中国不同地区闪电活动和气溶胶的相关性研究

基于10年(2002~2011)卫星观测资料,研究气溶胶浓度(以气溶胶光学厚度AOD代替),地面温度,相对湿度,海拔高度以及其他数据对中国两个不同地区夏季闪电活动的响应。结果表明,不同地区闪电活动主要影响因素不同。对于气溶胶浓度低的地区(AOD_(ave)=0.14),地面温度(偏相关系数为0.745)、海拔高度(偏相关系数为-0.613)可能是影响该区域闪电活动的主要因素;对于气溶胶浓度高的地区(AOD_(ave)=0.60),地面温度(偏相关系数为0.87)、气溶胶浓度(偏相关系数为-0.823)、相对湿度(偏相关系数为0.818)可能是影响该区域闪电活动的主要因素。另外气溶胶浓度低和高的两个地区气溶胶对闪电活动的影响是相反的。对于气溶胶浓度低的地区,闪电密度与AOD,冰粒子光学厚度(IOT)呈明显正相关(R=0.81,0.82),气溶胶可能主要通过微物理过程增加云滴数量,随之冰粒子含量增多,增强雷暴云活动,促进闪电活动的发生;对于气溶胶浓度高的地区,闪电密度与AOD呈明显负相关(R=-0.78),地面气温与AOD呈负相关(R=-0.29),而IOT与闪电密度无相关性(R=0.09),表明气溶胶可能通过辐射效应,使到达地球表面的太阳辐射降低,地面温度降低,雷暴云强度减弱,使冰粒子含量减少,导致闪电活动减弱。     

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。     

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。     

地面湿度对雷暴云电过程影响

分析了南京地区2002～2011年(共10年)闪电和地面相对湿度的卫星观测资料,分析表明:闪电密度与相对湿度呈正相关。为了进一步研究相对湿度对雷暴云起电和放电的影响,采用二维雷暴云起、放电数值模式进行敏感性试验。结果表明:随着相对湿度的增大,云滴数目增多,上升风速增强;当相对湿度增加时,较大的上升气流和云水含量有助于产生更大尺寸的冰晶和霰粒子;较大的云滴、霰和冰晶通过非感应起电和感应起电机制促进电荷分离;当相对湿度从60%增加到90%时,总闪数增加,并且只有当相对湿度高达90%时,才能产生地闪。整体而言,相对湿度越大,对流活动更快更强,促进了雷暴云初始起电和放电。     

地面湿度对雷暴云电过程的影响

分析了南京地区2002～2011年(共10年)闪电和地面相对湿度的卫星观测资料,分析表明:闪电密度与相对湿度呈正相关。为了进一步研究相对湿度对雷暴云起电和放电的影响,采用二维雷暴云起、放电数值模式进行敏感性试验。结果表明:随着相对湿度的增大,云滴数目增多,上升风速增强;当相对湿度增加时,较大的上升气流和云水含量有助于产生更大尺寸的冰晶和霰粒子;较大的云滴、霰和冰晶通过非感应起电和感应起电机制促进电荷分离;当相对湿度从60%增加到90%时,总闪数增加,并且只有当相对湿度高达90%时,才能产生地闪。整体而言,相对湿度越大,对流活动更快更强,促进了雷暴云初始起电和放电。     

中国东南区域闪电活动特征及其与大气环境参数的关系

利用近18年(1997~2013)的星载LIS/OTD(lightning imaging sensor and optical transient detector)闪电观测资料、NCEP/NCAR(National Center for Environmental Protection/National Center for Atmospheric Research)和ERA-Interim再分析资料,对北纬30°以南、东经100°以东的中国陆地地区(17.5~30°N,100~122.5°E)的闪电活动特征及其与大气环境因素的关系进行了分析.结果表明:中国东南闪电高发区闪电活动季节性特征明显,春夏两季为闪电高发期,厄尔尼诺事件对其闪电活动的年际变化有较强的影响,在此期间冬春季闪电活动有明显的增强.东南闪电高发区闪电活动与地面温度、700~400hPa平均相对湿度、850hPa位温等热力学参数有明显正相关,与多种稳定度参数有强相关,显示出大气层结不稳定性越大,闪电活动越强.进一步通过多元逐步线性回归方法,建立了东南闪电高发区区域平均闪电密度与地面温度、CAPE(convective available potential energy)、BR(Bowen ratio)、LI(lifted index)、SI(Showalter index)的回归方程,有助于利用多种参数开展预报区域闪电活动.     

温湿层结对雷暴云起电过程及闪电活动的影响

为了探究环境温湿配置对雷暴云微物理、电过程及闪电的影响,本文利用法国三维非静力中尺度数值模式Meso-NH,通过改变该模式初始各层的环境温度和相对湿度,对南京地区雷暴云云微物理过程及闪电活动的发生情况进行了模拟。研究发现:大气低层、中低层环境温度和湿度的改变对雷暴云中对流强度,电场强度及分布,4种水成物粒子(雨、冰晶、雪、霰)的分布及其所带电荷量和总闪电数造成了较大影响;在低层和中低层增湿对雷暴云及闪电发生的增强效果要好于增温;在中层和中高层,降温对雷暴云及闪电发生的增强效果要好于降湿。结果表明,对低层、中低层大气环境温湿层结的影响能显著地改变雷暴云的云微物理过程,影响起电和放电,并剧烈地改变闪电活动的强度。     

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。     

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。     

不同时间尺度大气PM_(2.5)和PM_(10)卫星影像反演

利用南宁市地面8个监测站与中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据反演得到的气溶胶光学厚度值作为数据源,运用回归分析法,选取月、季、年三种时间尺度,分别对PM_(2.5)、PM_(10)浓度与AOD值进行相关性研究。结果表明,PM_(2.5)与AOD相关性好于PM_(10),月尺度PM_(2.5)和PM_(10)与AOD值相关性强,除个别月份外,R2均在0.7以上;季尺度PM_(2.5)和PM_(10)与AOD值相关性,随季节变化显著,但R2均在0.5以上;年尺度PM_(2.5)和PM_(10)与AOD值拟合,采用一元二次模型,R2在0.5以上。上述结果表明AOD在月尺度上与地面站点污染物监测数据PM_(2.5)和PM_(10)的相关性最为显著,故可在月尺度上通过卫星遥感影像反演的AOD推算地面PM_(2.5)和PM_(10)的空间浓度场。     

基于MODIS影像江西省气溶胶时空分布变化遥感分析

使用2000—2018年的MODIS MOD04_3K气溶胶标准产品对江西省气溶胶光学厚度(AOD)进行提取.通过合成年均值、月均值和季均值AOD数据,分析550 nm处气溶胶光学厚度的时空变化特征.结果表明:2006年与2014年为两个波峰,南昌市、宜春市等人为活动频繁的中北部地区AOD值偏高,省边缘及南部AOD值较...     

张掖地区春季大气气溶胶的光学特性

利用2008年4-6月份张掖气候观象台CE-318的观测资料,结合同期PM₁₀质量浓度和地面常规气象资料,分析了气溶胶光学厚度AOD,Angstrom指数和PM₁₀质量浓度的时间变化特征,讨论了AOD与气象要素的关系以及AOD与PM₁₀质量浓度的相关性.结果表明,观测期间AOD与浑浊度系数β的日均值变化趋势较为一致,与波长指数α呈较弱的负相关.AOD大致存在四种日变化形式:1)平缓稳定;2)早晚低,中午较高;3)早晨低,傍晚高;4)早晨高,傍晚低.观测点受西北（偏北）风控制时,AOD易出现较高值,相对湿度的变化对AOD大小影响不明显.日平均情况下AOD和PM₁₀质量浓度的相关系数R²为0.735 9,大于小时平均情况下的0.4035.     

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.     

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。     

南宁市气溶胶光学厚度与大气颗粒物相关性分析

利用南宁市世锦赛期间(10月6—13日)的MODIS影像反演的气溶胶光学厚度(AOD)和PM_(2.5)、PM_(10)质量浓度为数据源,统计以地基站点为中心在站点位置0.5°×0.5°区域范围内的AOD日均值和各监测站PM_(2.5)、PM_(10)质量浓度日均值,运用6种数学模型(线性、一元二次、一元三次、对数、幂函数、指数)进行相关性分析。结果表明,在AOD与PM_(2.5)日均值建立的六种关系模型中,一元三次函数模型的拟合效果更好,且6、7、13日的AOD与PM_(2.5)相关性较高,R2在0.6以上;在AOD与PM_(10)日均值建立的六种关系模型中,一元三次函数模型的拟合效果更好,但AOD值与PM_(10)相关性整体比PM_(2.5)相关性低,7、9日的AOD与PM_(10)相关性较高,R2在0.6以上。对于相关性较好的,可用该模型函数来反演和监测PM_(2.5)、PM_(10)质量浓度。     

基于地基观测订正的MODIS AOD反演四川盆地PM_(2.5)时空分布特征

依据AOD与PM_(2.5)质量浓度的关系,利用TERRA卫星的MODIS AOD资料、中国区域气溶胶特性综合联网观测与研究计划和中国地区太阳分光观测网的地基数据,研究了四川盆地MODIS AOD精度及2017年研究区域17个市县级站点PM_(2.5)质量浓度的反演问题.结果表明,重庆、盐亭、贡嘎山站点地基观测AOD与MODIS AOD的线性相关系数分别为0.64、0.86、0.87,满足美国国家航空航天局精度要求,且与PM_(2.5)质量浓度呈较高的线性相关,由此构建了四川盆地订正后的AOD与PM_(2.5)质量浓度的拟合方程,反演了2017年四川盆地分辨率达到县级城市的PM_(2.5)质量浓度空间分布,年均质量浓度为38.7μg/m3,呈现盆地中部高、四周低的空间分布格局,与仅用地市级分辨率的实际PM_(2.5)质量浓度监测数据研究得到的四川盆地2017年平均PM_(2.5)质量浓度50.8μg/m3相比,发现仅用地市级站点的实际PM_(2.5)质量浓度监测数据反映四川盆地区域污染状况会造成明显高估现象.     

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.     

腾格里沙漠东北部地区沙尘气溶胶质量浓度变化特征

目的 探究腾格里沙漠东北部地区典型扬沙天气过程中沙尘气溶胶的质量浓度变化特征，以期为沙尘气溶胶辐射气候效应的数值模拟提供参考。方法 利用EDM 164型颗粒物监测仪对腾格里沙漠东北部地区沙尘气溶胶数浓度进行外场观测，获得了典型扬尘天气过程中沙尘气溶胶的数浓度采样资料。结果与结论(1)腾格里沙漠东北部地区典型扬沙天气过程中沙尘气溶胶质量浓度日变化呈双峰型分布特征，峰值分别出现在上午11时(471μg/m³)和下午16时(500μg/m³)。沙尘气溶胶质量浓度与大气压和相对湿度呈负相关关系(p<0.01),与温度和风速呈正相关关系(p<0.01)。(2)沙尘气溶胶数浓度主要分布在积聚模态内(97%),质量浓度主要分布在粗模态内(92%);沙尘气溶胶数浓度随着粒径的增加而减少，质量浓度谱呈明显的双峰型分布，质量浓度随着粒径的增加表现为先增加后减少的变化趋势，2个峰值分别出现在粒径4.5和2.75μm处。(3)沙尘气溶胶质量浓度谱可以用粗模态1和粗模态2进行对数正态分布拟合，2个模态的峰值所对应的粒度直径分别为2.75和4.5μm。     

MODIS C5、C6气溶胶产品验证及区域适应性评价

MODIS Collection 5(C5)、Collection 6(C6)气溶胶产品是当前NASA提供的两种逐日气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)产品,可以为大气颗粒物污染评价以及气候效应影响研究提供重要的数据支撑,但两种产品分别基于不同的气溶胶反演方法生成,明确两种产品气溶胶反演方法的精度和区域适应性对用户合理选择数据产品具有重要意义。以分布于我国的AERONET(Aerosol Robotic Network,AERONET)数据为依据,分析了两种产品在几种典型区域的精度以及区域适应性。结果表明:1C6DT算法整体反演精度略优于C5DT算法;2与DT算法相比DB具有较高的整体反演精度(R=0.91,RMSE~0.166,MAE~0.116),气溶胶有效观测天数明显增加,能够降低15%左右的气溶胶高估情况;3C6DT算法在浓密植被地区整体精度较高,但在亮地表区域适应能力较差,产品缺失值严重;而DB算法均能实现暗地表和亮地表区域上的气溶胶反演,尤其在城市、稀疏植被覆盖气溶胶反演精度整体较高,空间连续性得到明显改善。