气溶胶光学特性的反演方法研究
气溶胶光学特性的反演方法研究
韩 冰,高 飞,李铜基
(国家海洋技术中心,天津 300111)
摘 要:气溶胶是大气重要组成部分,其对地球的辐射收支平衡以及气候变化均有非常重要的贡献。文中根据非
线性辐射传输理论,研究了从自动观测太阳光度计(CE318)多角度的天空扫描数据获取气溶胶粒子谱分布、散射
相函数等光学特性的反演方法,并对2000年10月27日、30日南海试验的观测数据进行了分析,取得了较好效果。
关键词:气溶胶;粒子谱分布;散射相函数;辐射传输
中图分类号:TP722.4 文献标识码:B 文章编号:1003-2029(2006)03-0055-06
1 引言
气溶胶的严格含意是指悬浮在气体中的固体和(或)液
体微粒与气体载体共同组成的多相体系[1]。相应地,大气气
溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的
多相体系。大气气溶胶粒子的直径多在10-3～102Lm之间,
包括可溶性的(如海盐粒子)和不可溶性的(如化石燃料的
氧化物)粒子。依其形成机制则可分为自然因子与人为因
子,前者主要是经由地表的自然风化过程和海洋表面的碎
浪过程而进入大气,后者则是来自人类工业文明所产生微
小污染物[2]。气溶胶对地球的辐射收支平衡继而气候变化
均有非常重要的贡献,但是目前人们对气溶胶的了解非常
欠缺。气溶胶的辐射贡献包括两部分:一是直接辐射贡献,
即气溶胶对太阳辐射进行吸收、散射等引起的;二是通过改
变云的微观物理特性而产生的间接影响。
首先,气溶胶对气候的影响方面,McCormick和Lud-
wig认为[3],气溶胶会增加太阳辐射的反照率,进而导致地
球的长期性冷却效果,而Charlson和Pilat[4]也曾提出气溶
胶对大气系统能量收支的影响,即气溶胶透过吸收、散射和
放射过程直接影响地球能量的收支。其次,在卫星数据校正
方面,气溶胶对卫星信号的贡献是很难准确估算的部分,因
而通过研究气溶胶的光学特性必然会提高估算的准确性。
利用地面的光谱辐射计对大气进行观测,是目前广泛
使用的研究大气特性的方法之一。其中自动太阳光度计是
一种不受天气限制、自动跟踪并存储数据的辐射计,在世界
范围内得到认可并大量使用,例如AERONET气溶胶观测
网[5]采用的就是这种仪器。CE318具有天空辐亮度扫描的
收稿日期:2006-01-20功能,利用其测量数据可反演气溶胶粒子谱分布、散射相函
数等信息。本文以2000年10月27日、30日海南三亚的观
测数据为例,利用CE318多角度的天空扫描数据,采用非线
性数值方法对气溶胶光学特性反演方法进行了研究。
2 太阳光度计测量原理
CE318是法国CIMEL公司生产的一种自动跟踪扫描
太阳辐射计,该仪器在可见近红外设有8个观测通道,它不
仅能自动跟踪太阳作太阳直射辐射测量,而且可以进行太
阳等高度角天空扫描、太阳主平面扫描和极化通道天空扫
描。CE318能自动存储和传输测量数据,实现自动测量采集
和远程数据传输。CE318天空扫描主要有两种模式:平维圈
扫描和主平面扫描。平维圈扫描是指观测时保持仪器的天
顶角与太阳天顶角相同,而仪器与太阳的相对方位角逐渐
变化;主平面扫描是指观测时仪器与太阳之间的相对方位
角不变,而仪器的天顶角变化[5]。
CIMEL318辐射计测量太阳直射辐射F和漫射辐射
E:
F=F0exp(-mS)(1)
E(H0,<)≡E(()=mXSP(()F$8+q(()(2)
式中:F0是大气层外的辐射通量;S是总的大气光学厚度;
m是大气光学质量;H0是太阳天顶角;
是散射角;X是整个大气层内单次反照率;P(()是总的相
函数(包括瑞利散射和气溶胶散射两部分);$8是观测辐射
计的立体观测角;q(()表示多次散射的贡献[6]。
为了减少仪器带来的系统误差,我们将观测数据用太
阳直射辐射进行标准化,即:
E(()≡mXSP(()F$8+q(()Fm$8=XSP(()+r(()(3) 通过多角度的天空扫描,我们可以通过非线性数值方第25卷 第3期2006年9月 海 洋 技 术OCEANTECHNOLOGY Vol.25,No.3Sept,2006法来对气溶胶光学特性进行反演,得到的参数包括气溶胶
粒子体积谱分布dv/dlnr、气溶胶散射相函数Pa(()等。
3 气溶胶光学特性反演的原理
3.1 辐射传输理论
我们在研究大气时,一般作如下假设:大气是层结的,
即在每一层内水平方向性质相同,各物理特性仅与高度有
关。在这些假设下,太阳辐射传输方程[2]为:
LdI(S,8)dS=I(I,8)-X4P∫4PI(S,8′)P(8,8′)d8′-X4P
F0P(8,80)e-S/L0(4)
式中:I(S,8)是光程(opticaldepth);S处沿8方向的
漫射辐射强度;X是单次散射反照率;L=cosH是卫星天顶
角H0的余弦;L0=cosH0是太阳天顶角H0的余弦;8是我们
所考虑的方向,可以用天顶角的余弦L和方位角
(8,8′)是散射相函数;8′是入射辐射的方向;d8′是立体
角元;F0是大气层顶的太阳通量密度。
T.Nakajima等提出一种截断法[7],引入截断因子f,并
用Gaussian-Legendre分解得到:
P=f∑N
n=1Cnexp(-(2/En)+(1-f)∑2M-1
n=02n+14PV*nPn
(5)
当N=M=5时,
I=I(0)+I(1)cos5=∑∞
n=11+1-L20L07Sd
n+1-1cos5×
(PX0Sd)nPexp(-Sd)∑n
m=0∑m
l=0∑l
k=0∑k
j=0Cnmlkjexp(-72/Vnmlkj)/Vnmlkj
(6)
式中:M是指大气层中的光束的数目;Pn是n阶Legendre
多项式;V*n是P*的L
egendre展开式的系数;V*n与Vn的关
系是通过delta-M方法来建立的。
(6)
式中的变量定义如下:
L=L0+1-L207cos5, <=7cos5/1-L20dSd=dS/L0, X0=X0f
Cnmlkj=(E1C1)n-m(E2C2)m-1(E3C3)l-k(E4C4)k-j(E5C5)j(n-m)!(m-l)!(l-k)!(k-j)!j!Vnmlkj=(n-m)E1+(m-l)E2+
(l-k)E3+(k-j)E4+jE5(7)
Nakajima给出的Cn和En[7]见表1:
3.2 气溶胶散射相函数反演原理
利用回归迭代的方法,将天空漫射中的多次散射效应
去除,便可以得到气溶胶的单次散射的相函数,这一节阐述
了具体的过程。
首先,给定气溶胶散射相函数的初始值:P1a(()=I0(L,<)…(≤(maxP0a(()…(>(max(8)表1 Cn、En的取值
nCnEn12.08244.0516E-5
219.88312.8677E-4
38.55432.0297E-3
43.51271.4365E-2
52.45131.0168E-1
f0.278261
式中:I0是散射角(小于(max时的辐射通量,而P0a是相函
数外插到(>(max的结果。
因此总的相函数定义如下:
Pn(()=X0aSaX0aSa+SmPna(()/[2P∫1
-1Pna(()dcos(]+
SmX0aSa+Sm316P(1+cos2()(9)
式中等号右边为气溶胶散射相函数和瑞利散射相函数的加
权和,其中X0a是气溶胶的单次反照率。
将上面得到的光学特性,通过式(5)、(6)可以得到新
的In。
气溶胶散射相函数的修正如下:
Pn+1a(()=rn(()Pna(()
rn(()=I0(L,<)In(Lmax,
1…(>(max(10)
按照上述过程进行迭代,最终得到收敛的Pa(()。
3.3 粒子谱分布的反演原理
将多光谱数据在某一特定的散射角、特定波段进行标
准化,这样可以消除仪器绝对定标引起的误差以及计算相
函数所引起的误差。利用归一化的数据,通过最小二乘法和
优化算法,我们便得到气溶胶的粒子体积谱分布。下面讲述
一下具体过程:
首先,定义两个数据向量b和b0[7]:
b=C1P((1,K1)
C1P((2,K1)
C2P((1,K2)
C2P((2,K2)
S(K1)
S(K2)
, b0=C1P((0,K1)
C1P((0,K1)
C2P((0,K2)
C2P((0,K2)
S(K0)
S(K0)
式中:P((,K)和S(K)分别是散射角为(和波长为K时
的相函数和光学厚度;(0和K0是数据进行标准化的散射角
和波段;Cn是定标常数。
b和b0与粒子体积谱分布(v(lna)=dV/dlna)线56 海 洋 技 术 第25卷性相关的,其中a和V分别是粒子半径和粒子累积体积,即
b+E=LV, b0+E0=L0V(11)
式中:E和V分别是误差向量和体积谱向量;L与L0是则是
在假定球形粒子条件下通过Mie散射理论计算得到的核矩
阵。
对数据进行标准化处理可得:
b~+E~=b+Eb0+E0=LVL0V(12)
首先,给出V的一个初始估计Vc(v(lnr)=C×r4-p),我
们通过(12)式得到:
Ed=L0VL0VcE~
b~=1_
L0Vc1_
b~LV-L0V=
1_
L0Vc1_
b~L-L0VcVVc≡LdV
式中:V=VV
c;1_
L0Vc1_
b~L-L0Vc;Ed是真正的V与估算的Vc误差和数据标准化后的误差的综合之后的误差效应。
解决(11)的方法是通过最小二乘法,具体方法是建立
误差因子。
E2=EdEd+C(V-1_)(V-1_)(13)
即(13)式最小时对应的V便是(12)的解。S.Twomey[8]
给出(13)的解:
V=(Ld*Ld+rI)-11_
4 反演结果展示与验证
为了对算法进行检验,以2000年10月27日、30日南
海实验数据为例对气溶胶粒子体积谱分布、气溶胶散射相
函数等进行了反演。
图1、图2分别为2000年10月27日、10月30日的实
验观测数据。
图1 2000年10月27日CE318天空扫描
这两天天气晴朗,无云,能见度在30km以上。10月
27日440nm的气溶胶光学厚度小于0.2,10月30日440nm
的气溶胶光学厚度小于0.25。图3和图4分别为10月27日、
10月30日的气溶胶光学厚度。
利用上面提到的反演理论,我们对2000年10月27日、
10月30日的太阳光度计测量数据进行了处理,反演出了气溶胶的粒子体积谱分布以及散射相函数。
2000年10月27日的反演结果如图5所示:10月27日,
我们一共进行了7次测量,其中3次测量由于大气质量较
大,天空变化比较快,故在此不进行处理。图5中,粒子半
径范围是0.03～16.5Lm。在图5中,我们发现粒子体积谱
分布为two-mode模式,反演的结果在近6h内的重复性57 第3期 韩 冰等:气溶胶光学特性的反演方法研究
基于DOAS技术的气溶胶粒谱分布反演方法研究
第２８卷，第１Ｏ期 ２ ０ ０ ８年１ ０月 光谱学与光谱分析 Ｖｏ１．２８．Ｎｏ．１０。ｐｐ２４１７—２４２０ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００８
基于ＤＯＡＳ技术的气溶胶粒谱分布反演方法研究
司福祺 ，谢品华 ，刘建国 ，张玉钧 ，刘文清 ，久世宏日月。，竹内延夫。
Ｉ．中国科学院环境光学与技术重点实验室，中国科学院安徽光学精密机械研究所．安徽合肥２３００３１
２．千叶大学环境与遥感中心．日本千叶县，２６３—８５２２
摘要大气气溶胶不仅对全球的气候变化产生重大影响，其本身也是一种污染物．另外它在许多污染气
体的化学反应中起重要作用。因此，实时监测大气气溶胶已成为环境领域的重要研究方向。差分吸收光谱技
术是一种基于痕量气体“指纹”特性反演其浓度的光学遥感方法，同时该方法也可用于大气气溶胶消光系数 的测量。文章介绍了利用闪烁差分吸收光谱系统监测大气气溶胶粒谱分布的方法，重点阐述了基于蒙特卡
罗方法的粒谱分布反演算法，监测结果通过与ＰＭ１０、能见度及Ａｎｇｓｔｒｏｍ波长指数的对比证实了该方法的
可行性，为近地面大气气溶胶监测提供了新的手段，同时也扩展了差分吸收光谱技术的应用范围，该方法对
大气化学的研究有着重要的意义。
关键词气溶胶；差分吸收光谱；粒谱分布；反演算法
中图分类号：０４３３．４ 文献标识码：Ａ １７１０１：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—０５９３（２００８）１０—２４１７—０４
引 言
差分吸收光谱（ＩＸ）ＡＳ）技术自Ｐｌａｔｔ［ 等首次测量大气
痕量气体以来，已成功地应用于对流层和平流层痕量气体的
测量，是一种研究大气痕量气体的有力手段 。ＩＸ）ＡＳ技术
能够观测在紫外和可见谱段有特征吸收的许多分子，如：
Ｎ０２，Ｎ０，ＮＨ。，Ｃ１０，１０，０３，ＳＯ２，Ｃ ，ＨＣＯ和芳香烃 有机物。ＤＯＡＳ技术有许多重要的优势，首先，是上面提到
操作-大气校正,辐射定标,气溶胶反演
基于RS\GIS监测洪灾变化上机操作实例
基本原理：
① 大气校正
遥感图像在获取过程中，受到大气吸收与散射、传感器定标、地形等因素的影响，且会随时间的不同而有所差异。利用多时相遥感图像的光谱信息检测地物变化的重要前提是要消除不变地物的辐射值差异。
大气校正的目的是消除大气和光照等因素对地物反射的影响，大多数情况下，大气校正是反演地物真实反射率的过程。
目前可以进行大气校正的模块有很多种，如最早的 MODTRAN 4+，6S (Second
Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum)，ACORN，ATREM，在
ERDAS IMAGINE 8.7上的模块 ATCOR，以及 ENVI上的模块 FLAASH（基于
MODTRAN）。
FLAASH可对LANDSAT，SPOT，AVHRR，ASTER，MODIS，MERIS，AATSR，
IRS等多光谱、高光谱数据、航空影像及自定义格式的高光谱影像进行快速大气校正分析。下面的大气纠正步骤，都是基于FLAASH进行的。
② 辐射定标
当我们拿到一幅原始影像，先要进行辐射定标，目的是把图像上的DN（Digital
Number）值转为辐亮度或者是反射率。辐射定标的结果可以是表观辐亮度（L），也可以是表观反射率（ρ）。
计算表观辐亮度（L）的公式为：
Radiance=（（Lmax-Lmin）/（Qcalmax-Qcalmin）*（Qcal-Qcalmin）+Lmin ①
其中：Radiance 是表观辐亮度，注意单位是W/m2·sr·μm；Qcal为像元DN值（也就是影像数据本身）； Qcalmax为传感器处最大辐亮度值所对应的DN值，一般为255；Qcalmin 为传感器处最大辐亮度值所对应的DN值，一般为0；Lmax
和Lmin是从参数表中查询，Lmin为光谱辐亮度的最小值，单位同L；Lmax为光谱辐亮度的最大值，单位同L。
地基拉曼-米激光雷达气溶胶后向散射及消光系数反演
地基拉曼-米激光雷达气溶胶后向散射及消光系数反演
摘要：本文利用地基拉曼-米激光雷达(LM-Lidar)测量气溶胶垂直廓线数据，并通过气溶胶后向散射和消光系数反演，定量分析了气溶胶光学特性和气象条件对气溶胶垂直廓线的影响。结果表明，LM-Lidar在不同气象条件下的探测效果较好，反演出的后向散射系数和消光系数均在合理范围内。气溶胶消光系数的空间分布存在明显的季节变化，冬季消光强，夏季消光弱；而后向散射系数则存在明显的日变化，白天偏大，晚上偏小。在此基础上，本文讨论了气溶胶光学特性与气象因素之间的耦合关系，揭示气象因素对气溶胶辐射强迫效应的影响。
关键词：地基拉曼-米激光雷达；后向散射系数；消光系数；气溶胶；气象条件
1. 引言
气溶胶是大气中重要的成分之一，在大气辐射传输中具有重要的作用。气溶胶的光学特性是描述气溶胶对光的吸收、散射和透射情况的物理量，对于准确估算气溶胶辐射强迫效应、探测气溶胶粒径、浓度及其垂直廓线等都有着重要的意义。地基激光雷达是目前气溶胶探测中广泛使用的一种技术手段。本文利用地基拉曼-米激光雷达测量气溶胶垂直廓线数据，通过反演气溶胶后向散射和消光系数，研究气溶胶在不同气象条件下的光学特性和空间分布。
2. 实验方法
本文使用地基拉曼-米激光雷达对大气垂直廓线进行探测，分别在春、夏、秋、冬四季对同一站点的大气进行连续24小时探测，并根据垂直风速、气温等气象信息将探测数据分为不同气象条件下的数据。通过利用已有气溶胶光学模型，反演气溶胶后向散射和消光系数。
3. 结果分析
通过反演分析气溶胶后向散射和消光系数，可以得到不同气象条件下的气溶胶垂直廓线及其光学参数。结果表明，在不同气象条件下，LM-Lidar探测效果较好，反演出的后向散射系数和消光系数均在合理范围内。气溶胶消光系数的空间分布存在明显的季节变化，冬季消光强，夏季消光弱；而后向散射系数则存在明显的日变化，白天偏大，晚上偏小。通过与实际测定数据进行对比，可以发现本文反演出的气溶胶光学参数与实测数据较为吻合，反演结果可信。
用紫外辐射反演气溶胶单次散射反照率的方法研究
中国环境科学２０１３，３３（３）：４０２－４０８ Ｃｈｉｎａ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ 用紫外辐射反演气溶胶单次散射反照率的方法研究 夏 冬 ，谭浩波 ， ”，邓雪娇。，万齐林 ，鄢俊一 ，莫伟强 （１冻莞市气象局，广东东莞５２３０００；２．广州市热 带海洋气象研究所，广东广州５１００００） 摘要：利用紫外辐射监测资料，结合对流层紫外与可见光辐射传输模式，反演气溶胶单次散射反照率（ＳＳＡ）．敏感性试验和误差分析表明：紫 外辐照度对ＳＳＡ敏感：气溶胶光学厚度（ＡＯＤ）对反演ＳＳＡ的误差影响最大，波长指数次之，地表反照率和其他因素的影响较小．使用该方法 计算的珠三角地区的气溶胶单次散射反照率为０．８４加．９９，平均值为Ｏ．９２，与以往研究相比具有较好的一致性． 关键词：气溶胶单次散射反照率；紫外辐射；辐射传输模式 中图分类号：Ｘ５１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—６９２３（２０１３）０３—０４０２—０７ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｒｅｔｒｉｅｖｉｎｇ ａｅｒｏｓｏｌ ｓｉｎｇｌｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ａｌｂｅｄｏ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｕｌｔｒａ－ｖｉｏｌｅｔ ａｎｄ ｖｉｓｉｂｌｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ． ＸＩＡ Ｄｏｎｇ ’，ＴＡＮ Ｈａｏ．ｂｏ ， ‘‘，ＤＥＮＧ Ｘｕｅ￣ｉａｏ。，ＷＡＮ Ｑｉ．１ｉｎＥ，ＹＡＮ Ｊｕｎ－ｙｉ ，ＭＯ Ｗｅｉ．ｑｉａｎｇ （１．Ｄｏｎｇｇｕａｎ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｂｕｒｅａｕ，Ｄｏｎｇｇｕａｎ ５２３０００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｒｏｐｉｃａｌ ａｎｄ Ｍａｒｉｎｅ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １００００， Ｃｈｉｎａ）．Ｃｈ／ｎａ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１３，３３（３）：４０２－４０８ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａ￥ｒｏｓｏｌ ｓｉｎｇｌｅ ｓｃａａｅｄｎｇ ａｌｂｅｄｏ（ＳＳＡ）ｒｅｔｒｉｅｖｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａ ｕｌｔｒａ－ｖｉｏｌｅｔ ａｎｄ ｖｉｓｉｂｌｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅｌ （ＴＵＶ）ａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｕｌｔｒａ－ｖｉｏｌｅｔ ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ Ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＵＶＡ Ｗａｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ＳＳＡ．Ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆｔｈｅ ｒｅｔｒｉｅｖｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ Ｗａｓ ｍａｉｎｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ａｅｒｏｓｏｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｐｔｈ ａｎｄ Ａｎｇｓｔｒｏｍ ｅｘｐｏｎｅｎｔ，ｏｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ａｌｈｅｄｏ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆａｃｔｏｒｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｎｅｇｌｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｔｒｉｅｖｅｄ ＳＳＡ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｅａｒｌ Ｒｉｖｅｒ Ｄｅｌｔａ ｒｅｇｉｏｎ Ｗａｓ ａｂｏｕｔ ０．８４－０．９９，ｗｉｔｈ ａｌｌ ａｖｅｒａｇｅ ｏｆ ０．９２，ａｎｄ ａｇｒｅｅｄ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｓｔｕｄｉｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｓｏｌ ｓｉｎｇｌｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ａｌｂｅｄｏ；ｕｌｔｒａ－ｖｉｏｌｅｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ：ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅｌ 由于气溶胶在气候变化中起着至关重要的 作用，气溶胶的光学特性及其辐射强迫与气候效 应是当前大气科学的研究热点之一ｌ１１】．气溶胶 的辐射效应分为直接效应和间接效应．其中直接 效应表现为散射作用和吸收作用．气溶胶对太阳 辐射的散射作用表现为对地气系统的冷却作用， 主要与气溶胶中硫酸盐、硝酸盐等成分有关．气 溶胶又可以吸收太阳辐射，表现为对地气系统的 增温作用，主要与气溶胶中黑碳成分有关．由于气 溶胶时空分布、组成成分的复杂性，观测资料的 缺乏，使得气溶胶成为目前环境与气候变化研 究中既复杂，又不可或缺的因素． 气溶胶单次散射反照率（ＳＳＡ）是气溶胶光学 特性的重要参数之一．它反映的是气溶胶对辐射 的吸收作用和散射作用的比重．早在２０世纪７Ｏ 年代，国外学者就研究出用太阳漫射辐射反演 ＳＳＡ的方法【８１们．之后又有学者发展出用宽带的 太阳漫辐射反演ＳＳＡ的方法［１１－１４］．但是由于可以 进行太阳散射辐射的观测的台站较少，邱金桓 等Ｌｌ ５Ｊ研究出利用太阳总辐射来反演５５０ｎｍＳＳＡ 的方法．近年，吴兑等【１ ６Ｊ通过建立地面黑碳浓度 与吸收系数的拟合方程，结合地面散射系数的观 测数据，计算得到５３２ｎｍ气溶胶单次散射反照率， 并研究了其变化特征． 紫外辐射是指波长为１００－４００ｎｍ的辐射，一 般按照波长的不同将紫外辐射划分为ＵＶＡ （３ １ ５－４００ｎｍ）、ＵＶＢ（２８０￣３ １ ５ｎｍ）和ＵＶＣ ｆ１００－２８０ｎｍ）．其中ＵＶＣ基本上被高层臭氧吸收 投稿日期：２０１２—０６—１５ 基金项目：国家“９７３”项目（２０１１ＣＢ４０３４０３）；国家自然科学基金 （４０９０５０１８）；广东省自然科学基金（９１５ｌ００８Ｏ１９Ｏ００ＯＯ８），广州市科技 计划项目（２０１０Ｙ１．Ｃ４８１） 责任作者，工程师，５８４１３１４４０＠１６３．ｔｏｍ； 副研究员，ｈｂｔａｎ＠ｇｒｍｃ． ｇｏｖ．
郑州地区气溶胶光学厚度反演与分析
第３８卷第４期 ２０１Ｏ年８月 气 象科技 ＭＥＴＥ０ＲｏＬｏＧＩＣＡＩ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ（）ＬＯＧＹ Ｖｏ１．３８，Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１０
引言 郑州地区气溶胶光学厚度反演与分析
田宏伟 郑有飞 陈怀亮 邓伟。 杜子璇
（１南京信息＿Ｔ程大学，南京２１００４４；２河南省气象科学研究所，郑州４５０００３； ３中国气象局农业气象保障与应用技术重点开放实验室，郑州４５０００３）
摘要利用ＣＥ一３１８太阳光度计，采用Ｂｏｕｇｕｅｒ Ｉ ａｍｂｅｒ定律，反演郑州地区２００８年气溶胶光学厚度，分析该地区 气溶胶光学厚度的Ｅｌ变化和月变化特征，并进一步分析天气条件对气溶胶光学厚度的影响。结果表明：２００８年郑 州地区气溶胶光学厚度与２００７年持平，波长指数有所增大。气溶胶光学厚度存在明显的季节变化，春夏高，秋冬 低，最低值出现在１２月，郑州地区气溶胶光学厚度主要受工业炯尘影响。工作日和非工作日气溶胶光学厚度日变 化趋势存在差异，交通负荷的变化可能对气溶胶光学厚度的日变化影响较大。轻雾和霾均能引起气溶胶光学厚度 的显著增大，并且轻雾对气溶胶光学厚度的影响大于霾。沙尘过程中，气溶胶光学厚度急剧增大，而后逐渐下降， 并逐渐恢复到正常水平，波长指数会减小。 关键词 太阳光度计气溶胶光学厚度 天气现象变化规律
大气气溶胶通常是指悬浮于大气中直径小于
１０ ｍ的液态和固态颗粒总称，其质量仅占整个大
气质量的十亿分之一，但由于其可以吸收和散射太
阳短波辐射以及地球长波辐射（直接辐射强迫），影
响地气系统的辐射平衡，并且可以作为凝结核影响
云的辐射特性以及作为反应表面影响化学反应的速
度（间接辐射强迫），大气气溶胶在大气辐射和气候
变化的研究中占有重要地位ｌ１ 。气溶胶光学厚度
（Ａｅｒｏｓｏｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｐｔｈ，简称ＡＯＤ）作为最重要的
衡量直接辐射强迫的物理量之一，其物理意义是沿
辐射传输路径，单位截面上因气溶胶吸收和散射对
气溶胶组分反演方法光学辐射产品精度的综合分析
气溶胶组分反演方法光学辐射产品精度的综合分析
张馨丹;李雷;陈澄;桂柯;郑宇;梁苑新;要文瑞;车慧正
【期刊名称】《大气与环境光学学报》
【年(卷),期】2022(17)1
【摘 要】基于2005–2013年POLDER-3多角度偏振观测资料,通过最新开发的可以实现气溶胶光学特性及组分信息同时反演的气溶胶组分卫星反演方法获得全球气溶胶综合产品,并利用AERONET (Aerosol Robotic Network)全球站点观测资料对反演获得的气溶胶光学辐射特性产品进行了综合评价分析,讨论了气溶胶组分反演方法的适用性和先进性。结果表明,气溶胶组分反演方法应用于多角度偏振观测中,不仅可以获得高精度的多个波段气溶胶光学厚度(AOD)产品,还可以获得多个波段吸收性气溶胶光学厚度(AAOD)以及不同波段组合下(440/670 nm, 670/870
nm,870/1020 nm, 440/1020 nm)?ngstr?m指数(AE)等气溶胶光学辐射特性产品,并且这些气溶胶光学特性反演产品都具有较小偏差,表明气溶胶组分反演方法能够更好地对观测数据实现拟合,获得更丰富更精确的气溶胶卫星反演产品,为进一步优化算法并提供更加精确的卫星产品奠定基础。
【总页数】11页(P160-170)
【作 者】张馨丹;李雷;陈澄;桂柯;郑宇;梁苑新;要文瑞;车慧正
【作者单位】中国气象科学研究院;法国里尔大学大气光学实验室
【正文语种】中 文
【中图分类】P407.4 【相关文献】
1.利用水平面太阳直接辐射日曝辐量反演大气气溶胶光学厚度的方法研究2.基于ZY-3数据与MODIS数据气溶胶光学厚度反演方法对比分析3.中国3个典型城市气溶胶光学厚度地基观测及其MODIS气溶胶产品精度分析4.中国地区MODIS气溶胶光学厚度产品综合验证及分析5.台风天气条件下地基微波辐射计反演产品精度分析
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高分一号数据的气溶胶光学厚度反演和验证
高分一号数据的气溶胶光学厚度反演和验证
许研;张炜;司一丹;李莘莘
【摘 要】针对高分辨率卫星遥感反演气溶胶光学厚度地表噪声难以分离的问题,利用国产“高分一号”(GF-1)的数据特点,提出了一种气溶胶光学厚度反演方法和处理流程.该方法分别基于暗像元和深蓝算法去除了浓密植被和城市亮目标地区的地表贡献,并应用于我国污染较为严重的京津冀、长三角、珠三角等示范区域.利用北京、杭州、香港AERONET地基观测数据,对GF-1反演得到的气溶胶光学厚度进行验证,结果表明:气溶胶高值均集中在三大区域工业排放大和人类活动密集的核心城市,年均光学厚度值在1左右.卫星和地基的相关性总体较好,三大区域的相关系数分别达到了0.71、0.55、0.54.受云识别、亮地表覆盖和气溶胶模式假设等影响,GF-1反演的气溶胶光学厚度存在一定程度的偏差.
【期刊名称】《遥感信息》
【年(卷),期】2016(031)005
【总页数】6页(P60-65)
【关键词】高分一号;暗像元算法;深蓝算法;气溶胶光学厚度;反演;AERONET
【作 者】许研;张炜;司一丹;李莘莘
【作者单位】安阳工学院计算机科学与信息工程学院,河南安阳455000;中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;安阳工学院计算机科学与信息工程学院,河南安阳455000;中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101;中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室,北京100101
【正文语种】中 文
【中图分类】P208
气溶胶是指均匀分散于大气中的固体微粒和液体微粒所构成的稳定混合体系。气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)代表了整层大气内气溶胶颗粒物对可见光的衰减，是垂直方向上消光系数的积分。尽管气溶胶在大气中的含量相对较少，但它在大气过程中所起的作用却不容忽视，影响着地球的气候和生态系统，导致地面能见度下降、空气质量恶化，并对公众健康造成威胁[1]。准确获取气溶胶的时空分布、来源及传输路径是衡量其污染影响、制定颗粒物减排、防控政策的重要保障。当前气溶胶的观测主要依靠CE318自动跟踪太阳光度计、MicroTops-II手动太阳光度计等常规仪器，气溶胶自动观测网络也为我国气溶胶辐射特征及其气候效应研究提供了重要的地基观测数据[2]。然而由于地面观测设备普遍昂贵，操作和维护较为复杂，这种常规监测只能在有限的地面站点进行，无法满足连续、动态、宏观监测环境污染以及反映气溶胶在较大区域内的空间分布的要求。卫星遥感具有大面积覆盖、准实时获取、动态更新等特点，对于大气污染可以进行快速准确地监测，应用于大气气溶胶探测的精度也日益提高。
天空辐射计观测2006年春季北京地区气溶胶光学特性的研究
第１７卷第１期 ２０１２年１月 气候与环境研究 Ｃｌｉｍａｔｉｃ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｖｏ１．１７ ＮＯ．１ Ｊａｎ． ２０１２
杨溯，石广玉，段云霞，等．２０１２．天空辐射计观测２００６年春季北京地区气溶胶光学特性的研究ＥＪ２．气候与环境研究，１７（１）：２０～２８， ｄｏｉ：１０．３８７８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—９５８５．２０１１．１００１２．Ｙａｎｇ Ｓｕ，Ｓｈｉ Ｇｕａｎｇｙｕ，Ｃｈｅｎ Ｌｉｎ，ｅｔ ａ１．２０１２．Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｂｅｉｊｉｎｇ ａｅｒｏｓｏｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ
ｓｐｒｉｎｇ ２００６ ｂｙ ｓｋｙｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ＿Ｊ］．Ｃｌｉｍａｔｉｃ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ），１７（１）：２０—２８．
天空辐射计观测２００６年春季 北京
气溶胶光学特性的研究 地区
杨溯１，２，３ 石广玉 段云霞 徐娜 陈林 戴铁 陈兵
１中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京１０００２９
２中国科学院研究生院，北京ｌ０００４９ ３国家气象信息中心，北京１０００８１
４沈阳市气象台，沈阳１１０１６８
５国家气象卫星中心，北京１０００８１
摘 要 利用２００６年３～５月天空辐射计观测数据反演得到北京地区春季大气气溶胶光学性质参数，包括大
气气溶胶光学厚度（ｏ．５ ｍ）、ＡｎｇｓｔｒＯｍ指数、单次散射反射比和粒子谱分布特征。结果表明：北京地区春季
气溶胶平均光学厚度０．６７，ＡｎｇｓｔｒＯｍ指数０．５４，单次散射比０．８８，粒子吸收性质较弱，粒子谱呈双峰形，以
粗粒子为主，粗、细模态粒子粒径分别集中在０．１７ ｍ和７．７ ｍ左右。相比２００４年此次观测期间气溶胶粒径
较大，粒子体积浓度较高，散射作用在其消光特性中的比重略有下降。光学厚度日变化呈单峰型，日间单次散
MODIS气溶胶光学厚度反演的西安市颗粒物浓度研究
MODIS气溶胶光学厚度反演的西安市颗粒物浓度研究
郑俊;杨志强;张凯南;高旺旺
【摘 要】利用Terra卫星携带的传感器MODIS卫星遥感数据,基于暗像元法反演具有1 km分辨率的气溶胶光学厚度(AOD)产品,并进行精度对比验证工作.再利用ECMCF分析资料中的边界层厚度和相对湿度分别进行垂直订正和湿度订正,建立MODIS气溶胶光学厚度与地面颗粒物浓度间的关系模型.实验选取陕西省西安市为研究区域,获取西安地区2017年气溶胶分布图及AOD与颗粒物浓度的关系模型.结果表明:MOD02反演结果与NASA提供的MOD04气溶胶产品具有很高的一致性,相关系数达到0.88,具有非常显著的相关性;MODIS光学厚度与地面PM2.5、PM10浓度的直接相关性较差,经过湿度订正与垂直订正后得到的相关性进一步提高,相关系数达到0.71、0.62,可用于估算地面颗粒物浓度并监测区域环境空气质量.
【期刊名称】《测绘工程》
【年(卷),期】2018(027)012
【总页数】6页(P19-23,30)
【关键词】MODIS;大气颗粒物浓度;垂直订正;暗像元反演;湿度订正;气溶胶光学厚度
【作 者】郑俊;杨志强;张凯南;高旺旺
【作者单位】长安大学 地质工程与测绘学院 ,陕西 西安 710054;长安大学 地质工程与测绘学院 ,陕西 西安 710054;长安大学 地质工程与测绘学院 ,陕西 西安
710054;长安大学 地质工程与测绘学院 ,陕西 西安 710054 【正文语种】中 文
【中图分类】P228
大气气溶胶是指大气中的固体和液体微粒与气体载体共同组成的多相体系，大气气溶胶可以影响地球的辐射收支平衡和温室气体的浓度和分布，同时气溶胶的大量存在会严重污染大气质量进而影响人类健康[1-2]。气溶胶作为大气辐射和大气光学中的重要物理量，一定程度上表征了整层大气中颗粒物的浓度和光学特性。流行病学研究表明，PM10或PM2.5浓度(空气动力学直径分别小于10 μm或2.5 μm)与公共疾病、呼吸系统疾病和心血管疾病死亡率密切相关，PM浓度已成为衡量大气污染程度的重要指标，受到世界各国环保、卫生、科学等行政管理部门的重视。因此，对于颗粒物浓度进行连续自动监测具有重要意义[3]。近年来，随着工业化和城市化的快速发展，PM已成为中国大部分主要城市的主要空气污染物，不仅威胁到人们的身体健康，而且造成大气能见度下降和城市景观退化，因此各个城市陆续建立环境监测站以实现对大气污染的有效观测，及时做出控制。但地面观测只能在有限地面点进行，空间覆盖面积小，难以对污染的变化趋势、空间分布等进行监测与分析。
从MODIS数据反演粗细粒子气溶胶
第３１卷，第１０期 ２ ０ １ １年１ ０月 光谱学与光谱分析 Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．１０，ｐｐ２８０９—２８１３ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１１
从ＭＯＤＩＳ数据反演粗细粒子气溶胶
王中挺 ，厉 青 ，陈良富。，王子峰 ，李莘莘 ，蒋 哲
１．环境保护部卫星环境应用中心，北京 １０００９４
２．中国科学院遥感应用研究所，北京１００１０１
摘要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 Ｅ京地区
的气溶胶呈明显的粗细粒子混合的双峰分布，粗细粒子的光学性质也差异明显。在此基础上，利用暗目标法
从２００７年全年的北京地区ＭＯＤＩＳ数据反演得到气溶胶细粒子、粗粒子和总光学厚度。对反演结果的地面
验证表明，利用ＭＯＤＩＳ数据能够较好实现细粒子和总体气溶胶光学厚度（相关系数在０．８以上）以及Ａｎｇ—
ｓｔｒｏｍ指数（相关系数为０．５１７）的反演，但对粗粒子应用效果较差。
关键词遥感；陆地气溶胶；ＭＯＤＩＳ；粗细粒子
中图分类号：）（８３１ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—０５９３（２０１１）１０—２８０９—０５
引 言
大气气溶胶一般是指尺度范围在０．００１～２Ｏ脚之问的
液态或固态粒子，沉降速度小，能够悬浮在大气中。由于大
气气溶胶在紫外、可见光、红外等波段对辐射的吸收和散
射，对全球气候和天气过程产生了重要的影响，同时大气气
溶胶的增加会恶化空气质量，进而影响人类健康（尤其是人
类活动造成的气溶胶）。遥感观测具有面状观测、准实时获
取、更新周期短、成本低等特点，能够与地面观测互补，快