利用CALIPSO卫星数据对大气气溶胶的去偏振度特性分析研究

应用CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation)卫星数据,对大气中的气溶胶等目标进行了去偏振度计算及分析.结果表明,目标后向散射去偏振度信息,能够很好表征大气气溶胶的构成种类、目标特征、垂直高度分布等特性.气溶胶的去偏振特性,为大气气溶胶的特性与分布情况等研究提供了新的方法与定量化参考参数.CALIPSO数据研究方法和结果,对全球气候变化原因、大气污染、沙尘暴等研究有重要的参考价值.     

激光雷达探测北京城区夏季大气边界层

为了研究北京城区夏季大气边界层结构变化特征及大气边界层内气溶胶消光特性,2004年8月利用便携式米散射激光雷达对北京城区夏季大气边界层进行了系统观测。反演了观测站上空大气气溶胶的消光特性垂直分布以及大气边界层的高度。分析了气象条件和人类活动对大气边界层结构的影响。观测数据表明： 北京城区夏季大气边界层有明显的日变化特征,早晚比较低,日间有一个从低变高再变低的过程,中午前后达到最高。结合气象参数对测量数据进行的统计分析表明：北京城区夏季大气边界层高度相对稳定,多分布在1.8km以下,平均值为0.68km;大气边界层内存在浓度较高的气溶胶粒子,平均光学厚度（3km以内）在0.30左右。     

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.     

成都地区中低云层的激光雷达探测

报道了应用Mie散射激光雷达探测云层的实验.利用改进的Klett反演算法对所测雷达回波信号反演获得大气消光系数分布,进一步求出云层高度、厚度及光学厚度.研究了云底高度和云层厚度在不同天气下的变化情况.获得了成都地区云层的一些重要信息,并对所得结果进行了分析讨论.     

对流层高度大气温度、湿度和气溶胶的拉曼激光雷达系统EI北大核心CSCD

为了实现大气温度、水汽(相对湿度)和气溶胶的实时同步探测研究,成功研制了一台日常观测的多参数探测拉曼激光雷达,采用高性能二向色镜和窄带干涉滤光片组成高光谱分辨率高效率拉曼分光系统,实现独立5通道大气回波信号的高精细分光和高效率提取,并研发了多参数同步反演算法,获得了大气水汽密度、温度和气溶胶消光系数廓线,结合水汽密度和温度得到了同时刻大气相对湿度的垂直变化特性。利用该系统在晴天和有云条件下对西安局地进行初步实验观测,获得温湿度及气溶胶廓线以及云层内水汽与逆温层的高度关系。实验结果表明,在探测时间15 min和激光能量150 m J的条件下,系统在晴天条件可实现高度16 km以下大气温度和湿度的同步探测,在有云条件下系统可实现大气底层和云层顶逆温层的精确探测,并可获得高层云层内和水汽层内大气水汽密度和相对湿度的同步增长趋势。实验数据与当地探空数据的多次随机比对在大气温度、湿度廓线上取得了较好的一致性,充分验证了该拉曼激光雷达实现对流层高度大气多参数同步探测的有效性和系统的可靠性。使用该系统可有效开展区域性大气的观测研究,为大气气候变化以及雾霾生消过程的研究提供可靠的实时探测数据。     

光子偏振度受大气散射影响的分析

采用矩阵形式描述光子的偏振态和大气散射理论, 分析了“BB84协议”中四个不同偏振光子经单次散射后光子的偏振度与前向散射角的关系。发现单次散射不改变偏振光子的总偏振度, 但改变偏振光子的线偏振度与圆偏振度, 尤其对垂直偏振光子的线偏振度与圆偏振度改变明显; 当前向散射角小于0.25 rad时, 四个不同偏振光子的线偏振度基本保持不变, 量子信息仍然保持; 同时分析了大气散射对不同波长的垂直偏振光子线偏振度的影响, 发现长波光子偏振度保持度高。     

对流层高度大气温度、湿度和气溶胶的拉曼激光雷达系统

为了实现大气温度、水汽(相对湿度)和气溶胶的实时同步探测研究,成功研制了一台日常观测的多参数探测拉曼激光雷达,采用高性能二向色镜和窄带干涉滤光片组成高光谱分辨率高效率拉曼分光系统,实现独立5通道大气回波信号的高精细分光和高效率提取,并研发了多参数同步反演算法,获得了大气水汽密度、温度和气溶胶消光系数廓线,结合水汽密度和温度得到了同时刻大气相对湿度的垂直变化特性。利用该系统在晴天和有云条件下对西安局地进行初步实验观测,获得温湿度及气溶胶廓线以及云层内水汽与逆温层的高度关系。实验结果表明,在探测时间15 min和激光能量150 m J的条件下,系统在晴天条件可实现高度16 km以下大气温度和湿度的同步探测,在有云条件下系统可实现大气底层和云层顶逆温层的精确探测,并可获得高层云层内和水汽层内大气水汽密度和相对湿度的同步增长趋势。实验数据与当地探空数据的多次随机比对在大气温度、湿度廓线上取得了较好的一致性,充分验证了该拉曼激光雷达实现对流层高度大气多参数同步探测的有效性和系统的可靠性。使用该系统可有效开展区域性大气的观测研究,为大气气候变化以及雾霾生消过程的研究提供可靠的实时探测数据。     

激光雷达探测绝热水云退偏振特性模拟研究

本文模拟了偏振激光雷达探测绝热水云微物理特性时由多次散射引起的退偏振问题,绝热水云的数密度在垂直方向上为定值,液态水含量和云滴有效半径随高度非线性增长,其变化规律由云层的大气压、温度以及绝热水云形成的热力学过程共同决定。激光雷达波长取0.355!m,分别计算了云底高度为1km和2km的绝热水云退偏振比随穿透深度的变化,计算结果表明,绝热水云的退偏振比随穿透深度的增加而增大,随观测视场角的增大而增大,且其变化规律与均匀各向同性云层差距很大。另外,云层高度为2km的云层有效半径比云底高度为1km的更小,在同样数密度和观测条件下,退偏振比也更小。     

基于大气中性点的地-气分离方法空基验证探究

偏振遥感是遥感领域的一个新兴对地观测手段,地物反射的偏振效应是偏振遥感进行观测的基础。然而,地物反射具有偏振效应,大气粒子的反射与散射也具有偏振效应,并且大气的偏振效应往往大大强于地物偏振效应。当用偏振遥感器对地表目标进行观测时,大气的强偏振效应会干扰甚至覆盖地物的偏振信息。因此,如何最大限度地消除大气的偏振效应对地物偏振效应的影响是偏振遥感的一个关键性问题。大气中性点是大气中偏振度趋近为零的区域。利用大气中性点进行地-气分离理论的核心思想是将探测器放置于中性点区域进行对地观测,以减弱大气偏振对地物偏振的影响。基于国内首次大气中性点偏振遥感航空飞行实验,通过处理和分析实验所得影像数据,分别得到了中性点位置和非中性点位置影像偏振度分布,发现中性点位置偏振度集中分布区域要明显小于非中性点位置,验证了利用大气中性点进行地-气分离理论的合理性和可行性,提出了利用中性点进行偏振遥感实验所需要的条件,并初步分析出,波长较长的波段更适合于偏振遥感观测。     

MAX-DOAS仪器观测大气Ring效应及对气溶胶参数的敏感性研究

Ring效应是指大气中O₂和N₂分子对太阳光的转动拉曼散射致使太阳夫琅禾费结构变浅(被填充)的现象。大气气溶胶能够改变光子在大气中的光程和大气散射性质,进而影响到光子发生转动拉曼散射的几率(RSP),最终影响填充效应。通过观测RSP在不同气溶胶状态下的变化,可以反演得到气溶胶参量信息。采用地基多轴差分吸收光谱(multi-axis differential optical absorption spectroscopy, MAX-DOAS)方法在晴朗无云天气下对Ring效应进行了观测,并把测量值和模型值进行了对比,两者一致性较好;选取大气辐射传输模型McArtim研究了在不同大气条件下Ring效应对气溶胶参数等的灵敏度,结果表明在大多数测量情况下,气溶胶光学厚度和边界层高度对RSP影响较大,在90°仰角时,AOD从0.1增加到1,RSP减少了24.6%,边界层高度从1 km增加到3 km,RSP增加了4.4%。研究表明,Ring效应对气溶胶光学厚度和边界层高度较为敏感,这为反演气溶胶的垂直分布提供了一种新方法。     

CALIPSO validation using ground-based lidar in Hefei (31.9°N, 117.2°E), China

Validation measurement in collaboration with existing lidar sites is a very important part of CALIPSO validation program, lidar site in Hefei is invited to collaborate in the CALIPSO validation program. In this paper, ground-based lidar measurements in Hefei performed in coincidence with CALIPSO overpass are presented, attenuated backscatter profiles at 532 nm and 1064 nm, as well as volume depolarization ratio profile at 532 nm measured by CALIPSO are compared with the ones measured by ground-based lidar. The comparisons indicate that CALIPSO measurements are consistent with the ground-based lidar measurements. However, due to the fact that horizontal distributions of aerosols in the lower troposphere and clouds are in most cases inhomogeneous, there are some differences between two lidar measurements in the boundary layer and clouds. The aerosol layer below the semi-transparent thick cloud can be detected by the 532 nm channel of CALIPSO in daytime.     

Retrieval of water cloud characteristic from active sensor data using the analytical solution of radiative transfer equation

An analytical forward model and numerical algorithm for retrieving the parameters of water cloud of earth atmosphere from optical measurements carried out by satellite-based lidars is presented. The forward model, based on the analytical solution of the radiative transfer equation, is used to fit the temporal profile of the laser light pulses backscattered from the cloud layers. The cloud parameters extracted from the analysis at each position on earth include the transport mean free path, the average radius of water drops, the density of drops, the scattering length, the scattering cross section, the anisotropy factor, and the altitude of top level of major clouds. Also estimated is the possible thickness of cloud layers. The efficacy of the approach is demonstrated by generating parameters of water cloud using the data collected by NASA's cloud-aerosol lidar and infrared pathfinder satellite observations (CALIPSO) satellite when it passed through North America on August 7, 2007.     

New dust aerosol identification method for spaceborne lidar measurements

Classification is a critical step in the backscatter lidar data processing to accurately retrieve extinction and backscatter profiles of atmospheric aerosols and clouds. Different schemes, such as the probability distribution functions (PDFs) method, have been used in the cloud and aerosol classification. In this paper, we attempt to use the support vector machine (SVM) to discriminate aerosols from clouds, with a focus on dust aerosol classification in China. To demonstrate the feasibility of the SVM classifier, we chose dust storms that occurred in the Gobi and Taklimakan deserts and observed by the CALIPSO lidar in spring time 2007. The results show that the SVM can correctly identify the dust storms.     

基于星载激光雷达数据的海面风速探测

使用新版(Version 3.01)星载激光雷达CALIPSO Level 1剖面数据和Level 2的大气气溶胶光学厚度(AOD)数据反演全球海面风速。将AOD数据用于大气双程透射率的校正。对CALIPSO所采集的2007年1月、4月、7月和10月532nm波长无云激光测量数据进行应用计算,采用532nm退偏比经验修正海面白帽及水下次表层水体散射的影响,同时选用准同步的AMSR-E海面风速测量值为真值进行对比。对应2007年的4个月,由CALIPSO星载激光雷达532nm单脉冲测量数据反演海面风速的标准偏差分别为1.24、1.24、1.24、1.20m/s,由5km滚动平均数据反演海面风速的标准偏差分别为0.98、1.02、0.98、0.94m/s。结果表明,采用的数据反演方法可行且数据利用率得到提高。     

Dual-Site Lidar Observations and Satellite Data Analysis for Regional Cloud Characterization

Lidar data observed by two continuously operated portable automated lidar (PAL) systems and images from the visible and thermal infrared channels of the advanced very high resolution radiometer (AVHRR) sensor on board the noaa16 satellite are employed for the characterization of cloud heights and cloud types. The PAL systems are located in Chiba and Ichihara city areas, separated by approximately 10 km. Measurements from October 2003 to March 2005 reveal that monthly averages of cloud base height and cloud cover ratio show good agreement between the two sites. The characteristics of the vertical (Chiba) and slant (Ichihara) measurements are also discussed. The PAL data are used to adjust threshold values of a cloud-type classification method in split-window data of noaa16-AVHRR. Comparisons between the lidar signals and the cloud classification results from the concurrent AVHRR images show that the classification method can reasonably be applied to this mid-latitude case, although the split-window technique was originally developed for tropical clouds.     

激光雷达数据应用于海气界面气体传输速率的估算

选取2007年1、4、7、10月4个月夜间无云的云-气溶胶激光雷达和红外探测者观测卫星(CALIPSO)星载激光雷达Version 3.01数据,提取532nm激光海面后向散射系数并计算海面波浪均方斜率。同时选用准同步AMSR-E海面风速数据,利用Wanninkhof等于2009年提出的包含线性、平方、立方项的海面风速与气体传输速率混合关系模型计算海水施密特数为660时的海气界面气体传输速率k660。通过回归分析,得到由星载激光雷达数据反演k660的关系模型。将激光雷达数据反演结果与采用4种典型海面风速关系模型的计算结果进行比较,给出由星载激光雷达数据反演的4个月平均的海气界面气体传输速率全球分布图和纬度分布图。研究表明,CALIPSO星载激光雷达532nm单脉冲测量数据可用于反演海气界面气体传输速率。     

应用单波段亮度变化率获取无云干扰的卫星数据

在卫星遥感检测中,云对数据的反演带来了严重的干扰。精确地确定云区及减弱云的干扰是具有挑战性的问题。根据云的大气辐射特性给出了卫星图像亮度变化率计算公式、图像反射率的变化率计算公式和热红外波段图像亮度温度变化率的计算方法。利用单波段亮度变化率检测卫星数据中云干扰相对强度的新方法,快速、精确地获取云区位置,得到云区以外无云干扰的数据。根据各光谱波段具有不同的透射云层能力的特点,文章还给出了卫星各红外波段对云层透射能力的客观评价以及影响透射效果的因素。在此基础上利用红外波段对伪卷云透射图像数据完成了多波段数据融合。很好地恢复了可见光波段云区下面的真实数据。统计数据表明,融合后的云区图像数据与可见光波段相关性保持一致。     

Identification of cloud phase from PICASSO-CENA lidar depolarization: a multiple scattering sensitivity study

A fast Monte Carlo simulation scheme is developed to assess the impact of multiple scattering on space-based lidar backscattering depolarization measurements. The specific application of our methodology is to determine cloud thermodynamic phase from satellite-based lidar depolarization measurements. Model results indicate that multiple scattering significantly depolarizes backscatter return from water clouds. Multiple scattering depolarization is less significant for non-spherical particles. There are sharp contrasts in the depolarization profile between a layer of spherical particles and a layer of non-spherical particles. Although it is not as obvious as ground-based lidar observations, it is likely that we can identify cloud phase not only for a uniform cloud layer, but also for overlapping cloud layers where one layer contains ice and the other water droplets.     

云和气溶胶探测星载激光雷达及其应用

介绍了在轨飞行的云和气溶胶探测星载激光雷达系统的原理和结构,该激光雷达能够探测全球范围内30km以下的云和气溶胶的消光系数和退偏比。利用CAUPSO实测数据,对发生在华北的一次沙尘天气进行分析,得到了河北省内沙尘消光系数和退偏比分布。结果表明,由沙尘气溶胶导致的消光系数最大可以达到0．22／kin;该次沙尘具有典型的层状结构,最可几层数为2,沙尘层的最大退偏比可以达到0．23。