气象卫星紫外臭氧总量探测仪(FY-3/TOU)的臭氧总量和吸收性气溶胶指数数据(2012年),分析了青藏高原地区7月份臭氧总量与吸收性气溶胶指数空间分布特征的关系,与模拟结果一致。     

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。     

基于数据同化的长春市雾霾反演与空间特征分析

近年随着长春地区冬季雾霾天气的频繁出现,大气可吸入颗粒物(PM2.5)已成为长春地区的主要空气污染物之一。遥感技术与污染物模型相结合是近年来预报空气质量的一种有效方法。本文以2015—2016年长春市冬季雾霾天气为例,利用MODIS遥感影像获取的气溶胶光学厚度(AOD),反演长春市地表PM2.5浓度值,得到长春市空气污染物空间分布图,并分析长春市空气污染物的时空分布特征。同时利用AOD反演的PM2.5浓度值作为数据同化资料,对长春市地表PM2.5浓度值进行预报,预测结果令人满意。研究结果表明:数据同化与遥感信息技术结合进行雾霾预测是一种有效的手段,可为雾霾反演的数据提供可靠的信息。     

近红外偏振辐射卫星数据的海洋耀光动态检测

太阳光入射海表特定区域形成海洋耀光,呈强反射和偏振特性。在卫星海洋遥感中,海洋耀光对遥感成像质量有较大影响,尤其对海洋上空云、气溶胶及海色等研究干扰较大,因此剔除海洋耀光是卫星遥感数据处理过程中首先要解决的重要问题。以PARASOL卫星的POLDER3载荷数据为研究对象,获取载荷成像时刻太阳及观测几何、海表风速风向及气溶胶光学厚度等参数,采用海气辐射传输相关理论,结合耀光角和多角度NIR偏振辐射信息(865 nm),构建基于近红外偏振辐射特性规则的OGDD模型,获取耀光角临界值实现耀光动态检测。以印度洋某海区为研究对象,获取实测耀光区NIR通道的大气层顶反射率和偏振反射率,利用OGDD模型将耀光角判别临界值调整为34°。相比MODIS经验临界值(40°),标记耀光像元相对减少了30%。结果表明,该方法不仅能通过动态调整临界值准确识别海洋耀光,为云检测及云物理特性反演提供可靠的源数据,还能为高分五号卫星多角度偏振载荷在轨定标及气溶胶反演提供支持。     

新冠疫情影响下武汉市气溶胶类型变化分析

应用湖北省武汉市2019年12月1日—2020年4月30日期间的大气颗粒物数据(PM10与PM2.5),以及MODIS气溶胶产品,获取该区域的气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)、精细模式分数(fine-mode fraction,FMF)数据,建立4种气溶胶类型(城市/工业型、沙尘型、干洁海洋型和混合型)模型,对比分析新冠肺炎疫情影响下,社会管控及产业停产对武汉市大气颗粒物及气溶胶类型特性的影响。结果表明,管控及停产期间由于人为排放量减少,大气颗粒物浓度值均呈现下降趋势,除春节假期以外,城市/工业型气溶胶占比同样呈下降趋势,干洁海洋型气溶胶占比则上升至13.4%,而有序复工复产后,变化趋势则与管控停产期间相反。与2017—2019年同时期相比,春节后持续管控及停产期间,大气颗粒物浓度值和气溶胶参数同样低于往年同期。MODIS气溶胶产品能够有效获取区域气溶胶特性,对区域大气环境的监测及治理提供数据帮助。