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.     

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%。     

华北地区气溶胶的季节垂直分布特征及其光学特性

利用CALIPSO卫星2级产品,分析了华北地区不同污染条件下气溶胶光学厚度(AOD)的时空分布特征,气溶胶的季节成分比例及其光学属性和垂直分布特征.结合AERONET观测数据,对气溶胶的季节光学属性进行了验证.结果表明,华北地区AOD高值区分布于海拔较低的平原地带,低值区主要位于海拔较高的山地丘陵;夏季AOD最大,春季最小;能见度大时AOD小,能见度小时AOD大.华北地区气溶胶以人类活动产生的气溶胶为主,但在春季、秋季、冬季受来自北方的沙尘影响显著;春季退偏振比和色比值最大,夏季最小.春季沙尘被长距离传输至对流层中部及以上区域,夏季强烈的大气垂直对流活动使得大量气溶胶从边界层内被带至自由对流层,秋冬季稳定的气象条件使大量的气溶胶滞留在边界层内.     

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。     

气溶胶卫星遥感产品在林火检测中的适用性

森林火灾导致火点周围气溶胶光学厚度(AOD)发生显著变化,可利用MODIS气溶胶产品作为识别火点的辅助手段.通过对比火点周围MODIS C5 10 km、C6 3 km、C6 10 km气溶胶产品的有效样本数、空间分布特征来评估不同版本气溶胶产品应用于火灾烟羽检测的可行性,同时对比在火点32方位角条件下AOD的积累效应对烟羽敏感性的差异.结果表明,MODIS C6 3 km气溶胶产品能较准确地表征林火伴生的烟羽特征,C6 10 km和C5 10 km产品效果较差.C6 3 km产品在以火点为中心,扩散半径为24 km时,32方位角累积AOD比值对烟羽检测敏感,C5 10 km和C6 10 km产品对烟羽检测的敏感性较差.     

利用OMI资料分析APEC期间吸收性气溶胶的时空分布特征

利用卫星遥感的臭氧监测仪(OMI)数据对比分析了京津冀地区在亚太经合组织领导人会议(APEC)前、APEC期间和APEC后的吸收性气溶胶的光学特性时空分布特征及北京地区历史同期气溶胶光学特性的变化.结果表明,与APEC前、后相比,京津冀地区APEC期间气溶胶指数(AI)、气溶胶光学厚度(AOD)、吸收性气溶胶光学厚度(AAOD)都有所减小,气溶胶单次散射反照率(ASSA)有所增加;北京地区相比于APEC前,APEC期间AI减少了10%,AOD减少了49%,AAOD减少了30%,ASSA变化不大;相对于APEC后,AI减少了21%,AOD减少了23%,AAOD减少了50%,ASSA增加了4%.表明APEC期间京津冀地区的吸收性气溶胶排放减少,北京地区的减少幅度更大.与历史同期(2004-2014年)相比,北京地区在同时间段的AI、AOD、AAOD、ASSA随年份的变化规律表现不明显.     

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.     

基于MODIS数据的中原经济区气溶胶时空分布特征

基于2000-2013年MODIS气溶胶产品,统计分析了中原经济区气溶胶光学厚度(AOD)的年际及季节时空变化特点,有助于深入研究中原经济区颗粒物污染水平变化.结果显示中原经济区AOD高值区主要位于新乡、开封、郑州北部和焦作南部等地区,低值区主要位于河南西部和山西南部的山地地区.季节变化方面,AOD最高值通常出现在春季、夏季,秋季次之,冬季则为该地区AOD最小的季节.开封、新乡和郑州为中原城市群中卫星观测区域内AOD最高的三个城市.2011年之后整个中原经济区内AOD明显降低,但从长期来看,2000年之后,该地区AOD水平并未得到显著改善.     

基于BRDF订正的兰州地区春季气溶胶光学厚度反演实验

利用6S模式反演并分析兰州地区春季气溶胶光学厚度(AOD)分布情况,探讨了双向反射分布(BRDF)对气溶胶光学厚度反演结果的影响.结果表明:兰州地区2010年春季气溶胶光学厚度高值中心位于西工业区和城关区,最大值分别为0.46和0.31.不考虑BRDF时水面上空气溶胶光学厚度反演结果存在明显误差,经Walthall BRDF订正后,水面上空误差明显减小,说明经过Walthall BRDF订正后的6S模式适用于水面上空的气溶胶光学厚度反演.兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)站点(35.57°N,104.08°E)反演值和实测值比较表明,在无云晴天条件下,选用Walthall BRDF模式可以提高AOD反演精度.     

京津冀气溶胶时空变化特征及潜在来源分析

针对京津冀日益恶化的环境问题,采用Terra-MODIS C6.1 MOD04_L2 气溶胶光学厚度(AOD)产品对京津冀地区2011-2020年AOD时空变化特征进行探究,基于 HYSPLIT模型得到京津冀地区3个主要城市的四季主要气流输送轨迹,并结合空气质量指数(AQI)数据和潜在源贡献因子法(PSCF)分析石家庄市不同季节的污染物潜在源区。结果表明：京津冀地区多年AOD空间分布大体呈东南高西北低的特征;10a间AOD总体呈“w型”下降,峰值和谷值出现在2011年(0.49)和2017年(0.33);AOD四季均值由高至低依次为：夏(0.53)>春(0.39)>冬(0.36)>秋(0.32);AOD月变化呈“双峰”型,峰值出现在2月(0.48)和7月(0.59);北京市、天津市和石家庄市四季主要受到短距离气团输送的影响;统计AQI优良率可知京津冀3个主要城市中石家庄市空气质量最差,通过PSCF分析得出影响石家庄市AQI值的潜在源区主要分布在石家庄市本地及周边省市。     

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CALIPSO卫星数据的中国典型区域气溶胶特性

为评估气溶胶的直接和间接辐射强迫,利用CALIPSO卫星2级产品,分析了中国气溶胶光学厚度(AOD)的季节空间分布、季节光学属性及其垂直分布特征,结合AERONET观测数据,对气溶胶的季节光学属性进行了验证.结果表明,塔克拉玛干沙漠和青藏高原的退偏振比(PDR)和色比(CR)值最大,东北平原、四川盆地、华北平原和长江三角洲的PDR和CR值最小,黄土高原的PDR和CR值居中,珠江三角洲的PDR值与污染地区一样大,CR值较高.春季沙尘被传输至对流层中部及以上,夏季强烈的垂直对流活动使大量气溶胶被从边界层内带至自由对流层;秋冬季稳定的气象条件使大量气溶胶滞留在边界层内,冬季地面1.5 km内AOD与总AOD的比值及消光递减率均达到了最大值48.25%和0.13 km~(-2),污染严重的地区在边界层内的消光递减率比污染程度轻的地区大.     

近十来年杭州市大气气溶胶光学厚度卫星反演研究

利用杭州市2003-2015年逐日MODIS数据,基于暗像元算法反演其500m空间分辨率的气溶胶光学厚度(AOD)历史序列,并结合地基观测数据进行验证,在此基础上分析杭州市AOD时空分布特征.结果表明:AOD反演结果的平均绝对误差、相对误差分别为0.16%、33.08%,反演结果相对可靠;在2003-2015年期间,杭州市AOD年均值呈波动状态,但无明显增加或下降趋势,最大值出现在2008年,最小值出现在2013年;春、夏季AOD均值较高,大于秋、冬季,冬季AOD均值最低;AOD月均值在1-6月呈现增加趋势,并在6月达到峰值,随后在7-12月呈减小趋势;此外,杭州市AOD空间分布特征表现为东北部高、西南部低,其中,最高值区域主要分布于杭州市中心,次高值分布于江干区、余杭区东部、萧山区东部.     

基于太阳光度计的天津沿海地区气溶胶特性

利用MicrotopsⅡ型手持太阳光度计实测的气溶胶光学厚度(AOD)对天津沿海地区气溶胶光学特性进行研究,并结合波长指数α、浑浊度系数β对气溶胶特性进行进一步分析.结果表明:在研究时段2018年3月到11月中,AOD500月变化的最高值出现在7月,为0.94±0.38,最低值出现在5月,为0.41±0.20;在季节变化中夏季最高,秋季最低.α月变化的最高值出现在7月,为1.42±0.02,最低值出现在5月,为0.76±0.42;在季节分布中夏季最高,春季最低,根据波长指数分布特点,细粒子占天津沿海地区气溶胶类型的主导地位.β在研究时段内平均为0.39±0.33,空气以较为浑浊为主,月分布中最低月和最高月分别出现在5月和11月,季节分布中夏季最高.在气溶胶的模态占比分析中,细模态占据主要贡献比率.AOD高值可能与北方沙尘、海盐气溶胶、细模态气溶胶吸湿增长有关.     

长三角地区气溶胶对辐射和降水影响的分析

为深入研究长三角地区气溶胶对辐射和降水的影响,本文分析了2004—2014年该区气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)、辐射和降水的时空变化特征,在季节尺度确定了对辐射和降水影响最大的气溶胶成分.研究发现:2004—2008年,AOD在春、夏季明显上升(0.260·(10a)~(-1)、0.066·(10a)~(-1)),辐射在春季明显上升(20.4 W·m-2·(10a)~(-1)))、夏季明显下降(-41.4W·m-2·(10a)~(-1))),降水在夏季明显上升(4.6mm·(10a)~(-1))、冬季明显下降(~(-1).7mm·(10a)~(-1));2009—2014年秋季AOD明显下降(-0.126·(10a)~(-1)),辐射和降水无明显变化趋势.2004—2014年辐射在春、夏季受云量和气溶胶共同影响,2004—2008年秋、冬季辐射主要受AOD影响,2009—2014年秋、冬季辐射与云量相关性更高.各季节沙尘、海盐气溶胶的AOD小于总AOD的20%,但其对辐射和降水影响更大.春、夏季对辐射影响最大的气溶胶分别是细模态沙尘和细模态海盐;降水在春、夏、冬季均受沙尘气溶胶影响最大.     

南宁市地基遥感气溶胶光学厚度与?ngstr?m指数研究

利用CE318地基观测的光学特性数据,反演南宁市气溶胶光学厚度、?ngstr?m波长指数α、浑浊度系数β,对光学特性的月、季节、日变化以及典型天气作了分析,并利用图解法研究南宁市气溶胶分类,加深对该地区气溶胶认识的同时也为南宁市气溶胶研究提供参考。结果表明:(1) AOD最高值和最低值分别出现在3月份、8月份,年平均值为(0. 53±0. 09),春季的AOD最高,夏季最低。AOD日变化曲线较平稳,且值较大的一天与PM2. 5、PM10走势一致。AOD高值区(AOD0. 7)与海盐型气溶胶及细模态气溶胶吸湿增长有关。(2)α最大和最小值分别出现在4月和6月份,年平均值是(1. 34±0. 08),春季的α最高,秋季最低,气溶胶粒子中细粒子占主导作用,南宁市属城市—工业型气溶胶。(3)β最高值和最低值分别出现在11月份、8月份,年均值是(0. 22±0. 02),曲线变化走势和AOD一致,β值在0. 2左右,说明空气有污染但还是比较清洁的。     

利用激光雷达和卫星遥感获得城市地面大气悬浮颗粒物浓度分布

使用香港元朗地区2008年MODIS卫星遥感的气溶胶光学厚度(AOD)产品、激光雷达气溶胶消光系数垂直分布、地面相对湿度和地面气溶胶浓度观测资料等数据, 通过激光雷达数据建立地面消光系数和激光雷达AOD与气溶胶标高的关系, 利用这一关系和卫星AOD进行地面消光系数的反演估计, 并进行湿度订正; 通过建立地面气溶胶浓度和地面消光系数的关系, 进行卫星AOD产品和激光雷达气溶胶探测反演地面大气颗粒物质量浓度的研究及应用。结果表明, 卫星估计的地面消光系数与小时平均的颗粒物质量浓度观测值的相关系数为0.57~0.86 (PM2.5)和0.59~0.78 (PM10), 估计的质量浓度与小时平均的观测值对比的均方根偏差分别为11.64~25.34 g/m³ (PM2.5)和24.64~91.64 g/m³ (PM10), 表明可以通过卫星遥感进行大气悬浮颗粒物污染的监测应用。其中1 km分辨率的AOD产品, 因其更高的空间分辨率, 更适合反映具有复杂地形的城市地区大气悬浮颗粒物污染。     

利用激光雷达和卫星遥感获得城市地面大气悬浮颗粒物浓度分布

使用香港元朗地区2008年MODIS卫星遥感的气溶胶光学厚度(AOD)产品、激光雷达气溶胶消光系数垂直分布、地面相对湿度和地面气溶胶浓度观测资料等数据,通过激光雷达数据建立地面消光系数和激光雷达AOD与气溶胶标高的关系,利用这一关系和卫星AOD进行地面消光系数的反演估计,并进行湿度订正;通过建立地面气溶胶浓度和地面消光系数的关系,进行卫星AOD产品和激光雷达气溶胶探测反演地面大气颗粒物质量浓度的研究及应用。结果表明,卫星估计的地面消光系数与小时平均的颗粒物质量浓度观测值的相关系数为0.57~0.86(PM2.5)和0.59~0.78(PM10),估计的质量浓度与小时平均的观测值对比的均方根偏差分别为11.64~25.34μg/m3(PM2.5)和24.64~91.64μg/m3(PM10),表明可以通过卫星遥感进行大气悬浮颗粒物污染的监测应用。其中1 km分辨率的AOD产品,因其更高的空间分辨率,更适合反映具有复杂地形的城市地区大气悬浮颗粒物污染。     

东亚高空大气气溶胶的分布及沙尘输送特征研究

利用长达20 年的SAGEⅡ(stratospheric aerosol and gas experimentⅡ) 资料, 研究了东亚地区5.0 ～15.0 km 高空气溶胶多年时空分布特征和变化趋势, 并研究了东亚沙尘活动对高空及下游的气溶胶输送。发现东亚高空气溶胶水平分布呈现上中下3 层不同的分布特征, 下层 5. 0 ～8. 5 km 高值区对应气溶胶源区青藏高原和西北沙漠地区;中层 9. 0 ～10. 0 km 高值区对应温带气旋高发的中纬度地区;上层 10. 5 ～15. 0 km 表现为低纬气溶胶含量显著高于高纬地区。高空各层气溶胶的空间分布受天气系统的影响具有明显的季节变化。近10 年来东亚高空气溶胶呈减少趋势, 平均光学厚度约下降了0. 016。另外还发现沙尘活动与 5. 0 ～11. 5 km 范围内的气溶胶显著相关, 反映沙尘活动影响的高度范围可以达到整个对流层。定义沙尘暴高空影响指数, 用来分析东亚沙尘暴对下游地区的影响, 发现随着时间推移沙尘逐渐向东移动, 在约 12 天之后可以到达大西洋。