利用MODIS遥感大气气溶胶及气溶胶产品的应用

介绍了利用EOS卫星上MODIS传感器遥感大气气溶胶光学厚度(AOD)的技术,总结了作者利用MODIS资料进行的研究工作,包括利用太阳光度计的地面观测进行MODIS 10 km分辨率Level 2气溶胶产品的校验、利用该产品分析我国陆地上空气溶胶光学厚度分布特征、1 km高分辨率气溶胶光学厚度反演、气溶胶光学厚度产品应用于大气污染的分析等.证实MODIS遥感手段获取气溶胶分布,不仅为全球和区域气候变化研究提供了基础数据,而且也为区域环境大气污染的研究提供了新工具.     

基于CALIOP数据的气溶胶光学厚度反演研究

星载激光雷达在大气气溶胶探测上具有观测范围大、精度高以及连续测量等优点,对于大气污染监测和气候变化研究具有重要意义.以星载激光雷达CALIOP L1b数据为基础,利用Fernald近端分析法反演了整层大气柱上气溶胶消光系数及其光学厚度.选择武汉市为试验区域,计算了2007年8月至12月期间武汉上空的气溶胶光学厚度,与地面光度计的实测数据比较表明,CALIOP反演的AOD精度较高.     

MODIS气溶胶光学厚度与青岛市市南区空气污染指数的回归分析

以青岛市市南区中国海洋大学鱼山校区为研究区域,利用MODIS二级产品的大气气溶胶光学厚度(aerosol optical thickness,AOT)数据、天空辐射计反演得到的AOT数据以及地面测量的空气污染指数(air pollution index,API)数据,利用统计回归分析方法,建立AOT与API之间的数学模型,考虑了湿度因子对API的影响及校正,并分季节进行了分析.在此基础上,探讨利用卫星遥感气溶胶光学厚度进行大气污染监测的可行性.     

卫星遥感监测全球大气气溶胶光学厚度变化

 全球大气气溶胶类型和含量变化与气候变化和大气环境污染密切相关,是气象学、环境学和医学研究关注的热点问题。为认识全球气溶胶分布基本特征,发现和跟踪全球气溶胶显著变化地区,本文利用美国NASA 发布的C6 版MODIS气溶胶光学厚度产品分析全球大气气溶胶光学厚度时空年变化特征及其影响因素;分析气溶胶光学厚度分布与中国霾区的关系,提出霾区治理的气溶胶光学厚度年平均值参考标准。分析2003-2014 年卫星监测的气溶胶光学厚度(AOD)空间分布特征显示,全球气溶胶光学厚度稳定高值区位于亚洲东部及其邻近太平洋海区、印度半岛及其邻近印度洋海区、非洲北部和中部及其邻近大西洋海区;重点变化关注区为俄罗斯西伯利亚东部增量区和南美洲亚马逊平原热带雨林减量区。气溶胶光学厚度高值地区的形成与沙尘暴、火山喷发、生物质燃烧、工业排放等自然源,以及工业污染物排放、交通运输、秸秆焚烧等人类活动造成的人为源气溶胶排放直接相关,并受气象因素和山脉等地形阻挡因素影响,这些因素的稳定性与季节变化最终形成全球气溶胶的时空分布特征。中国东部气溶胶光学厚度年平均值大于0.5 的区域为主要霾天气区,其中华北南部、黄淮、江淮、江汉地区和四川盆地为全球气溶胶光学厚度极端高值区,年平均极端高值达到0.8~1.0,为霾天气常态化发生区;通过全球气溶胶光学厚度量值分析认为,气溶胶光学厚度年平均值0.5 可作为中国大气环境最大承载量,中国东部地区高于此值的区域为主要大气污染控制区,大范围工业生产污染物减排可带来整体环境改善,通过工业结构调整有望降低的气溶胶污染中位比率为33%,平均比率为26.5%。     

卫星遥感气溶胶光学厚度的相关研究综述

我国利用卫星遥感技术反演气溶胶光学厚度的研究,至今已有近20年的历史,期间积累了大量的研究成果,尤其是近几年因大气污染问题日益突出,受到人们广泛关注,该方面研究文献大量增加。其中包含了不同地区卫星遥感气溶胶光学厚度的反演验证、气溶胶光学厚度时空特征分析;卫星遥感气溶胶光学厚度与大气污染相关性以及气溶胶光学厚度在大气污染检测中的作用;卫星遥感气溶胶光学厚度与人体健康相关性研究等等。该文综述摘录了2005年至2016年的部分文献资料,并主要列举气溶胶反演在污染以及人体健康方面的研究,并对今后的研究方向做了展望。     

基于WRF-Chem的AOD预报在一次沙尘天气中的研究

气溶胶光学厚度(AOD)是表征大气气溶胶光学特征的最基本量;它可以用来推算大气气溶胶含量,是确定大气气溶胶辐射气候效应及大气污染程度的关键因子。利用WRF-Chem数值模式对我国北方2010年3月19~23日的一次沙尘天气过程进行了模拟分析,主要分析了模式对于AOD的预报能力。结果表明:模式对于气溶胶光学特性具有较好的模拟能力,模拟结果中AOD、PM2.5、PM10的时空分布具有很好的一致性。通过与MODIS AOD卫星资料和地基AERONET观测网站点实测数据进行对比分析,发现AOD模拟结果与卫星产品和站点实测数据较吻合,模式24 h预报能够较好地体现AOD随时间的变化特征。     

北京地区夏季气溶胶光学厚度反演

基于6S模型对比分析了3种大气气溶胶模式在北京地区夏季气溶胶光学厚度反演中的适用性.首先下载Terra-MODIS L1B夏季空间分辨率为1,km的数据,基于城市型、大陆型、海洋型3种标准大气气溶胶模式生成了3套查找表,利用暗像元法,反演得到了北京地区夏季大气气溶胶光学厚度.然后利用AERONET提供的实测陆地气溶胶光学厚度对反演结果进行精度验证.结果表明:海洋型和大陆型气溶胶模式反演的气溶胶光学厚度与地基数据相关性较高,相关系数分别为0.806,6和0.766,4;而城市型气溶胶模式反演的气溶胶光学厚度与地基数据存在明显差异,相关系数仅为0.482,5;将晴天和雾霾天气反演结果与地基数据进行对比,可以看出在天气晴朗时北京地区采用海洋型气溶胶模式反演气溶胶光学厚度更为准确.     

合肥地区气溶胶光学厚度的时间变化特征

利用太阳辐射计CE318对合肥地区大气气溶胶进行长期系统的观测,对2002年至2007年间的观测数据进行反演分析,得出了气溶胶光学厚度随时间变化的统计特征.结果表明合肥地区气溶胶光学厚度日变化有5种类型;气溶胶光学厚度随月份有波浪式变化,月平均值在4月份和8月份分别达到最大值0.727和最小值0.192;四季中春秋季节的气溶胶光学厚度大于夏冬季节,春季最大0.636,夏季最小0.262;2004年至2007年冬季气溶胶光学厚度有逐年增大的趋势.     

基于两天MODIS数据的气溶胶光学厚度反演

气溶胶光学厚度(AOD)的反演对研究大气污染和人类活动的环境影响具有重要意义.利用连续两天的Terra/MODIS影像,依据0.47、0.55、0.66、0.86μm 4个通道的表观反射率与AOD在大气辐射传输中的关系,构造闭合的非线性方程组,通过求解方程组反演得到两天的AOD值,并与MODIS业务化的AOD数据及AERONET地基太阳光度计观测值进行对比.发现该算法的反演结果与地基观测值的相对误差在30%以内,同时也对反演的气溶胶波长指数及浊度系数等和地基观测情况进行了对比与讨论,证实反演结果与地基观测具有较好的一致性.这种基于两天MODIS数据的气溶胶反演是利用多幅卫星影像来反演气溶胶光学厚度的一次有效尝试,反演得到AOD值对环境污染监测有效补充.     

2007年兰州市冬季大气气溶胶光学厚度特性

利用多波段太阳光度计观测资料,采用光谱消光法,计算2007年兰州市采暖期大气气溶胶光学厚度、Angstrom浑浊度系数和波长指数.分析表明:兰州市2007年冬季与历史同期相比,气溶胶光学厚度较小,浑浊度较低,且多为细粒子.对气溶胶光学厚度与能见度进行了分析、拟合,表明二者变化趋势相反,近似呈指数递减关系.     

兰州城市冬季大气气溶胶特征的综合观测研究

对Anderson分级采样器采集的PM10进行了谱特征的分析，研究了PM2.5在PM10中所占的比例，并从实测的大气气溶胶光学厚度资料出发，应用消光法反演了兰州城市冬季大气柱气溶胶粒子谱。结果表明：低层大气和整层大气的气溶胶粒子数密度谱分布都具有3峰型特征。兰州城市冬季的大气污染主要是由于燃煤和汽车尾气造成的，有时也可能是由于城市的风沙扬尘造成的。     

青岛近岸海域气溶胶光学厚度观测分析

利用CE318太阳光度计测量了青岛小麦岛地区2008年4月至2009年3月的气溶胶光学厚度（AOD）数据,分析了青岛近岸海域的气溶胶光学厚度特性。结果表明：气溶胶光学厚度光谱基本满足ngstrm关系,其中大气浑浊度系数κ=0.22±0.07,ngstrm指数υ=1.26±0.23。气溶胶光学厚度的日变化有3种典型趋势,分别是上升型、下降型和凸型。季节变化特点为春、夏季气溶胶光学厚度大,而冬季小。     

基于MODIS数据的地面颗粒物浓度估算方法

提出了一种基于卫星遥感数据的近地面颗粒物质量浓度(PM值)估计方法 .采用Terra/MODIS卫星数据和基于连续两天MODIS数据的气溶胶光学厚度反演算法,反演出无锡地区的气溶胶光学厚度;再利用所反演的气溶胶光学厚度与地面实测颗粒物质量浓度数据进行分析,得出颗粒物质量浓度的大小分布范围与气溶胶光学厚度的关系模型;进一步利用研究区域中地面站点监测到的颗粒质量浓度数据对估算结果进行评估.结果表明该方法所估算的PM值与地面实测数据具有较好的相关性,且地面监测的颗粒物质量浓度均分布在卫星遥感数据所估算的范围之内.本研究证明了MODIS卫星数据监测地面颗粒物质量浓度的可行性,为近地面PM值的估算提供了有效手段.     

甘肃半干旱区城乡气溶胶光学特性的观测与分析

利用CE318型太阳光度计(532nm波段)在2004年5月-2007年5月的城乡观测资料,反演分析了半干旱地区城乡气溶胶的光学特征.得到了气溶胶光学厚度(AOD)的年季变化,并对不同季节气溶胶的光学厚度以及波长指数的变化规律进行了讨论.结合兰州市郊区资料,对城郊大气气溶胶光学特征进行了对比及原因分析.认为较城市而言,半干旱区乡村大气总体上较城市更为洁净.城市气溶胶受到冬季采暖期等人为因素的影响,出现了AOD冬季大、夏季小的特点.气溶胶主要以工业粉尘和沙尘气溶胶为主,夜间逆温层对AOD的日变化影响较大.乡村春季沙尘天气较多,气溶胶浓度变化受季节的影响,春季AOD最大.气溶胶主控粒子多为沙尘粒子.     

兰州地区MODIS气溶胶光学厚度和空气污染指数相关性研究

利用2009年1 12月兰州地区的MODIS气溶胶光学厚度产品与全球自动观测网(AERONET)SACOL站(104.08 E,35.57 N)数据进行对比分析,相关系数达到0.82,线性拟合的斜率为1.13,截距为0.07,表明MODIS AOD能反映兰州地区气溶胶分布的信息.利用MODIS AOD产品与兰州市空气污染指数做相关分析,二者的相关程度较低.在进行湿度影响因子、气溶胶标高订正后,二者相关性有了较为显著的提高,说明MODIS AOD产品可应用于监测兰州地区大气污染情况.     

南京市MODIS气溶胶光学厚度与PM10质量浓度的相关性分析

利用NASA MODIS气溶胶光学厚度(AOD)产品与南京市区API转换得到的PM10质量浓度进行了相关性分析;发现二者的直接相关程度较低。对气溶胶光学厚度进行垂直和湿度影响订正后,二者的相关系数显著提高。结合风速和气压等气象因子分季节进行多元回归分析,相关系数进一步提高。分析结果表明卫星遥感气溶胶光学厚度可以作为监测PM10污染分布的有效手段。     

基于MODIS卫星遥感数据的大气气溶胶光学厚度优选反演方法

通过地面大气气溶胶的测定,可以反映大气浑浊度,进而在某种程度上确定区域的气候效应,其中关键技术是大气气溶胶光学厚度的反演.目前使用的卫星遥感气溶胶光学厚度反演算法中,扩展暗像元法精度较低而V5.2法适用范围较窄.提出了一种优选反演法,通过引入中红外通道表观反射率来选择扩展暗像元法或V5.2法.其中,在V5.2法中添加了Walthall双向反射分布订正.实验对比了相关方法反演的气溶胶光学厚度数据,结果表明所提方法可以弥补扩展暗像元法和V5.2算法各自的不足.     

参数化计算海洋上空大气漫射透过率

精确计算大气漫射透过率和下列面反射率是任何一种卫星反演气溶胶特性的方法的关键所在.相关文献已经给出了计算海洋上空的大气漫射透过率经验公式,利用该公式计算MODIS第一波段到第七波段的海洋上空的大气漫射透过率,发现无论是在瑞利--气溶胶双层大气还是在纯瑞利大气下其精度都是有限的;在观测角00到400范围内,气溶胶为无吸收或弱吸收性且光学厚度最大0.4的情况下,其误差是3%-4%;误差随着气溶胶吸收性、气溶胶光学厚度和观测角度的增大而增大,随着波长的减小而减小.为了提高计算精度和适用范围,用一个简单的数学方法来改写该公式.在观测角θ≤60°、多种成份气溶胶且光学厚度τa≤0.6时,改写后的公式计算的MODIS第一波段到第七波段的海洋上空的大气漫射透过率,其误差小于1%.该参数公式的确立,对精确反演海岸带的气溶胶光学特性和水色有重要意义.     

基于GF-4数据的杭州城区大气AOD监测研究

以杭州市8区为研究区,利用高分四号卫星数据,基于暗目标算法和地表反射率数据库相结合的算法,分别对2016年9月2日、2016年9月3日、2016年12月31日和2017年7月26日4个时相的气溶胶光学厚度进行反演,在此基础上分析杭州市AOD的分布特征,并结合MODIS标准陆地气溶胶产品和地基观测数据进行精度验证,同时分析大气污染物与AOD变化之间的关系.结果显示杭州城区气溶胶光学厚度分布特征为东北部高、西南部低;精度验证相关系数分别为0.7和0.9,反演结果相对可靠;研究日内大气颗粒物与气溶胶光学厚度的日内变化趋势基本保持一致,污染物浓度均在中午维持较大水平.     

基于转动拉曼-米激光雷达拟合大气边界层内气溶胶光学厚度与PM2.5

提出一种利用转动拉曼-米散射激光雷达米弹性散射信号与转动拉曼散射信号比值来拟合大气边界层1 km以内气溶胶光学厚度与PM_2.5值的方法. 该方法消除了几何因子对近地面探测过渡区所带来的误差,而且消除了近地面大气湿度的影响,能够获得高精度的气溶胶后向散射系数,并在此基础上推导了气溶胶光学厚度（AOD）的计算方法,最后利用实验室转动拉曼-米激光雷达系统测量的2013年北京地区气溶胶数据,拟合获得了2013年北京地区冬夏两季AOD-PM_2.5经验公式.