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.     

利用MODIS研究中国东部地区气溶胶光学厚度的分布和季节变化特征

通过与太阳光度计观测结果的对比, 确认了NASA Terra卫星的MODIS气溶胶产品的精度. 利用2000年8月至2003年4月MODIS气溶胶产品统计了中国东部地区气溶胶光学特征和季节变化特点, 认为人类活动是中国东部气溶胶的主要来源, 所有的大值区都分布在华北平原、长江中下游平原、四川盆地、珠江三角洲等工业发达、人口密集、经济迅速发展的地区. Ångström指数的分布显示中国东部气溶胶以人类活动产生的气溶胶为主, 但在春季、秋季、冬季受到来自北方沙尘的影响显著. 人口密集城市地区气溶胶Ångström指数低于其周边地区, 显示城市地区由于人类活动产生的扬尘、煤烟等大粒子占有相当比例, 与发达国家城市地区不同. 这些结果为气候研究和环境研究提供了重要的基本数据.     

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.     

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.     

忽略1.6μm偏振计算对二氧化碳反演精度的影响

散射引起的偏振效应会对卫星遥感二氧化碳精度产生较大的影响.本文利用逐线积分方法和累加法精确模拟了星载仪器近红外1.6μm波段的大气层顶偏振辐射特征,计算了分子散射和气溶胶散射引入的偏振效应,分析了偏振效应对大气二氧化碳反演精度的影响.研究表明:1.6μm波段散射引入的偏振效应明显,并随太阳高度角、观测天顶角、气溶胶光学厚度、地表反射率而变化.除个别大角度观测天顶角外,偏振效应随太阳天顶角升高、气溶胶光学厚度增加、地表反射率的减小而变大,并且在吸收线位置的影响要高于窗区.忽略偏振效应导致的大气二氧化碳反演误差随太阳天顶角的升高、气溶胶光学厚度的增加以及地表反照率减小而增大,并且该误差与仪器观测角度有关.模拟结果显示在高太阳天顶角、高气溶胶光学厚度以及低反照率场景下,忽略偏振计算可能引入高于10 ppmv(1 ppmv=10~(-6) L/L)反演误差,远高于1~2 ppmv观测需求.为减小误差,基于该波段的二氧化碳反演需要考虑大气辐射偏振的影响.     

2000～2010年中国森林叶面积指数时空变化特征

森林是重要的陆地生态系统,其叶面积指数(leaf area index,LAI)是决定该生态系统与大气之间物质和能量交换的关键参数.利用MOD09A1及MCD43A1数据和基于4尺度几何光学模型的反演算法,生成了中国森林2000～2010年每8天的500mLAI产品,并利用6个典型森林样区的LAI观测数据对该LAI产品进行了验证.在此基础上,分析了2000～2010年间我国森林LAI的时空分布特征及其与温度和降水之间关系.结果表明,利用MODIS数据反演生成的500mLAI产品具有可靠的质量,6个典型森林样区的验证精度达到70%以上;2000～2010年间,我国东北、华北、中南部地区森林LAI呈增加趋势,但在东南部和西南地区森林LAI呈下降趋势,主要原因是2008～2010年该地区的LAI明显下降.森林LAI年平均值与年平均气温在东北地区正相关,在西南地区负相关;在华北和中南部地区LAI年平均值与年降水量正相关.2001和2009年的异常气候导致我国秦岭和淮河以南地区的森林LAI明显低于常年,部分地区的LAI年平均值较正常年份下降1.0左右.     

基于MODIS数据的陕西省气溶胶光学厚度变化趋势与成因分析简

利用MODIS（moderate resolution imaging spectroradiometer）数据探讨了2000年3月~ 2012年2月陕西省气溶胶光学厚度（aerosol optical depth,AOD）的时空变化趋势及成因. 结果表明,在地形因素和局地源的共同影响下,关中盆地、安康和汉中是陕西AOD高值区,除上述地区AOD在上升外,陕西大部分地区AOD在下降. 陕西气溶胶波长指数（α）分布与植被覆盖情况密切相关,地面扬尘是粗模态气溶胶的重要来源,归一化植被指数（normalized difference vegetation index,NDVI）上升和沙尘天气的减少使秦岭以北地区粗模态AOD逐年递减,而人类活动导致陕西林区以外的大部分地区细模态AOD的上升. 随着细模态AOD上升和粗模态AOD下降,人类活动对气溶胶影响日益突出,陕西地区气溶胶类型正逐渐向城市工业型转变.     

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     

基于MODIS数据的陕西省气溶胶光学厚度变化趋势与成因分析

利用MODIS(moderate resolution imaging spectroradiometer)数据探讨了2000年3月~2012年2月陕西省气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)的时空变化趋势及成因.结果表明,在地形因素和局地源的共同影响下,关中盆地、安康和汉中是陕西AOD高值区,除上述地区AOD在上升外,陕西大部分地区AOD在下降.陕西气溶胶波长指数(α)分布与植被覆盖情况密切相关,地面扬尘是粗模态气溶胶的重要来源,归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)上升和沙尘天气的减少使秦岭以北地区粗模态AOD逐年递减,而人类活动导致陕西林区以外的大部分地区细模态AOD的上升.随着细模态AOD上升和粗模态AOD下降,人类活动对气溶胶影响日益突出,陕西地区气溶胶类型正逐渐向城市工业型转变.     

卫星遥感研究中国气溶胶光学厚度、NO_2和SO_2的相关性

利用2005~2014年Aqua MODIS和Aura OMI卫星遥感的气溶胶光学厚度(AOD)、对流层二氧化氮(NO_2)、二氧化硫(SO_2)柱积分浓度,通过相关性研究分析了这两种气象前体物对中国不同地区气溶胶的影响.结果表明:(1)在中国绝大部分地区,AOD与NO_2和SO_2空间分布存在显著正相关(95%信度),说明NO_2和SO_2通过形成二次气溶胶而显著影响总气溶胶浓度.在日尺度上,卫星观测AOD与NO_2,SO_2的时间相关性不可靠.(2)AOD/NO_2和AOD/SO_2的线性拟合斜率存在较大地区差别:在黑吉辽、晋鲁豫、川渝黔等城市化程度相对较低的区域,AOD/SO_2的斜率显著小于AOD/NO_2斜率,表明这些地区气溶胶仍是以硫酸盐性为主、NO_2的贡献相对较小;而在京津冀、江浙沪、广东等现代化都市群附近,AOD/NO_2和AOD/SO_2斜率较为接近,表明这些地区气溶胶是以硫酸盐/硝酸盐混合性为主.(3)AOD/NO_2和AOD/SO_2的线性拟合斜率存在明显的季节变化,一般是在夏季最大、冬季最小,这可能与气温、冬季取暖、春季沙尘等有关;近10年来,这两种斜率在各地区基本没有体现出显著的年际变化趋势,但在川渝黔地区,AOD/NO_2斜率有微弱的升高趋势.本研究的结果,一方面可以弥补地基观测资料在时空覆盖上的不足,另一方面可以为相应的大气污染模式评估提供参考.     

基于纤维素吸收指数(CAI)的内蒙古荒漠草原非绿色生物量估算

植被非绿色生物量的准确估算对于陆地生态系统碳库存量的研究具有重要意义.利用2009~2010年生长季内蒙古荒漠草原地面高光谱观测及相应的非绿色生物量资料,分析研究了基于地面高光谱(ASD)、星载高光谱(Hyperion)、星载多光谱(MODIS)3种数据的纤维素吸收指数(cellulose absorption index,CAI)估算非绿色生物量的能力.结果表明,基于ASD和Hyperion数据的CAI可以较好地估算荒漠草原非绿色生物量,相对误差分别为26.4%与26.6%;归一化植被指数(MODIS2 MODIS5)/(MODIS2+MODIS5)与(MODIS6 MODIS7)/(MODIS6+MODIS7)和基于ASD数据的CAI之间的复相关系数高达0.884;该MODIS指数组合估算非绿色生物量的相对误差为28.9%,估算精度远高于基于TM数据的NDI(normalized difference index),SACRI(soil adjusted corn residue index)和MSACRI(modified soil adjusted crop residue)3个多光谱指数,其相对误差超过了42%.研究结果对于在区域尺度上利用遥感数据估算非绿色植被生物量提供了很好的思路.     

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.     

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     

基于太阳光度计地基观测的徐州气溶胶光学特性变化分析

利用CE-318太阳光度计,于2013年7月~2015年4月对中国南北过渡地带淮海经济区中心城市徐州的气溶胶光学特性进行了地基观测,并结合气象条件对观测数据进行分析.研究揭示:(1)徐州2014年气溶胶光学厚度(AOD)年均值高达0.92;(2)徐州AOD四季变化分明,夏秋高、春冬低;(3)徐州气溶胶体积谱四季均呈双峰结构,冬夏两季积聚模态粒子与粗模态粒子的体积浓度接近,秋季积聚模态粒子占主导,春季粗模态粒子占主导;(4)徐州气溶胶可分为3个聚类,一类为粒径较大的干粒子,AOD较小,主要出现于5,12月,二类为粒径较小的强吸光粒子,主要出现于秋末和冬春,AOD最小,以12月为主,三类为体积浓度最大的湿粒子,AOD较大,各月均有,但以8月为最多.徐州AOD的四季变化特征不同于邻近的苏鲁豫皖省会城市,却相同于苏南太湖北岸、相似于环渤海湾地区.污染排放强度大、风速低、湿度较大,并受东南季风环流及秸秆燃烧影响,是徐州AOD年均值偏高的根本原因.     

卫星遥感中国对流层中高层大气甲烷的时空分布特征

利用美国Aqua 卫星的AIRS 遥感资料, 分析了2003~2008 年中国地区对流层中高层大气甲烷的时空分布特征. 研究发现, AIRS观测结果与近地面观测资料变化趋势一致, 与地基遥感的误差在1.5%以内. 受近地层自然排放与人为活动的共同影响, 中国对流层甲烷在垂直分布上呈现典型的变化趋势: 随着高度的增加甲烷浓度下降. 甲烷在我国东部和北部地区具有明显的双峰季节变化特征, 最高值存在夏季, 次高值出现在冬季, 与近地面观测结果一致, 而南部地区冬季没有显著增加的人为来源, 西部地区人为活动稀少, 因此在南部和西部地区的甲烷高值只出现在自然源排放强烈的夏季. 中国地区的对流层中高层的甲烷与北半球的几个主要地区变化趋势一致, 均在2007 年之前保持相对稳定, 在2007 年后有一个明显的增长, 但是中国的增长速度较其他地区更为显著, 其中2006~2008 年期间的增长速率与我国近地面观测结果相近.     

风云三号气象卫星全球臭氧总量反演和真实性检验结果分析

利用我国第二代极轨气象卫星“风云三号”搭载的紫外臭氧总量探测仪(TOU)发射后一年内获取的观测数据以及地基臭氧观测数据, 对全球特别是受到广泛关注的南极地区和青藏高原地区进行了臭氧总量反演试验, 反演结果与国外同类产品及地面观测结果进行了对比分析. 定性的分析结果表明, “风云三号”紫外臭氧探测仪反演的全球臭氧总量分布与国际上发布的同类产品相比, 真实地反映了臭氧随时间与空间的分布特征. 在全球部分地基观测站所处的位置上对臭氧总量探测仪与OMI产品和地基观测数据进行了比较, 结果表明, “风云三号”紫外臭氧探测仪臭氧总量反演结果和国外同类卫星产品相对均方根偏差约为3%, 与地基观测结果相比相对均方根偏差约为4.2%, 中低纬度地区均方根偏差小于高纬度地区, 最大均方根偏差出现在南极臭氧洞之内, 大多数情况小于5%, 个别站点上超过5%但低于10%, 均优于10%的产品设计指标. 目前TOU已经完成了在轨测试和试运行进入业务运行阶段, 向国内外用户提供实时臭氧总量产品.     

卫星遥感监测中国地区对流层二氧化碳时空变化特征分析

利用北半球5个地面本底站和飞机观测CO₂浓度对AIRS(atmospheric infrared sounder)反演得到的对流层中层CO₂产品进行验证, 结果显示AIRS反演结果与地面观测和飞机观测结果一致性较好, 月平均偏差小于3 ppmv, 可以用于分析研究对流层CO₂的时空分布特征. 利用AIRS 近6年观测数据(2003年1月~2008年12月)分析研究显示: 北半球是CO₂的高值区, 且呈逐年增长态势. 其中, 中国地区的年增长率约为2 ppmv, 与美国、欧洲、澳大利亚、印度等地区相当, 略低于加拿大和俄罗斯. 由于自然条件和工业布局的影响, 中国地区对流层CO₂总体呈现北高南低的分布规律, 在35°~45°N形成4个高值中心, 云南地区为CO₂低值分布区. 中国区域对流层CO₂季节变化特征显著, 高值出现在春季, 低值出现在秋季.     

环北京春季大气气溶胶分布、来源及其与CCN转化关系的飞机探测

利用2009年春季开展的"环北京云观测试验"(Beijing cloud experiment,BCE)观测的气溶胶和云凝结核(CCN)数据,研究了试验期间大气气溶胶的分布、来源特征及其与云凝结核(CCN)的转化关系.结果表明,高浓度气溶胶基本分布在4500 m以下的区域,量级可以达到103个/cm3.4500 m以上气溶胶呈显著下降趋势,仅为101个/cm3的量级;气溶胶平均直径在0.16~0.19μm之间.4500 m以下气溶胶平均粒子谱呈双(多)峰分布,而在4500 m以上基本为单峰分布.受气溶胶的来源特性差异的影响,在0.3%的过饱和度下,4500 m以下气溶胶转化为CCN比例不到20%,但在4500 m以上可高达近50%.气团移动轨迹显示,4500 m以上的大气高层均受到来自沙尘等较大尺度粒子的影响,飞机观测的高CCN浓度说明这种较大尺度气溶胶粒子可溶性较大.而4500 m以下的低层,由于受到局地或区域地面污染的影响,气溶胶的尺度较小,核化为CCN的过饱和度要求较高,因此气溶胶到CCN的转化率低.本文建立了气溶胶浓度和CCN浓度的拟合关系.     

我国光学干涉仪对中高层大气风场的首次观测

子午工程光学干涉仪安装在河北省境内的国家天文台兴隆园区(40.2°N,117.4°E),于2010年4月开始观测运行,探测峰值高度在87,98和250km的OH892.0,OI557.7和OI630.0nm的气辉辐射.设备从4月5日到5月12日共38d的观测运行表明,光学干涉仪成功地进行了中高层大气风场的地基观测,获得了大气风场的观测数据.分析结果表明:风场数据具有非常明显的逐日变化,观测期间内,在87,98,250km高度区域内的经向风和纬向风的平均值分别处在-16.5～8.7和-5.4～7.6m/s,-24.4～15.9和2.3～23.0m/s,-43.6～1.5和-22.6～49.3m/s之间.与HWM93模式结果比较,87和98km峰值高度的气辉反演风场的平均分布与模式之间存在较好的一致性,半日潮变化相当明显;250km高度的热层大气风场的探测结果与经验模式有较大的差异.观测结果表明,子午工程光学干涉仪是一个适合观测中纬地区中层顶和热层风场的地基探测设备.     

夏季青藏高原东南部气溶胶对云特性的影响

青藏高原(以下简称高原)东南部是高原人口活动最为密集的地区,随着川藏铁路的修建,该地区的云降水特征进一步受到关注,但是其中气溶胶对云特性的影响作用依然较为模糊.利用2015～2021年葵花-8静止卫星数据,结合MERRA2、ERA5再分析资料,探究了夏季高原东南部气溶胶对云特性的影响.研究发现,高原东南部地区的气溶胶日平均浓度近年来整体趋势稳定,存在人为源气溶胶与沙尘气溶胶的混合污染现象,其分布受人为活动区域影响,存在显著的地域特征.在水汽输送条件不利的情况下,气溶胶的增多可导致云的出现频率减少、云光学厚度以及云滴粒子有效半径降低.其中硫酸盐气溶胶的增多可显著增强吸湿增长和成云潜势,促进云的生成和发展.此外,高原东南部南侧的雅鲁藏布江河谷和念青唐古拉山脉以及北侧的唐古拉山脉区域附近的地形作用有助于气流抬升,增强气溶胶的凝结增长和碰并过程,对云的生成和发展有较为明显的促进作用.气溶胶对对流云特性的影响比层状云更为显著,其具体影响效应受制于水汽条件:当水汽充足时,云的出现频率提升,而水汽不足时Twomey效应可能导致云滴粒子有效半径下降而云光学厚度上升.本研究结果对于预测和评估川藏铁路沿线...