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%。     

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。     

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.     

新疆博斯腾湖地区气溶胶光学厚度特性地基遥感

为加强新疆戈壁地区沙尘监测,为区域气候变化研究和局地卫星遥感精度验证提供地基观测依据,利用CE-318太阳光度计在博斯腾湖地区2010年4～12月测得的太阳直接辐射数据,应用消光法反演了大气气溶胶光学厚度(AOD)和Ångström波长指数α并分析其变化特征。结果表明,该地区550 nm AOD平均值为0.33±0.22。当α>0.5时,550 nm AOD日均值小于0.25; 当α<0.5时,550 nm AOD日均值大于0.3。AOD日变化在非沙尘天气时有3种类型:平稳型、上升型和下降型。沙尘天气时有3种类型:上升型、早晨傍晚高且午时有低值、早晨傍晚低且午时有高值。AOD季节变化是春季最大,冬秋次之,夏季最小。当地年均大气透明度较好,气溶胶成分单一,沙尘天气是影响当地大气浑浊度的主要原因。     

Aerosol influence domain of Beijing and peripheral city agglomeration and its climatic effect

In recent years, along with development of industries and intensification of human activities, aerosol influ- ence and its climatic effect, and the aerosol-associated “aberrance” cloud phenomenon have increasingly drawn people’s attention. The term “A…     

基于卫星气溶胶光学厚度反演地面能见度算法的研究

为了获得大范围的能见度空间分布信息, 提出一种把MODIS卫星气溶胶光学厚度陆面产品转化为地面能见度分布的反演算法。该算法以 CALIPSO卫星的气溶胶标高为更新观测值, 以GEOS-Chem模拟的气溶胶标高场为背景场, 通过最优插值的资料同化方法, 将两者整合成误差更小的气溶胶标高分析场, 然后通过气溶胶标高分析场, 把MODIS卫星气溶胶光学厚度转化为地面能见度。与中国地区地面气象多年观测资料的对比结果表明, 反演能见度与观测能见度之间, 点对点的月相关系数可达0.5以上, 两者多年的逐月变化趋势与地域分布形势较为一致。     

京津冀气溶胶光学厚度时空演变及气象解释

针对京津冀地区日益严重的大气污染问题,采用逐像元法对2001-2019年MCD19A2与MOD04气溶胶数据进行融合,并基于AERONET地面站点数据对其在京津冀地区的适用性进行验证后,采用EOF、ISODATA以及回归分析等方法,分析了京津冀地区气溶胶光学厚度（AOD）时间序列的时空演变过程,同时采用地理探测器对其演变过程进行气象解释,对京津冀地区大气污染的防治工作具有重要意义。具体结论如下：（1）从年际演变来看,AOD在2001-2013年绕平均值上下波动,2013-2019年迅速下降。空间分布模式以全局一致型为主,南北分异型为辅,且空间分布与高程呈明显的负相关性。（2）从季节演变来看,夏季AOD较其他季节高,春季和夏季的变化幅度较大。研究期内AOD整体呈减少不显著趋势,其中春季和夏季主要趋势是减少不显著,而秋季和冬季减少不显著和增加不显著比例大致相等。（3）在选取的五个气象因子中,气温对AOD变化的解释力最强。多个气象因子之间会相互影响,对AOD变化具有更强的影响力。气温和湿度对AOD的解释力最强,是主导交互因子。     

Characteristics of atmospheric aerosol optical depth variation over China in recent 30 years

This note retrieves the annual and monthly mean 0.75 μm aerosol optical depth (AOD) by using the daily direct solar radiation and sunshine duration data of 47 solar stations from 1961 to 1990. The characteristic of AOD variation over China in recent 30 years was analyzed. The results indicate that AOD increased obviously over China from 1961 to 1990. AOD increased most rapidly over the east part of Southwest China, the middle-and-lower reaches of the Yangtze River and the Tibetan Plateau. The increasing trend of AOD is also relatively distinct in North China, the Shandong Peninsula, east part of Qinghai Province, and coastal areas of Guangdong Province. However, in most parts of Northwest China and Northeast China, the increase of AOD is less significant, while in the west part of the Xinjiang Uygur Autonomous Region and some parts of Yunnan Province, AOD shows decreasing tendency. Generally, AOD reaches its maximum in spring and the minimum appears in summer. As to the linear trend, the maximum occurs in spring but the minimum in winter. Among the 47 stations selected in this note, the largest three stations of AOD are Chengdu, Chongqing and Nanchong, respectively, which all lie in the Sichuan Basin, and the smallest value of AOD occurs in Jinghong located in Yunnan Province.     

基于多特征参数的OMI遥感产品气溶胶分类研究 ——以广东省为例

为了解决气溶胶分类精度低和特征参数冗杂的问题,基于OMI(Ozone Monitoring Instrument)遥感产品的气溶胶特征参数,利用随机森林算法,将广东省2014年的气溶胶类型划分为沙尘型气溶胶(Desert Dust, DST)、生物质燃烧型含碳气溶胶(Carbonaceous Aerosols Associated with Biomass Burning, CRB)和硫酸盐型城镇-工业气溶胶(Sulfate-based Urban-industrial Aerosols,SLF)3种类型. 并统计分析随机森林以及特征参数的重要性,将分类结果的空间分布与OMI气溶胶类型产品的空间分布进行对比. 结果表明:(1)随机森林算法仅需少量训练样本点即可达到97%以上的总体分类精度. (2)通过计算不同气溶胶特征参数在随机森林分类过程中的重要性高低,得到重要性排名前六的特征参数依次为α指数、UVAI、RI₃₈₈、RI₃₅₄、SSA₅₀₀、AAOD₅₀₀,表明在分类过程中,气溶胶粒径分布和吸收能力起到了最关键的作用. (3)3种气溶胶类型的空间分布显示,SLF型气溶胶为广东省最主要的气溶胶类型;DST型和CRB型气溶胶在珠三角地区占比最高,在粤东、粤北地区的占比最低.     

2000—2019年东北三省气溶胶光学厚度的时空分布特征

利用MODIS高时空分辨率(日; 1 km×1 km)气溶胶光学厚度新产品MCD19A2, 研究东北三省2000—2019年气溶胶光学厚度(AOD)的时空分布特征。结果显示, 东北三省近20年来AOD变化不大, 均值为0.23。2003年, 春旱、扬沙和农田秸秆燃烧导致AOD最高(0.38)。AOD从南往北呈递减趋势, 总体上辽宁省>吉林省>黑龙江省。AOD高值区集中在辽中南城市群等人口密集的工业发达地区, 低值区分布在大兴安岭、小兴安岭和长白山脉等山区。AOD具有季节分布特征, 春夏季高, 秋冬季低。研究结果可为气溶胶对大气辐射收支平衡影响的研究以及模拟颗粒物浓度提供基础。     

2000年-2015年长江流域植被GPP时空变化特征及其驱动因子

长江流域生态系统环境脆弱敏感,该区域植被变化受到气候变化以及人类活动等多种因素的影响.基于MODIS GPP数据,运用一元线性回归趋势分析方法对2000年—2015年长江流域植被GPP时空变化趋势进行了研究,并结合气象数据、土地利用变化数据等探讨了其驱动因素.结果表明：1) 长江流域GPP整体呈现西低东高的空间分布格局.2000年—2015年长江流域GPP在整体上呈波动增加趋势,年际变化介于919.90～ 1 051.48 g C·m－2·a－1之间,多年均值为985.11 g C·m－2·a－1.2) GPP增加区占流域总面积的4.69%,主要集中分布在甘肃省南部、陕西省南部、河南省西南部、湖北省西北部、云南省和贵州省交界地带等;GPP减少区占流域总面积的1.28%,主要集中分布在长江入海口周围的苏南地区及上海市,长江沿线的大城市,如重庆市、武汉市及周围地区,GPP退化较显著;汉江、金沙江石鼓以下、嘉陵江3个二级流域的GPP增加明显,太湖水系和湖口以下干流区域GPP则降低明显.3) 耕地转化为建筑用地是GPP损失的主要土地利用转移方式,草地转化为林地则是GPP增加的主要土地利用转移方式.该研究将对长江流域生态环境建设和可持续发展起到一定指导作用.     

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。     

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。     

广东省气溶胶时空演变及后向轨迹分析

以广东省2010-2019年中分辨率成像光谱仪(MODIS)气溶胶产品为数据源,对广东省近10 a的气溶胶光学厚度(AOD)进行时空演变趋势探索和空间异质性分析.通过历史空气质量监测数据,筛选出东莞市典型气溶胶粒子污染事件,并对其进行3个高度上的大气污染物72 h后向轨迹分析.结果表明:在时间上,近10 a广东省气溶胶变化总体上呈现下降和不变的趋势;而在空间上,主要呈现“北低南高”的分布特征,自相关性显著.后向轨迹表明,广东省所受到的大气污染源自不同的高度层,受到台风和季风的影响,以及受到海洋和陆地气溶胶共同作用.     

巴伦支海的冰盖与气溶胶光学厚度的耦合关系

冰盖（ICE）和AOD之间的关系对北极及全球气候有重要的影响.分析了北极巴伦支海地区（30-50°E,70-80°N）在2003—2009年的AOD和ICE的分布及其之间的耦合关系.从7年的总数据来看,AOD春天高,夏天低,秋天又有回升;南部AOD含量一般高于北部,但在75-80°N区域,2003年的AOD含量特别高;AOD和ICE在一定的区域有着带有滞后期的关系,几乎每一年的相关性都是正的.通过统计软件Eviews的滞后回归分析发现,ICE的峰值先于AOD 1个月左右.在研究区域北部,ICE和AOD在平移后的相关系数是0.51左右,而南部的相关系数是0.30左右.通过协整检验发现,ICE（-1）和AOD均为平稳序列,并且残差无单位根,故两者具有长期均衡关系.可以推断,由于海洋冰块的融化,导致相关生物硫种类的减少,从而导致AOD含量的增加.通过在70-75°N区域对AOD的结果进行平稳性检验,预测了未来两年AOD的发展趋势.     

沙尘天气对内蒙古草原城市大气环境质量的影响研究

沙尘不仅是生态环境恶化的重要标志,也会污染大气环境,影响气象、气候和人体健康。为了探讨沙尘天气对内蒙古草原城市大气环境的影响,综合利用遥感影像与地面观测数据,研究了沙尘天气对锡林郭勒盟草原城市大气环境质量的影响,以期为沙尘天气环境影响评价提供理论依据。研究表明利用MODIS(the moderate resolution imaging spectroradiometer)数据可以实现沙尘活动的遥感监测,结果与基于地面观测发生规律一致;并得到气溶胶自动观测网(aerosol robotic network,AERONET)AOD(aerosol optical depth)产品验证。沙尘天气引起草原城市能见度下降,空气环境质量下降。大气污染主要由颗粒物的增加引起;但伴随沙尘天气的大风使CO、NO_2、SO_2等污染物浓度下降,具有清除人为源所排放污染物作用。     

青藏高原起沙量数值模拟分析

青藏高原可能是东亚上空沙尘气溶胶的重要源地。利用WRF/chem模式模拟了1961-2015年逐日青藏高原的起沙量,其结果表明:1)起沙源区主要分布在高原西部、藏北高原南部、雅鲁藏布江及其支流河谷和柴达木盆地;2)月起沙量具有双峰型结构,峰值分别出现在4-5月及11-12月;春季及秋冬季排放的沙尘气溶胶大致有以藏北高原为中心向东南方向分布的规律;3)高原年平均起沙量为10.13±1.89Tg,从1961-2015年呈现震荡向上的趋势;4)青藏高原对东亚(不包含青藏高原)月起沙量的平均贡献率为16%,其中冬季均能达到25%以上,1月最大可以达到48%。这一研究表明青藏高原是重要的沙尘源地。     

MODIS气溶胶光学厚度产品在地面PM_(10)监测方面的应用研究

利用MODIS(中分辨率成像光谱仪)两年的气溶胶光学厚度(AOD)产品与北京地区API转化得到的PM10质量浓度、北京大学站点直接监测的PM10质量浓度以及香港元朗站点监测的PM10质量浓度做相关性分析,发现二者的直接相关程度较低。将AOD除以气溶胶季节标高,得到地面消光系数,与地面PM10质量浓度相关性提高。对地面消光系数进行相对湿度订正,得到计算的质量浓度,与地面实际观测的PM10质量浓度相关性进一步提高。经过两年时间资料的对比分析,证实气溶胶遥感光学厚度经过垂直和湿度影响订正后,可以应用于地面PM10监测。     

Algorithm for retrieving surface pressure from hyper-spectral measurements in oxygen A-band

An algorithm for retrieving the surface pressure from oxygen A-band measurements in the future Chinese CO2 satellite （CarbonSpec/TanSat） was developed. The full physical radiative transfer model, vector radiative transfer model based on successive order of scattering, which is based on the successive order of scattering approach, was used to simulate the measurements of CarbonSpec/TanSat, as well as the kernel matrix in the inversion algorithm, and then the surface pressure and other related atmospheric parameters such as aerosol optical depth （AOD）, surface albedo, and temperature were derived through optimal estimation theory. Sensitivities of the algorithm to surface albedo, solar zenith angle （SZA）, viewing zenith angle （VZA）, aerosol type, and AOD were investigated, and the results showed that the absolute error of retrieved surface pressure increases with decreasing surface albedo or increasing SZA and VZA. An accuracy of 〈4 hPa over bright surfaces （surface albedo 〉0.15） could be derived for various SZAs and viewing geometries. Moreover, the algorithm can simultaneously retrieve the surface albedo, AOD, and its vertical distribution indicated by scale height.     

我国春季大气沙尘气溶胶分布和短波辐射效应的数值模拟

利用已建立的区域气候模式与大气化学模式耦和的模拟系统 ,在气候模式中引入了起沙机制 ,同时建立了与气候模式连接的沙尘气溶胶输送模式 ,模拟沙尘的输送、扩散、沉降等过程 .通过对 1 998年 4月的模拟 ,分析得到中国地区沙尘气溶胶的主要源区分布情况、沙尘的浓度分布特点和光学厚度特征 ,并且将一次沙尘暴个例与同期卫星观测的气溶胶指数分布做了对比 .进一步模拟了沙尘气溶胶辐射效应 ,发现沙尘气溶胶能减少地面的辐射净收入 ,使南方的大气辐射收入减少 ,使北方的大气辐射收入增加 .由于沙尘气溶胶对辐射的削弱使地面气温有显著降低