海洋气溶胶多光谱偏振特性研究

为提高海洋气溶胶的反演精度,定量研究了气溶胶在可见近红外波段的多光谱偏振辐射特性。首先建立了合理的海洋气溶胶及海面模型,基于逐次散射法准确模拟了光在气溶胶中及大气—海洋交界面处的矢量辐射传输过程,接着从光谱角度定量分析了典型波段处的反射率和偏振反射率,在此基础上提出了海洋气溶胶偏振辐射的光谱分布模型,并用卫星数据对模型进行验证,最后研究了气溶胶光学厚度、观测角度、海水叶绿素a浓度和海面风速对气溶胶多光谱偏振辐射的影响。研究表明,在可见近红外波段不考虑大气吸收和耀斑效应时,气溶胶偏振辐射的光谱变化符合幂函数模型;在不同波段处,海洋气溶胶的偏振辐射受海水叶绿素a浓度和海面风速的影响不同;海洋气溶胶的多光谱偏振辐射信息有效体现了气溶胶的自身特性,且与反射率相比,偏振反射率随各因素的变化存在更明显的谱段差异性。因此,可以运用气溶胶的多光谱偏振信息反演海洋气溶胶参数,多光谱探测的加入对提高气溶胶反演精度具有重要意义。     

基于AERONET SACOL站观测资料的沙尘气溶胶光学厚度卫星反演试验研究

利用兰州大学大气科学学院半干旱气候变化教育部重点实验室(SACOL站)气溶胶地基观测资料订正出的地表反射率及构建的沙尘气溶胶模型,借助6S大气辐射传输模式,对Terra卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)的L1B多光谱资料,进行了沙尘气溶胶光学厚度的个例反演试验。结果表明,四种反演方案的沙尘气溶胶光学厚度的区域分布均比较合理,说明反演方法可行;考虑了波长指数,并用SACOL资料构建的气溶胶模型进行大气订正得出的地表反射率反演出的沙尘气溶胶光学厚度最接近实际测量值,误差为-7.3%。通过对反演过程中的误差进行数值试验检验,结果表明反演方法比较稳定。     

海洋气溶胶多角度偏振辐射特性研究

海洋气溶胶是对流层气溶胶的重要组成部分,对全球的辐射收支平衡及气侯变化均有重要的影响。评价气溶胶的直接与间接辐射效应需要对气溶胶的性质进行深入的研究。多角度偏振为气溶胶光学物理性质研究提供了新的方法。在对可见光550 nm和近红外860 nm波段处海洋气溶胶的光学性质的研究基础上,采用矢量辐射传输模型模拟了TOA（top of atmosphere）反射率和偏振反射率与下垫面性质、观测方位角、气溶胶光学厚度之间的敏感性。模拟结果表明,海洋型气溶胶的多角度偏振信息可以有效地体现气溶胶的光学性质,可以利用多角度偏振遥感信息进行海洋气溶胶的反演,为利用多角度偏振遥感数据进行海洋气溶胶提供了理论基础。     

基于多轴差分光学吸收光谱探测的北京春季气溶胶垂直廓线

气溶胶垂直廓线是评估污染物来源、输送等途径的必要手段。气溶胶污染对环境和人体健康带来直接的影响。该研究于2019年4-5月,利用中国科学院大气物理研究所（39.98°N,116.39°E）的地基多轴差分光学吸收光谱（MAX-DOAS）仪,对北京地区春季大气光谱垂直廓线进行了观测。凭借MAX-DOAS实时、在线、连续的观测优势,能有效的对气溶胶进行监测。MAX-DOAS基于最优估算法（OEM）以及最小二乘光谱拟合法,并以辐射传输模型SCIATRAN作为前向模型,利用海德堡廓线（HEIPRO）算法反演得到气溶胶消光系数的垂直廓线,通过对气溶胶消光系数在其路径的积分获得气溶胶光学厚度（AOD）。利用地基太阳光度计观测的AOD和高塔观测的颗粒物质量浓度垂直廓线,分别与MAX-DOAS观测的AOD和气溶胶消光系数垂直廓线进行对比,验证MAX-DOAS算法的适用性。研究结果表明,MAX-DOAS与太阳光度计观测AOD结果,相关系数为0.92,斜率为0.89。三层气溶胶消光系数与PM_2.5质量浓度的皮尔森相关系数从低处到高处分别达到0.69（60 m）,0.77（160 m）和0.75（280 m）。并且,将气溶胶平均消光系数和对应三层（60,160和280 m）的PM_2.5平均质量浓度对比,发现两者趋势一致。同样的,为了验证MAX-DOAS是否具备准确识别污染物的长距离输送的能力,我们通过Angstrom指数确定沙尘天气,通过计算梯度理查森数和边界层高度确定静稳天气,分析了在特殊天气条件下,MAX-DOAS能够对沙尘和静稳天气做出及时、准确的响应。分析气溶胶平均消光系数,发现气溶胶垂直廓线随高度升高呈现指数衰减变化的趋势,并且气溶胶消光系数均值在1.5 km高度处约为近地面的50%左右,而在1.5 km以上消光系数会随着高度的增加而快速减小。当高度达到2 km左右时,气溶胶消光系数均值下降到了0.1 km-1。以上结果表明MAX-DOAS探测大气气溶胶垂直廓线具有较高的适用性。     

叶绿素浓度垂直不均一分布对于分层水体表观光学特性的影响

以往大部分海洋光学和海色研究都是以海洋光学有效成分及固有光学特性垂直均一分布的假设为基础进行的,然而海洋观测表明海水成分的垂直不均一性大量存在。文章通过Hydrolight辐射传输模拟研究了叶绿素浓度垂直不均一分布对海水表观光学特性的影响。叶绿素浓度垂直不均一分布由高斯模型来近似模拟,选择成熟的一类水体生物光学模型,利用Hydrolight辐射传输代码模拟表观光学特性,将垂直不均一廓线情况下模拟的表观光学特性值与具有本底值的均一廓线情况所模拟的相应值进行了比较。结果表明,水表面以下的叶绿素浓度最大值增加了蓝光波段的遥感反射率,减小了绿光波段的遥感反射率,而且改变了水体中辐射的方向分布,在叶绿素浓度最大值处,下行辐射漫衰减系数和平均余弦廓线分别出现峰值和谷值。     

地基消光测量确定大气气溶胶模型

 分别取大陆型、海洋型、城市型和Junge谱分布气溶胶模型，用6S辐射传输算法计算出对应于太阳光度计测量时的各波段大气气溶胶光学厚度。将模式计算值与测量值进行比较，确定测量地区的大气气溶胶模型。将该方法用于2004年在北京地区测量的太阳光度计数据，结果显示该地区当日实际大气在几种气溶胶模型中较为符合城市型气溶胶模型。     

PSO聚类算法的京津冀地区气溶胶光学厚度反演

气溶胶光学厚度(AOD)是气溶胶浓度和大气浊度的重要表征参数。通过遥感手段实现大气气溶胶光学厚度的反演是大气监测与治理过程中的重要方式,其中遥感反演AOD的重点和难点是如何选择适合卫星传感器成像特点的方法和符合研究区域的气溶胶类型。针对传统暗目标法无法直接应用于高分四号(GF-4)卫星多光谱遥感数据的问题,通过研究得出了GF-4卫星多光谱数据中红、蓝波段等效地表反射率的分布和两者之间的线性关系,结合AOD反演原理改进暗目标法使其适用于GF-4卫星多光谱遥感数据;分析6S辐射传输模型输入参数中气溶胶类型对AOD反演精度的影响,结果表明气溶胶类型是影响AOD高精度反演的关键要素之一;利用粒子群(PSO)聚类算法对京津冀地区气溶胶特性实测样本进行聚类分析,通过分析各个气溶胶类型聚类结果的占比和半衰期变化情况,最终确定聚类得到的C1、 C4型和6S模型内置的大陆型气溶胶类型进行京津冀地区的AOD反演。为了验证不同气溶胶类型AOD反演结果的精度,将反演结果与MODIS气溶胶产品和气溶胶自动观测网(AERONET)地基站点数据进行对比验证,通过相关系数、绝对误差等评价标准对不同气溶胶类型的适用性和特点进行评价。实验结果表明,以细粒子为主导的C4型气溶胶更满足京津冀地区夏秋两季的气溶胶特点,与AERONET地基数据的一致性较好,进一步证明了PSO聚类算法能够有效减小气溶胶类型的差异对AOD反演精度的影响。     

基于光学厚度光谱特征改进北京地区气溶胶积聚模态比例估计

积聚模态比例(AMF)是细模态气溶胶光学厚度占总光学厚度的比例,是估算直接辐射强迫和评估细颗粒物污染的重要参数。利用2011年北京地区AERONET网站提供的气溶胶光学厚度(AOD)和粒子体积谱分布等微观参数,计算极值修正后的细模态Angstrom指数(α_f)并进行气溶胶光学厚度光谱退卷积计算,改进AMF估算精度。AMF估算误差主要是由于α_f的误差估计偏小造成的。通过统计模拟的α_f极大值与极小值范围获取约束条件,建立极值修正方法。通过敏感性试验可知,极值修正可将α_f约束在合理范围内,且α_f和AMF对气溶胶归一化体积谱分布敏感,不同谱分布可使α_f从0.662变化到2.849,AMF从0.08变化到0.84。经过极值修正后,AMF的平均误差从0.072减小到0.044,减小了38.89%,尤其在冬夏两季,误差减小明显。AMF精度的提高可直接提高细模态及人为气溶胶光学厚度的估算精度,对人为气溶胶的直接辐射强迫估算、气候变化评估和环境质量评价有着重要意义。     

我国西北地区气溶胶垂直分布特征分析

气溶胶标高是反映气溶胶浓度和消光系数廓线垂直分布特性的一个重要物理量.使用微脉冲激光雷达测量了我国西北典型地区的气溶胶消光系数廓线;使用太阳光度计测量了大气的垂直光学厚度;对测量数据进行拟合,得到了气溶胶标高.结果表明,两种方法得到的气溶胶标高具有很好的线性相关性,相关系数大于0.87.对该地区的气溶胶标高进行了统计分析,得到气溶胶标高随时间、地域及气候条件的变化关系.该研究对了解西北地区的气溶胶变化特征和建立气溶胶模式具有一定的参考意义.     

晴朗无云天空光谱辐射的近似计算模型

 利用大气光学质量和大气气溶胶光学厚度的经验公式，由HITRAN数据库获得大气分子谱线参数，基于辐射传输方程，给出了晴朗无云天空光谱辐射的近似计算模型。根据该近似计算模型对晴朗无云天空光谱辐射亮度进行的计算结果表明：天空光谱辐射亮度曲线上存在明显的O₂和H₂O吸收线；晴朗无云天空辐射的光谱分布偏蓝，天空亮度主要集中在短波段部分；太阳角小的天空光谱亮度出现“红移”现象；由于大气厚度变大，近地平的天空辐射亮度较大。     

植物叶绿素荧光对CO2反演精度的影响

大气散射效应作为CO₂反演的主要误差源,严重影响了大气CO₂卫星测量的反演精度。氧气在大气中含量稳定,大气CO₂反演方法中常利用氧气的这一特性进行散射校正,其中典型的有光子概率密度函数(PPDF)方法。然而,O₂ A吸收带的光辐射中存在的植物叶绿素荧光会在不同程度上影响PPDF因子的反演,进而限制了CO₂反演精度。由于植被荧光信号较弱,在以往CO₂反演中没有引起足够重视。在调研全球植被荧光分布的基础上,模拟分析了荧光对大气CO₂柱含量(XCO₂)的影响。模拟计算无气溶胶条件下,以及气溶胶和地表反照率两者综合条件下荧光的影响,结果显示,当不考虑气溶胶的影响,荧光强度从0.1增加到1.8(mW·m-2·sr-1·nm-1),会给CO₂的反演结果造成0.1~2 (10-6)的偏差;考虑气溶胶与地表反射率的影响时,会给CO₂的反演结果造成(0.1~3)×10-6的偏差。此研究表明,对于具有高精度需求的CO₂反演,植物叶绿素荧光是一个不可忽略的影响因素。     

Research of NO2 vertical profiles with look-up table method based on MAX-DOAS

Obtaining the vertical distribution profile of trace gas is of great significance for studying the diffusion procedure of air pollution.In this article,a look-up table method based on multi-axis differential optical absorption spectroscopy(MAX-DOAS)technology is established for retrieving the tropospheric NO₂ vertical distribution profiles.This method retrieves the aerosol extinction profiles with minimum cost function.Then,the aerosol extinction profiles and the atmospheric radiation transfer model(RTM)are employed to establish the look-up table for retrieving the NO₂ vertical column densities(VCDs)and profiles.The measured NO₂ differential slant column densities(DSCDs)are compared with the NO₂ DSCDs simulated by the atmospheric RTM,and the NO₂ VCDs,the weight factor of NO₂ in the boundary layer,and the boundary layer height are obtained by the minimization process.The look-up table is established to retrieve NO₂ VCDs based on MAX-DOAS measurements in Huaibei area,and the results are compared with the data from Copernicus Atmospheric Monitoring Service(CAMS)model.It is found that there are nearly consistent and the correlation coefficient R2 is more than 0.86.The results show that this technology provides a more convenient and accurate retrieval method for the stereoscopic monitoring of atmospheric environment.     

采用加权函数修正的差分光学吸收光谱反演环境大气中的CO2垂直柱浓度

采用加权函数修正的差分光学吸收光谱技术(weighting function modified differential optical absorption spectroscopy, WFM-DOAS)测量环境大气中的CO₂垂直柱浓度. 以直射太阳光测量光谱为例, 演示了WFM-DOAS算法的实现过程. 将环境大气分为50层, 借助辐射传输模拟软件SCIATRAN对各个测量光谱进行了模拟计算, 获得了最小二乘法拟合所需的目标气体CO₂及干扰气体H₂O、CH₄ 的柱权重函数和太阳归一化光谱常量. 采用WFM-DOAS方法对一整天的直射太阳光测量光谱进行了反演, 得到的反演误差均小于3%. 最后比较了两种不同DOAS算法对同一条测量光谱的反演结果, 验证了WFM-DOAS算法在红外被动气体遥感的优越性. 关键词： 环境污染监测 光学测量技术 红外光谱 温室气体     

基于清洁水体像元法的环境-1A卫星CCD水体图像大气校正

环境卫星(HJ-1A/B)的CCD图像数据在内陆水环境遥感监测中具有很大的潜力,但它的大气校正的精度是影响其定量化应用的重要因素.文章以上海淀山湖地区HJ-1A卫星搭载的CCD1多光谱数据为应用实例,首先实现了瑞利散射的精确计算,在气溶胶散射的计算中,由于内陆湖泊Ⅱ类水体的光学特性,致使环境星CCD数据的近红外波段的离...     

基于多角度多光谱Stokes参数Q和U测量反演气溶胶偏振相函数

偏振相函数是气溶胶重要的光学参数之一,它对气溶胶复折射指数、粒子尺度和形状都十分敏感。多角度多光谱偏振遥感可以有效获取气溶胶偏振相函数信息。新一代CIMEL太阳-天空偏振辐射计CE318-DP作为高精度地基气溶胶偏振遥感仪器已被引入全球气溶胶自动观测网AERONET(AErosol RObotic NETwork),并作为扩展多波长偏振测量的太阳-天空辐射计观测网SONET(Sun/sky-radiometer Observation NETwork)的主要仪器,已在不同类型气溶胶观测站点积累了多年的偏振数据。但目前偏振反演仅能利用线偏振度或偏振辐亮度。与线偏振度和偏振辐亮度相比,Stokes参数Q和U不仅包含天空光线偏振强度信息还包含偏振方向信息。利用CE318-DP多光谱多角度测量的天空光Stokes参数Q和U反演气溶胶偏振相函数的方法。针对CE318-DP标准主平面偏振观测模式PPP(Polarized Principal Plane)下Stokes参数U对气溶胶特性变化不敏感、信息难以利用的不足,测试了新的平纬圈偏振扫描模式ALMP(ALMucantar Polarization)获取Stokes参数Q和U,并成功应用于偏振相函数的反演。系统分析了340～1 640 nm多光谱通道上典型生物质燃烧型气溶胶和水溶性气溶胶的-P₁₂/P₁₁反演结果并测试了反演方法在晴朗和灰霾不同大气条件下的适用性。无论在主平面还是平纬圈观测几何下,反演结果在可见光和近红外通道上均与真实值具有较好的一致性。进一步讨论了模型中基于气溶胶参数初始值和大气气溶胶参数真实值计算的“大气单次散射/大气散射”的比值近似相等的假设条件在短波通道不能很好地满足是造成紫外波段反演结果偏差较大的原因之一。后续有待进一步提高反演模型在短波通道的适用性,为利用不同光谱通道上-P₁₂/P₁₁的变化特征改进气溶胶微物理参数反演奠定了基础。     

The Role of Aerosols in Light Scattering in the Atmosphere

This paper addresses the important role of how aerosols play in light scattering in the earth’s atmosphere and how their characteristics can be retrieved. It is shown here, by referring to typical aerosol types, that more than a half of the atmospheric light is scattered by aerosols, and the aerosol optical properties can be estimated in terms of the scattering behavior. It is also confirmed that aerosol retrieval can be accurately determined by combining polarization and radiance data.Presented at the 7th International Workshop on Multiple Scattering Lidar/Light Experiments (MUSCLE7), July 21–23 1994, Chiba, Japan.     

卫星遥感中不同偏振量对气溶胶反演的影响分析

偏振探测是提高气溶胶卫星遥感能力的重要途径。作为目前全球重要的偏振数据源,我国高分五号卫星搭载的多角度偏振探测仪（DPC）能够测量不同的偏振量,包括Stokes矢量偏振分量、偏振辐亮度（L_ｐ）和线偏振度（DOLP）。各偏振量所包含的有效信息和测量误差不同,进而影响气溶胶参数的反演精度。针对此,在最优估计反演框架下,利用信号自由度（DFS）和后验误差定量化分析了各偏振量对气溶胶参数反演的影响,为后续DPC气溶胶算法开发提供参考。研究结果表明：Stokes矢量包含的信息量最高,其次是线偏振度和偏振辐亮度,相应的气溶胶总DFS分别为7.5,6.1和5.2;采用不包含偏振方向信息的L_P反演时,复折射指数虚部和粒子谱有效方差的信息量比采用Stokes矢量和DOLP反演时显著下降,表明这两个参数对偏振方向和测量误差敏感,增加偏振方向信息和降低测量误差能够有效提高这两个参数的可反演性;偏振方向的探测对提高气溶胶遥感能力有重要价值,采用L_P和DOLP反演时,气溶胶各参数的后验误差比采用Stokes矢量反演分别增加67.6%和65.5%,其中细模态体积柱浓度和粒子谱有效半径受到的影响最大;在全部气溶胶参数中,复折射指数实部后验误差最小,虚部的反演不确定性最大。总体来说,细模态气溶胶的三个参数（体积柱浓度、复折射指数实部和粒子谱分布有效半径）在三种偏振量反演情况下平均DFS均大于0.85,能够较好的通过DPC观测反演得到,而粗模态气溶胶反演与气溶胶类型有关,参数反演不确定性较大。     

星载近红外高光谱CO2遥感进展

在应用需求的拉动和高光谱技术发展的驱动下,利用被动式星载近红外高分辨率光谱仪探测大气CO₂分子柱含量已成为一个相当活跃的研究领域。本文介绍了卫星遥感CO₂在科学和社会发展方面的基本需求,分析了被动遥感CO₂的优势和不足;对国际上最新的以美国OCO-2(2014年7月发射)和日本GOSAT(2009年1月发射)为代表的专项CO₂遥感任务进行了综述,包括仪器指标、观测模式和定标模式等方面;着重对OCO-2定标精度需求和多种在轨定标方式进行了阐述;从应用和数据处理角度,简要比较了光栅和傅里叶干涉探测技术探测CO₂的主要特点;最后对定量反演原理进行了概述,并对这一领域的未来发展进行了展望。     

基于三光谱带的大气散射效应校正方法

大气散射效应作为CO₂反演的主要误差源,严重影响了全球大气CO₂卫星产品的应用研究。气溶胶作用以及气溶胶与地表综合作用是大气散射的重要来源。基于O₂-A,CO₂ 1.6和2.06 μm三个光谱带中的强、弱吸收峰和连续谱,从大气气溶胶光学厚度和地表反照率的角度,分析三光谱带具有的相关信息,提出改进的全物理反演方法,对相关性很强的气溶胶光学厚度和地表反照率这两个散射相关参数进行同步反演,实现大气CO₂反演中的散射效应校正。模拟计算气溶胶影响、气溶胶和地表反照率两者综合影响导致的CO₂反演误差,并进行校正,极端情况下导致的8% CO₂反演误差可校正到1% 内,气溶胶类型差异导致最高达10%的散射影响可校正到2%内,显示了方法的有效性,同时通过对校正效果的评估,表明该方法应用于卫星数据高精度反演的潜力,也指出了实际应用时需要关注的问题。     

水汽探测拉曼激光雷达的新型光谱分光系统设计与分析

提出并设计了一套新型的大气水汽和气溶胶探测用紫外域拉曼激光雷达系统, 以二向色镜和超窄带滤光片构成高效率拉曼光谱分光系统, 实现激光雷达大气回波信号中米-瑞利散射信号、 氮气和水汽的振动拉曼散射信号的精细分离和高效率提取. 利用美国标准大气的分子散射模型和实测的大气米散射信号模型, 对分光系统的米-瑞利散射信号的抑制率、大气水汽测量的信噪比和误差进行数值仿真设计. 搭建实验系统对西安地区夜间的大气水汽进行实验观测, 并利用有云天气下实测的激光雷达回波信号, 反演获得大气后向散射比和水汽混合比的相关特性, 验证了该拉曼光谱分光系统对米-瑞利信号的抑制率达到10^-7以上量级. 理论和实验结果表明, 设计的新型拉曼光谱分光系统可以在大气后向散射比为17时, 实现水汽探测误差小于15%, 满足拉曼激光雷达系统对大气水汽的高效率探测. 关键词： 拉曼激光雷达 水汽混合比 大气后向散射比