多轴差分吸收光谱技术反演气溶胶消光系数垂直廓线

研究了多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)的气溶胶消光系数垂直廓线反演算法. 该算法应用非线性最优估算法, 通过MAX-DOAS测量的氧的二聚体(O₄), 反演气溶胶消光系数垂直廓线和光学厚度(AOD). 首先研究了非线性最优估算法中权重函数、先验廓线协方差矩阵、测量不确定度协方差矩阵的计算方法, 针对中国气溶胶浓度较高且变化剧烈的特征, 设计了非线性迭代方案. 然后在低气溶胶、高气溶胶和抬高型气溶胶三种状态下, 通过计算机仿真模拟验证了MAX-DOAS气溶胶消光系数垂直分布反演算法, 讨论了误差来源. 之后在合肥地区开展了连续观测实验, 并将反演的AOD与CE318太阳光度计对比, 两者的相关性系数达到了0.94. AOD反演的相对误差约为20%. 又将反演的最低层(0–0.3 km)气溶胶消光系数与能见度仪对比, 两者的相关性系数为0.65. 近地面气溶胶消光系数反演的总相对误差约为10%. 模拟验证和对比实验均说明本文研究的气溶胶消光系数垂直廓线反演算法可以较好地获取对流层的气溶胶状态. 关键词： 多轴差分吸收光谱 气溶胶消光系数垂直廓线 气溶胶光学厚度 最优估算法     

利用MODIS数据同时反演中国近海海域气溶胶光学厚度和Junge谱指数

基于中分辨率成像光谱辐射仪第15和16两个近红外通道的反射率数据和空间几何角度参量,利用Junge谱近似实际大气气溶胶模型,采用一种物理迭代法,同时反演了中国近海海洋上空气溶胶光学厚度和Junge谱指数,并对反演方法进行了验证.结果表明:在所研究的海域上空,大部分气溶胶的光学厚度处于0.02~0.17间,Junge谱指数的范围集中在2.8~3.8间,且都有从海岸到远海递减的趋势,得到了合理的气溶胶Junge谱指数与气溶胶光学厚度的空间分布.将反演结果与中分辨率成像光谱辐射仪产品和气溶胶观测网数据作对比,发现反演结果更加逼近气溶胶观测网数据的观测值,具有更高的反演准确度,在该区域具有较好的适用性,以及一定的可行性与可靠性.     

基于MISR数据反演渤海湾气溶胶光学厚度

利用Terra卫星的MISR传感器数据进行渤海湾上空气溶胶反演的初步研究。采用分区暗像元的方法进行反演,传统暗像元大气校正算法认为研究区域上空的气溶胶光学厚度呈均匀分布状态。针对传统暗像元算法的不合理性, 将渤海湾划分为7个子区域, 每个子区域利用传统暗像元算法估算其气溶胶光学厚度, 然后结合空间插值算法获取整个渤海湾的气溶胶光学厚度信息。研究结果表明: 渤海湾上空的气溶胶光学厚度呈沿海岸线高,近海区低的阶梯分布模式,与传统暗像元算法相比, 分区暗像元算法综合考虑了水体上空气溶胶光学厚度空间分布的不均匀性, 有利于改善大气校正的精度。     

气溶胶对大气CO_2短波红外遥感探测影响的模拟分析

气溶胶引起的光学路径长度改变是影响高分辨率近红外光谱反演大气CO_2浓度的重要误差源.本文利用高精度大气辐射传输模式模拟中国碳卫星观测,结合CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星的气溶胶廓线产品研究了不同特性的气溶胶对卫星观测光谱的影响.模拟结果显示:气溶胶散射引起的光学路径长度改变与气溶胶类型、模态以及垂直分布密切相关;城市型和海洋型气溶胶对观测光谱影响很大;多层分布的积聚模态大陆型和海洋型气溶胶在光学厚度小于0.3时,会引起5%以内的负辐射变化,随光学厚度不断增加会引起正的辐射变化;主要以粗粒子模态存在的气溶胶在不同的垂直分布情况下均会引起辐射的负变化,从而造成CO_2浓度的高估;另外,随气溶胶分布高度变高,负的辐射变化程度会逐渐减小.     

差分吸收光谱技术监测气溶胶光学厚度及大气能见度的研究

介绍了一种基于闪烁氙灯光源、利用差分光谱吸收(DOAS)技术监测大气气溶胶的新方法。提出用大气能见度确定系统校正参量的可行做法,解决了差分光谱吸收探测气溶胶领域原始光强难以测量的难题。并对350~650 nm范围内的气溶胶光学厚度进行反演,通过与多道太阳光度计的对比证实方法的可行性,实验中发现气溶胶光学厚度与悬浮颗粒物(SPM)浓度具有很好的相关性。同时,利用气溶胶550 nm处的消光系数确定大气能见度。     

MAX-DOAS仪器观测O4吸收对气溶胶参量的敏感性研究

研究了基于地基差分吸收光谱技术观测的O4吸收反演气溶胶光学参量的敏感性.利用大气辐射传输模型McArtim分析了不同波长、不同气溶胶光学参量(光学厚度、边界层高度、单次散射反照率、非对称因子)对O4吸收(大气质量因子)的影响.结果表明,大气质量因子对中心波长变化不敏感,气溶胶光学厚度和边界层高度对O4吸收具有重要影响,气溶胶光学厚度从0.1增加到1时,3°仰角测量的大气质量因子减少了28%,边界层高度从0.1 km增加到1 km,3°仰角测量的大气质量因子增加了9.2%.平纬圈观测模式下O4吸收对单次散射反照率和非对称因子具有较好的灵敏度,提供了一种基于地基MAX-DOAS观测O4吸收反演气溶胶光学参量的新方法.     

基于动态雷达比的气溶胶消光系数及光学厚度反演

激光雷达以其高垂直空间分辨率和高时间分辨率的优势在大气气溶胶监测中具有重要作用。在利用Fernald法反演气溶胶消光系数和光学厚度的过程中,雷达比是反演结果的主要误差源。在目前的应用中雷达比普遍都是取固定值,这就必然给雷达反演带来误差。通过对污染物以及气象数据与雷达比的逐步回归分析,建立了雷达比估算模型,从而实现雷达比的动态估算。研究表明:雷达比的变化与空气中PM2.5质量浓度、相对湿度、SO2和NO2质量浓度等具有明显相关性。相比于固定值,利用动态雷达比反演的气溶胶消光系数和光学厚度精度明显提高。     

台风对沿海地区气溶胶光学特性的影响分析

利用CE317太阳辐射计对2005年第19号台风登陆前后期问(9月29 H至10月6日)进行观测实验,采用Langley法分析台风对中国大陆沿海地区气溶胶光学特性的影响.指出台风过后气溶胶光学特性明显发生改变,气溶胶大粒子数增多,小粒子数减小.气溶胶光学厚度、Angstr(o)m波长指数α和大气混浊度系数β为测量期间最低分别为0.132(550 nm处),0.861和0.079.同时利用实验期间APS3321空气动力学粒度仪分析的气溶胶单位体积数粗细质粒所占比重、气溶胶粒子尺度谱分布和实测的日际气溶胶粒子数浓度对实验分析结果.α,β进行对比,发现它们之间的一致性很好.     

基于深度学习反演区域气溶胶光学厚度

为了解决现有陆地气溶胶光学厚度(AOD)反演算法精度和空间分辨率较低的问题,基于深度学习的思想,使用深度置信神经网络(DBN),实现了具有30 m空间分辨率的陆地气溶胶光学厚度反演.算法的训练样本包括全球长时间序列的AERONET站点数据以及在时空上与之对应的Landsat8 OLI的观测几何数据和表观反射率数据.为了...     

差分吸收光谱技术监测大气气溶胶粒谱分布

介绍了利用双光路差分吸收光谱(DOAS)技术监测大气气溶胶并反演其粒谱分布的新方法.该方法解决了DOAS技术中光源绝对光强难以测量的难题，去除了由于光源自身波动造成的影响，在250—650nm范围内成功的反演出气溶胶的消光系数以及0.1—1.75μm谱段的粒谱分布.通过与光学粒子计数器的对比实验证实该方法的可行性. 关键词： 差分吸收光谱 双光路 气溶胶 粒谱分布     

LIDAR investigation of properties of atmospheric aerosol

In the paper application of lidars for investigation of aerosol particle size distribution and for observation of aerosol consisting of solid state particles is presented. For size distribution the multiwavelength lidar and original method of data analysis was applied. For registration of dust transported to Central Europe from Sahara and Middle East deserts analysis of depolarization of the backscattered signals was used. In order to solve the lidar equation measurements of total atmospheric optical depth by means of Microtops sun photometer was done. Mean size and the aspect ratio of dust particles were determined by comparing of lidar observations with data from T-matrix calculations.     

利用太阳光度计CE318反演气溶胶光学厚度改进算法的研究

针对影响太阳分光光度计精度的各种因素误差分析,分别在太阳天顶角,大气光学质量,Rayleigh光学厚度,臭氧总量等方面做了方法上的改进,以提高气溶胶光学厚度的反演精度。利用一般的文献上的处理方法做为比较,先考虑各种影响因素单独影响,再综合考虑各因素的影响结果,提出了太阳分光光度计处理的高精度算法,并应用于太湖等实际测量的反演中。实验处理表明本文改进算法对提高气溶胶光学厚度反演的精度有着良好的效果。将为仪器的使用,数据的处理提供有益的参考。     

利用DDA方法计算大气气溶胶粒子光学特性

大气气溶胶是大气的重要组成部分,其光学特性是研究大气辐射传输特性的重要参量。本文基于DDA方法,对不同形状气溶胶粒子的光学特性进行计算,得到气溶胶粒子的消光因子、吸收因子随波长变化的数值结果。结合Muller散射矩阵,给出了气溶胶粒子散射强度和极化度的角分布,为研究大气辐射传输提供了有效的方法。     

气溶胶凝聚粒子散射特性的数值计算

利用Cluster-cluster aggregation (CCA)模型,模拟了由相同数目球形原始微粒凝聚而成的四种随机取向气溶胶凝聚粒子．根据物质的电结构,将气溶胶凝聚粒子离散为一系列偶极子,结合离散偶极子近似方法,在获得每一个偶极子的电偶极矩之后,数值计算了气溶胶凝聚粒子散射强度的角分布,并分析了散射强度随入射光入射角度和气溶胶凝聚粒子尺寸参数变化的规律．结果显示：当散射角较小时,气溶胶凝聚粒子取向和入射光的入射角度对散射强度影响不大,当散射角增大时,散射强度则明显依赖于气溶胶凝聚粒子取向和入射光的入射角度;对于不同尺寸参数的气溶胶凝聚粒子,在同一角度入射情况下,随尺寸参数的增加,气溶胶凝聚粒子的散射主要集中于前向散射．     

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。     

从MODIS数据反演粗细粒子气溶胶

陆地气溶胶一般由粗粒子和细粒子气溶胶组成,二者的光学特性并不相似,如何利用卫星观测数据获取粗粒子和细粒子气溶胶是反演中所面临的重要问题.基于AERONET/PHOTONS北京站地面观测数据,本文分析得到了北京地区的气溶胶模式(包括气溶胶复折射指数和谱分布函数),结果表明北京地区的气溶胶呈明显的粗细粒子混合的双峰分布,粗...     

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。     

典型类型气溶胶吸收光学厚度的定标规律

利用云和气溶胶粒子的光学特性软件包(OPAC)对陆地型、海洋型、沙漠型和极地型四种典型类型气溶胶的吸收光学厚度进行了计算统计分析,根据每一种类型气溶胶成分的差异,分析了气溶胶吸收光学厚度随波长及相对湿度变化的规律,建立了四种典型类型气溶胶吸收光学厚度与波长、相对湿度的定标关系。气溶胶吸收光学厚度随波长的幂指数衰减规律并不是在所有波长范围内均满足,不同类型的气溶胶,其适用的范围不同;气溶胶吸收光学厚度随波长和相对湿度的变化主要受气溶胶成分影响,相对湿度的增大会导致气溶胶吸收特性的降低,并会对吸收Angstrom指数造成影响。根据建立的气溶胶吸收光学厚度的定标关系,可由气溶胶激光雷达等设备实测的某一波长的光学参量计算光电系统对应波长、不同相对湿度情况下的光学特性。