全球陆地上空MODIS气溶胶光学厚度显著偏高

通过对比全球气溶胶监测网络(AERONET)和中分辨率成像光谱仪(MODIS)陆地上空气溶胶光学厚度资料, 表明除非洲和东南亚少数站点MODIS光学厚度偏低之外, 在其他站点MODIS均高估了气溶胶光学厚度, 平均而言, 蓝光和红光波段MODIS光学厚度分别比相应AERONET光学厚度高0.041和0.090. 红光波段MODIS光学厚度偏差与地表反射率(2130 nm)显著正相关, 表明MODIS气溶胶算法中红光波段地表反射率估算偏低可能是导致这一现象的主要原因. 建议使用蓝光波段MODIS气溶胶光学厚度.     

北方地区MODIS和MISR与AERONET气溶胶光学厚度的比较及其时空分布分析

通过对比2006～2009年,搭载在Terra卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)和多角度成像光谱仪(MISR)传感器与我国北方4个地面AERONET站点观测的气溶胶光学厚度AOD(aerosol optical depth),发现在SACOL站和北京站,MISR反演的气溶胶光学厚度优于MODIS;在香河站和兴隆站,MODIS反演的气溶胶光学厚度优于MISR.总体上,MISR反演的Angstrom值与地面观测相对误差为14%,而MODIS反演结果的相对误差为30%.因而在气溶胶辐射强迫研究中,使用MISR反演的Angstrom值来计算不同波段的气溶胶光学厚度,得到的结果误差较小.同时,利用卫星观测分析了我国大部分地区AOD季节平均分布特征:主要有两个高值区,分别是塔克拉玛干沙漠和华北南部以及华东北部地区.高值区位置随四季变化不明显,但在量值上有明显的季节变化.塔里木盆地春季AOD值最大,华北南部以及华东北部AOD值在夏季最大.MODIS和MISR Angstrom指数分布均表明,春季塔克拉玛干沙漠的气溶胶粒子半径最大;夏季两个高值区的气溶胶粒径达到最小.     

广州大气气溶胶对到达地表紫外辐射的衰减

利用地表紫外辐射(UV,295～385nm)观测、太阳光度计与辐射模式定量评估了广州大气气溶胶对UV的衰减.观测表明UV谱区340nm的气溶胶光学厚度(AOD)年平均值达1.19,气溶胶光学厚度AOD340nm>1.0的年均出现频率达55%,对地表340nm紫外直接辐射的年均衰减率达68%.地表紫外辐射观测与模式评估表明全年大气对UV的平均衰减达75%,干季(10,11,12,1月)的平均衰减达72%;大气气溶胶在干季对UV的平均衰减达62%.表明目前广州城市群大气气溶胶对紫外辐射的衰减十分显著,至少一半以上的紫外辐射被大气气溶胶衰减,如此大幅度的衰减对城市生态系统、物种化学循环尤其是光化学反应过程将有重大的影响.     

日照边缘区电离层对2003年10月28日大耀斑的响应

利用国际GPS服务中心(IGS)的GPS观测数据, 分析了2003年10月28日特大耀斑期间日照边缘区域的电离层总电子含量(TEC)的响应特点. 计算结果表明, 这是有相关记录以来最强烈的一次电离层总电子含量突增事件, 在地面太阳天顶角80°到110°的空间范围内, 观测到了明显的由耀斑辐射引起的总电子含量突增. 在太阳天顶角90°区域的TEC增加值大约为7 TECU, 在110度附近的总电子含量的增加值大约在1~2 TECU. 总的来看, 太阳天顶角越大, TEC增幅越小, 但在天顶角大于90°的区域TEC随天顶角的减少的速度要大于天顶角90°以内的区域.     

半干旱区不同下垫面地表反照率变化特征

分析了通榆半干旱区退化草地和农田下垫面2003~2005三年来地表反照率的日、季和年变化特征, 并讨论了地表反照率与太阳高度角及土壤湿度的关系. 发现退化草地和农田下垫面的地表反照率具有相似的日变化和季节变化, 冬季较大, 夏季较小; 地表反照率的日变化随天气条件的不同而不同, 晴天日变化曲线形如“U”形, 雨后晴天地表反照率的日变化是先低后高, 雪后晴天是先高后低, 多云天日变化波动较大, 阴天几乎没有日变化. 两下垫面地表反照率的差异在冬季主要受降雪影响, 最大为0.04; 在夏季受降雨的影响较大, 但地表反照率差异不大, 只有0.01; 秋季由于下垫面植被的差异, 地表反照率差异最大可达0.04. 对于三年平均地表反照率, 退化草地在春、夏、秋和冬季分别为0.25, 0.22, 0.24和0.32, 农田春、夏、秋、冬季分别为0.25, 0.21, 0.22和0.33. 地表反照率随着太阳高度角增大而减小; 当太阳高度角大于40°时, 地表反照率基本上趋于不变. 在生长季地表反照率与表层土壤湿度存在负指数关系.     

沙尘直接辐射效应对东亚地气系统的影响

基于东亚-北太平洋地区太阳高度角在春季乃至由冬季到夏季的逐日变化规律, 选取 2001 年春季发生的3 次典型沙尘暴为例, 利用包含详细气溶胶辐射参数化方案的大气辐射传 输模型, 模拟研究了该地区太阳高度角的变化对东亚-北太平洋地区沙尘直接辐射效应的可能 影响. 研究结果表明, 在沙尘暴爆发时间从春初(或冬季)到春末(或夏季)的变化过程中, 由于 该地区太阳高度角逐渐增大, 导致沙尘在大气顶晴空正辐射强迫值增加、负辐射强迫值降低 甚至转变为正强迫. 具体表现为: 在地表反照率低的海洋上空, 春初到春末太阳高度角的增 加使得沙尘在大气顶负辐射强迫的值由大变小, 即对地气系统由较强的降温转变为较弱的降 温作用; 在地表反照率较高的沙漠及其周边地区, 春初到春末太阳高度角的增加导致沙尘在 大气顶辐射强迫由负值转变为正值, 即对地气系统由辐射降温逆转为辐射增温. 云天辐射强 迫的研究结果与晴空类似, 但低云的存在相当于在一定程度上增加了地表反照率, 它一方面 使得沙漠上空沙尘层由冷却地气系统到加热地气系统这一逆转过程发生的日期提前, 也导致 了沙尘在海洋上空负的辐射强迫比晴空时随着太阳高度的增加减小得更为明显, 甚至局部地 区因为低云的存在由弱的负强迫变为弱的正强迫. 这一研究结果说明, 在东亚沙漠附近地区, 即便是同等强度的沙尘暴事件, 因为发生的日期不同, 太阳高度角不同, 沙尘层在大气顶的 辐射强迫和对地气系统的影响也会因此不同甚至相反. 沙尘暴发生的时间越靠近初春或冬季, 在沙漠附近, 沙尘在大气顶辐射强迫越倾向为负值, 对地气系统表现为降温作用, 沙尘暴发 生时间越靠近春末或夏季, 由于太阳高度角的增大, 沙尘在大气顶越容易产生正辐射强迫, 对地气系统表现为增温作用. 简而言之, 即在东亚沙漠源区附近, 沙尘直接辐射效应可能呈 现“春初(冬季)降温, 春末(夏季)增温”的特征.     

海面油膜的偏振高光谱反射特性分析

针对遥感技术对海面油膜污染监测的需要和油膜污染对海洋的影响,以大庆原油、吉林原油、重油和大连湾海水为材料模拟海面油膜污染,测量不同原油与不同厚度油膜的多角度高光谱偏振反射信息,并计算出偏振度.通过对不同厚度油膜与海水的偏振度对比分析得出:在薄油膜情况下,在400～1000nm内海水的偏振度大于油膜的偏振度,但785nm附近差异较小;在入射天顶角为20°和30°时(探测天顶角等于入射天顶角),利用近红外波段785和880nm处的偏振度易于区分油膜厚度的变化;当油膜厚度增加到一定程度时,呈现出原油固有的偏振度特性,即在可见光范围内海水的偏振度大于油膜的偏振度,在近红外波段范围内小于油膜的偏振度;当入射天顶角从40°到50°时,海水的偏振度逐渐增大,且在50°时大于油膜的偏振度.海面油膜偏振反射特性的研究为遥感监测海面污染提供了新的依据.     

云的非均匀性对双向反射率的影响

应用SHDOM模式对选自供国际比对的I3RC PhaseⅡ的积云场与层积云场计算了其0.67及2.13 μm的天底方向的双向反射率, 探讨了云的非均匀性对双向反射率(BRDF)的影响. 数值模拟结果表明, 随着太阳天顶角的增大, 积云场有约6%的格点的0.67 μm的BRDF值出现>1的异常值. 进一步分析表明, BRDF值异常聚集出现于云顶的局地低谷. 这些区域既可以受到太阳的直射, 也可以接收到邻近较高的云的散射辐射, 从而造成该区域的散射辐射增强. 这说明云的非均匀性有可能造成卫星的观测值出现与平面平行辐射传输理论不相符的状况, 提示高分辨率的卫星资料的像素点的辐射值可能会因云非均匀性的影响而被增强, 对应用其反演的产品要有清醒的认识. 中高纬度地区的优势太阳天顶角均较大, 云非均匀性对于这些区域的反演结果的影响更大.     

大气冰核浓度对冷云辐射特性的影响以及多年来冷云反照率的变化

采用时间跨度较长的PAL卫星资料,以北京地区为例,分析了冷云反照率和气溶胶浓度的相关关系.发现北京地区冷云反照率和气溶胶光学厚度之间存在比较好的正相关,并和地面能见度存在较好的反相关关系,说明冷云反照率很可能是受到冰核浓度变化的影响.另外,通过对北京地区冷云反照率从1982~1999年变化的分析,发现反照率呈现先增加后减小的趋势.整个中国地区冷云反照率的变化趋势表明,部分地区的冷云反照率出现了变化.由于冷云在全球气候系统中的重要性,这种变化最终会导致气候相应变化.     

北京及周边城市群落气溶胶影响域及其相关气候效应

用晴空、稳定天气条件下卫星遥感MODIS 反演气溶胶光学厚度资料, 结合地面观测PM10 浓度资料进行变分分析, 并利用卫星TOMS 反演气溶胶光学厚度资料和北京及周边各气象站观测日照时数、雾日数、低云量等气象要素资料进行统计分析, 探讨了北京及周边城市群落的气溶胶分布及其区域气候效应特征, 研究结果表明, 通过晴空、稳定天气条件MODIS 卫星遥感气溶胶反演指数结合地面实测场进行变分订正多样本合成分析, 亦可发现北京与南部周边“马蹄型”大地形“谷地”内类似“三角形”气溶胶高值区的分布特征图像. 上述气溶胶分布特征表明, 城市群落污染物大尺度迁移、扩散过程可构成更大空间尺度城市群落气溶胶相对持续稳定的特征分布. 北京及周边区域在区域特殊大地形影响背景下TOMS 卫星气溶胶反演指数高值区及其与晴空日照时数的区域相关分布均类似于上述 MODIS 气溶胶反演光学厚度变分场合成图像, 即大气气溶胶影响效应在北京及周边地区表现显著. 晴空日照时数与TOMS气溶胶指数两者负相关高值区域与20 世纪80~90 年代日照时数偏差负值显著区分布特征近似吻合, 且气溶胶指数与晴空日照时数的逐日变化呈互为反相关关系. 上述京津地区城市气溶胶影响高相关区偏于两城市南部周边范围; 其“重心”偏于京津城市群落南部, 主体大范围向南延伸, 构成类似偏心椭圆影响区, 即北京城市周边存在某种“半径”范围的气溶胶影响域. 此类气溶胶影响域内外, 日照时数、低云量和雾日数的年际变化趋势呈区域性显著差异. 城市群落下风方存在雾或低云量年代际增多趋势显著区, 上述现象可能与气溶胶影响域内城市群落污染扩散动力过程中区域性气流汇合流场局地气候特征相关, 此类局地动力特征可能导致城市群落下风方气溶胶影响的区域性“加剧”效应. 研究结果揭示出气溶胶影响域内低云量年代际变率显著区与城市“下游羽流区”局地风场结构的气     

近30年来中国地区大气气溶胶光学厚度的变化特征

利用我国北京等地４７个甲种日射站１９６１～１９９０年逐日太阳直接辐射日总量和日照时数等资料,反演了该４７站３０年来逐年、逐月０．７５ｕｍ大气气溶胶光学厚度（ＡＯＤ）的平均值。结果表明：１９６１～１９９０年,我国ＡＯＤ总体呈明显增加趋势,其中西南地区东部、长江中、下游地区及青藏高原主体。大气气溶胶增加最为明显;华北地区、山东半岛、青海东部和广东沿海,大气气溶胶增国也较明显;西北地区和东北地区大部气溶     

CSHNET观测网评估MODIS气溶胶产品在中国区域的适用性

利用中国地区太阳分光观测网(CSHNET)气溶胶光学厚度地基联网数据, 评估了MODIS气溶胶光学厚度产品在中国不同生态类型和地理区域的适用性. 2004年8月至2005年7月的验证结果表明, 中国地区MODIS产品的适用性存在较大地域和季节性差异. 青藏高原地区MODIS产品可利用率差, 仅占地面观测数据的16%, 平均有31%～45%的MODIS产品满足NASA误差标准; 北方荒漠地区MODIS产品占地面观测数据的15%～55%, 平均仅有7%～39%满足误差标准; 东北偏远地区MODIS产品占地面观测数据的14%～46%, 49%～69%产品满足误差标准; 森林生态系统MODIS产品占地面观测数据的46%～65%, 30%～59%产品满足误差标准; 东部沿海及湖泊地区MODIS产品占地面观测数据的63%～75%, 25%～67%产品满足误差标准; 内陆城镇MODIS产品占地面观测数据的43%～78%, 35%～75%产品满足误差标准; 农业生态系统MODIS产品占地面观测数据的61%～89%, 59%～88%产品满足误差标准. 地表均一、植被良好区域, 在生长季MODIS产品的利用率可达80%以上, >70%产品符合NASA误差标准.     

飞秒脉冲激光穿越大气层的特性

对不同脉宽、不同中心波长、不同入射天顶角情况下飞秒激光脉冲在大气层中的传输特性进行了数值模拟.理论计算结果表明,在50 km高空大气的二阶色散值为3.44×10-6 ps2/km,与大气在海平面的二阶色散值(2.09×10-2 ps2/km)相比,约小4个数量级;在激光脉冲非垂直发射情况下,当入射天顶角小于60°时,谱宽为40 nm的飞秒激光脉冲的蒙气差值、大气角色散值以及时域色散导致的脉冲展宽量均会随入射天顶角缓慢增加,当入射天顶角大于60°时,这种增长会急剧变大.大气的角色散作用还会使传输光束的横向尺寸和光谱空间分布发生改变,但其改变量要远小于直径为200 mm的光束的衍射效应产生的相应变化.在垂直发射条件下,对于厚度为50 km的大气层而言,800,1064,1550 nm三个不同中心波长的瑞利脉冲宽度分别为700,605,495 fs.由于入射天顶角的增加直接导致有效传输光程增加,随着入射天顶角由0°增至90°,瑞利脉宽单调增加,最大可增至垂直发射时的3倍左右.     

南京持续雾霾天气中亚微米细颗粒物化学组分及光学性质

2013年1月,我国中东部地区发生持续性雾霾污染事件.本研究利用Aerodyne气溶胶化学组分监测仪(ACSM)对南京地区非难熔性亚微米细颗粒物(NR-PM1)化学组分(包括有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐和氯化物)进行实时在线连续监测,结合光声气溶胶消光仪(PAX)表征大气颗粒物的消光性质和黑碳测量仪(Aethalometer)测定黑碳(BC)的浓度.观测期间,有机物、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、氯化物和BC对PM1(NR-PM1+BC)的贡献分别为32.3%,26.0%,17.9%,13.2%,2.8%和7.8%.利用正定矩阵因子分析法(PMF)解析出3类有机气溶胶:烃类有机气溶胶(HOA)、半挥发低氧化态有机气溶胶(SV-OOA)和低挥发高氧化态有机气溶胶(LV-OOA),三者平均浓度分别占总有机气溶胶的27.4%,32.2%和40.4%.可见观测期间二次组分是PM1的主体部分.受本地晚间餐饮源和机动车排放高峰的影响,HOA在晚间时段急剧增加,导致观测期间有机物出现剧烈的变化特征.整体而言,二次气溶胶(硫酸盐、硝酸盐、SV-OOA和LV-OOA)的质量浓度、总质量分数和气溶胶单次散射反照率分别随相对湿度(RH)的增加而升高,表明RH的增加有利于二次气溶胶的不断形成.另外,大气能见度随RH的增加而降低,也随二次组分含量的增加而降低,说明RH与PM1中二次组分对雾霾期间大气能见度产生协同影响.     

太阳中子事件的观测特征与中子能谱的计算

太阳中子事件是与耀斑活动相关的偶发性即刻粒子事件, 主要表现为地面宇宙线探测装置的计数瞬时突增. 太阳中子携带着爆发源区的物理信息: 耀斑大气的元素组成、大气高度、磁场的会聚程度以及磁流体湍动等. 相对于其他带电粒子, 中子能够不受太阳磁场和行星际磁场的束缚而直达地面. 目前, 对太阳中子事件的理论研究, 主要是通过蒙特卡罗模拟, 考虑太阳耀斑环中磁场的螺旋角散射作用和磁镜效应, 计算耀斑磁环模型里各向异性中子的产生与太阳大气高度、时间、角度和能量间的关系, 计算逃逸中子的角分布和能谱, 以及逃逸到地球附近中子的能谱. 观测方面, 主要是结合地面中子监测器记录的超出时间与空间探测到的g射线核谱线发射峰值的时间差, 利用飞行时间方法(Time of Flight Method), 考虑中子监测器的探测效率和中子在地球大气中的衰减因素, 反演日面处的中子能谱. 本文依据已确定的10例太阳中子事件, 评述基本的观测特征, 介绍相应的观测仪器, 探讨太阳中子能谱计算的两种方法(观测法和模型法), 比较不同方法获得的计算结果; 并依托羊八井太阳宇宙线探测装置(中子监测器、太阳中子望远镜), 报道对太阳中子的初步交叉探测特征(1998年11月28日GLE事件和2005年1月20日GLE事件), 指出目前亟待解决的问题.     

基于Landsat ETM+卫星影像的长江上游混浊河水悬沙浓度提取

利用遥感手段提取悬沙浓度,对于流经地形异常复杂、交通极为不便的地区(如西南纵向岭谷区)的河流具有特殊的重要性.采用了3种大气校正方法:COST模型、自COST改进的iCOST模型和新提出的TZB5模型.TZB5模型使用本研究新提出的算法以更精确地由太阳天顶角(TZ)确定自太阳至水面的大气透过率(TAUz),并利用第5波段来最大程度地消除第1~4波段的大气路径辐射的影响.利用在1999~2002年间的12个日期接收的16幅LandsatETM 卫星影像提取了长江中上游17个水文站(分布于1550km×450km的巨大区域内)的水面反射率.发现在穿越繁多地貌、地质环境的长江上游,使用TZB5模型进行大气校正后所得到的LandsatETM 影像第4波段水面反射率与河水悬沙浓度,在0~3000mg/L范围内具有十分显著的相关关系.利用本研究所建立的算法,可从LandsatETM 影像直接精确提取长江上游混浊河水的悬沙浓度,而且该算法在长江中游也被验证.     

星载Ku,Ka和W三频雷达探测云雨三维结构模拟仿真

对星载Ku, Ka和W波段微波雷达联合观测中纬度陆地气旋、热带台风和热带洋面气旋个例中云和降水的三维结构进行了模拟仿真.首先利用Weather Research and Forecasting(WRF)云模式模拟了个例中各种水凝物的时空分布,并利用Aqua卫星MODIS观测结果直接检验了中纬度陆地气旋个例模拟结果;然后将模拟结果作为输入,利用星载雷达模拟器计算了相应的雷达回波反射率因子,并利用CloudsSat卫星的W波段云雷达CPR实测信号对之进行了验证;随后利用该模拟数据研究了不同粒子雷达回波反射率的特点.最后假设Ku,Ka和W波段雷达的灵敏度分别为15, 5和-35 dBZ,定量研究了这3个波段在探测云顶高度、云底高度上的优缺点和误差大小.模拟结果证实随着频率的增高,水凝物粒子的雷达回波反射率因子减小.非降水云水和云冰粒子回波明显弱于降水和降雪粒子,一般很难被Ku和Ka波段星载雷达观测到.研究发现W波段雷达对云顶的探测误差一般很小(不到30 m),而Ku,Ka雷达对云顶的探测误差可达数千米.对云底探测而言,W波段雷达可以有效穿透低层液态水含量低的天气系统,但对强降水天气系统云底探测误差较大;Ka波段雷达在台风眼壁云墙附近的强降水区也会出现较大探测误差;而Ku波段雷达云底的探测误差都较小.     

陆面模式中不同植被辐射模式的对比

针对目前在陆面过程数值模拟研究中对于地表植被冠层辐射传输参数化方案精确性不足的问题,在植被二流辐射传输模式基础上新发展了一个描述太阳短波辐射在植被中传输的冠层四流辐射传输模式.为了更好地评估新发展的四流模式在模式应用中的模拟性能,依据陆面模式中定义的16种植被参数给定四流模式和二流模式独立试验中需要的参数,开展多组离线的独立理想实验,计算16种植被冠层在不同太阳高度角以及不同叶面积指数时的反照率、透射率以及吸收率.独立试验结果表明,太阳高度角对于短波在植被内的辐射传输过程影响比较显著,两个模式对于反照率、透射率和吸收率的模拟差别随不同种类植被呈现不同特征.将四流模式耦合到陆面模式中进行数值实验,结果表明,采用四流模式后,能够改善陆面模式在全球多数区域对陆面地表反照率、叶面积指数和净初级生产力的模拟结果.     

塔克拉玛干沙漠腹地近地边界层温湿廓线与热量平衡分析

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测实验站2006和2007年7~8月取得的微气象观测资料,采用组合法、对数回归等方法,分析了沙漠腹地夏季近地层大气温湿廓线、沙层温度、地表辐射及热量平衡等微气象特征的日变化规律.结果表明:夏季夜间近地层存在逆温现象,在一定高度范围内气温随高度的升高而增加,日间气温变化情况与此相反.塔克拉玛干沙漠地表辐射平衡以正值为主,除大气向下长波辐射以外,其他各辐射分量(总辐射、反射辐射、地表向上长波辐射、净辐射)均有明显的日变化特征,呈现出标准的日循环形态.沙漠腹地地表热量交换以湍流感热占主导地位,只有一少部分热量以潜热形式输送给近地层大气,地表感热和潜热随着太阳高度角的升高和降低而变化,潜热最大值出现在凌晨,感热峰值出现在正午,观测分析还表明夏季沙漠下垫面对大气的加热作用较为显著,白天地面为强热源,晚上为弱冷源.     

地基光度曲线反演空间目标特征技术研究进展

空间目标的形状、尺寸、姿态、角速度、反射率和材质等特征对目标识别、轨道预测、碰撞规避等应用有重要意义.地基光学观测系统是目前空间目标观测主要手段之一,但受大气、距离及自身分辨率的影响,难以对中高轨或尺寸较小的空间目标进行高分辨成像,只能呈现几个像素亮度变化的光斑.空间目标的亮度与目标特征密切相关,利用地基光学观测系统获取的目标光度曲线,可以对目标特征进行反演.本文分析了近10年国际上地基光度曲线反演空间目标特征技术的研究进展,系统梳理了基于地基光度曲线特征和基于模型构建的空间目标特征反演技术,详细分析了各技术的用途和优缺点,提出了未来该领域的研究发展方向.