一种利用天空辐射计反演大气总水汽量的算法研究

传统计算大气总水汽量是利用改进的Langley方法，通过准确测定传感器的光谱响应函数结合辐射传输方程模拟大气中水汽透射比并反演总水汽量。而本文提出了一种根据天空辐射计940nm通道的太阳直接辐射资料反演晴空条件下大气柱总水汽量的算法，该算法直接根据天空辐射计的观测数据估算了描述大气中水汽透射比的参数（a和b），而不依赖于光谱响应函数的精确测量；反演得到的a和b值包含了观测站温度、气压和湿度垂直廓线的季节变化等信息，不受模式模拟误差的影响。利用2009年3—8月兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）天空辐射计资料，用该算法获得了观测时期内大气总水汽量，然后利用同期探空资料反演的水汽量验证天空辐射计反演和微波辐射仪观测的水汽量。结果表明，这两种方法得到的水汽总量都是可靠的。天空辐射计与微波辐射仪、CE318型太阳光度计的反演水汽量表现出较好的一致性，拟合斜率值分别为1．03和1．64，相关系数均〉0．95，相对误差在2．1％～11．3％范围内。该算法可广泛应用于东亚地区天空辐射计网（SKYNET）对总水汽量的反演。

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

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(0.5μm)、Angstrm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,Angstrm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0.17μm和7.7μm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,日间单次散射比随时间逐渐递减,Angstrm指数在上午递减趋势明显,午后变得稳定。对同时观测的天空辐射计与CE-318不同波长光学厚度结果进行比较,结果显示两者得到的光学厚度相关性很好,各波长小时平均结果的相对误差小于7%。

银川地区气溶胶特性的天空辐射计测量

利用地基天空辐射计测定了银川地区2003年10月—2004年8月太阳直接辐射和天空散射辐射,采用"SKYRAD"模式同时反演了银川地区气溶胶光学厚度、波长指数、体积谱分布、折射指数和单次散射反照率,并对结果进行了分析。结果表明:银川地区气溶胶光学厚度具有明显的日变化,4个季节的变化范围分别31%、33%、24%和38%,并主要表现出两种变化类型,而光学厚度的季节变化春季最大,冬季最小,波长指数变化与光学厚度变化基本相反,春季最小,冬季最大,这主要与北方沙尘活动有关;气溶胶尺度分布表现出双峰型结构,一种是位于半径0.15μm附近的积聚模态,另一种是半径7μm左右的粗模态,且粗模态浓度远大于积聚模态的浓度;折射指数实部春季明显升高,对波长的敏感性较低,而虚部春季显著下降,并且表现出对波长更低的敏感性,但两者在不同波段的微小变化均表现出了一定的规律性,且虚部表现的更为复杂;单次散射反照率春季显著高于其他季节,并随波长的增加而显著增加,而其他季节单次散射反照率在波长之间虽存在变化,但并没有表现出任何规律性,表明这种变化具有明显的区域性差别。

天空辐射计观测反演北京城区气溶胶光学特性

利用2018年10月-2019年9月天空辐射计观测数据反演北京城区气溶胶光学特性参数,重点分析污染过程中气溶胶光学特性与气象条件的相关性。结果表明:500 nm气溶胶光学厚度在2-7月较大,最高值出现在6月,为0.71。单次散射反照率最高值出现在8月,为0.96;最低值出现在5月,为0.89。440~870 nm Angstrom波长指数最高值出现在夏季,为1.11;最低值出现在春季,为0.89。统计发现污染日数仅占总日数的17%,其中62%为轻度污染;污染和清洁天气条件下PM2.5浓度分别为107.22μg·m^-3和47.16μg·m^-3,500 nm气溶胶光学厚度分别为0.85和0.49,单次散射反照率分别为0.96和0.92;冬季Angstrom波长指数在污染天气条件下(1.02)大于清洁天气(0.91),春季相反。结合天空辐射计、激光雷达和气象数据分析2019年1月一次污染事件,可知低风速与高湿度等不利气象条件、气溶胶粒子的吸湿增长和二次转化、污染物局地排放及区域输送共同导致污染事件发生。

扩展多波长偏振测量的太阳—天空辐射计观测网

太阳辐射和大气气溶胶的地基遥感观测在气候变化、大气环境和对地观测等领域有重要意义。结合多波长偏振测量技术在气溶胶观测中的应用,本文介绍了在中国典型区域建立的太阳—天空辐射计观测网SONET(Sunsky radiometer Oberservation NETwork)。主要内容包括:(1)多波长偏振太阳—天空辐射计的参数、基本原理和功能,以及据此建立的中国区域太阳—天空辐射计观测网及其站点的基本情况;(2)太阳直射、太阳主平面和平纬圈几何条件下,太阳—天空辐射和偏振的观测模式及其测量参数;(3)针对气溶胶、水汽等大气成分观测发展的太阳直射辐射、天空光辐亮度、线偏振度等观测量的定标和数据处理方法,并给出在晴朗和灰霾等天气下的SONET观测结果示例;(4)基于在SONET典型站点连续的较长期遥感观测,初步建立了城市、乡村和灰霾情况下的整层大气气溶胶参数模型。在扩展多波长偏振测量的基础上,SONET还发展了自动观测、快速数据处理、定期标定和维护等观测网运行关键技术,可为典型大气气溶胶模型构建、卫星气溶胶产品反演和验证、大气环境遥感监测等应用提供支撑。

利用太阳-天空辐射计遥感观测反演北京冬季灰霾气溶胶成分含量

根据气溶胶成分的光学特性,气溶胶可简化为5种成分组成:一类是吸收性的成分,包括黑碳BC、吸收性有机碳BrC、沙尘DU;另一类是散射性成分硫酸铵AS;还有一类是气溶胶中的重要成分——水分AW。本文基于太阳-天空辐射计获取的气溶胶微物理特性资料,对北京2013年1月灰霾过程气溶胶中这5种成分的含量进行了定量反演研究。结果表明,灰霾天气下气溶胶中BC、BrC、DU、AS和AW的体积比例为2%、9%、30%、33%和26%,而清洁天气分别为3%、3%、15%、71%和8%。对于质量浓度,灰霾天气下BC、BrC、DU、AS和AW分别是7、35、166、131和73mg/m2;而清洁天气下分别为4、4、29、78和6mg/m2,两者的成分比例有显著差别。反演的黑碳质量浓度,以及细粒子的质量浓度分别与黑碳仪的观测和环保部公布的PM2.5的质量浓度具有很好的一致性,相关系数R2分别为0.45和0.85。

北京地区大气气溶胶光学特性及其直接辐射强迫的研究

利用2003年9月至2004年12月天空辐射计观测数据初步反演得到北京地区大气气溶胶光学特性的参数,包括:500nm大气气溶胶光学厚度,Angstrom波长指数,单次散射反照率和粒子谱分布的季节变化特征.将反演得到的结果代入辐射传输模式,计算北京地区大气层顶和地面在晴空条件下大气气溶胶的辐射强迫,并分析了其季节变化特征.

基于遥感测量的淮河流域中部气溶胶光学和微物理特性分析

利用设置在中国气象局寿县国家气候观象台2017年全年的太阳-天空辐射计CE318数据,对当地一年四季气溶胶光学和微物理特征进行分析。结果表明:春季气溶胶光学厚度最高,夏季和秋季最为接近,也最低,冬季介于夏、秋季之间;AE数据集中在0.9~1.5,以细模态粒子为主;四季的气溶胶体积谱分布基本相似,且既有细模态粒子,也有粗模态粒子;夏季气溶胶折射率实部最小,说明当地夏季水汽含量最大,实部与光谱波长没有明显关系,而虚部则有;单次散射反照率均在80%以上,气溶胶散射效应明显;非球形粒子占主要支配地位且在春季数量最多。研究结果对于掌握淮河流域中部区域气溶胶特征,及其对大气辐射、气候变化的影响,监测空气质量,以及提高我国该特定区域大气辐射传输模型计算精度有重要意义。

2006年春季青岛气溶胶光学厚度与气溶胶指数、能见度的关系分析

由多波段天空辐射计观测的太阳直接辐射和散射辐射计算得到2006年春季22个晴天的大气气溶胶光学厚度(AOD),利用OMI(臭氧监测仪)的气溶胶指数(AI)线性插值得到相应22 d的气溶胶指数,说明AOD与AI具有较好的相关关系,并拟合出两者的线性关系式。分析AOD与实测水平能见度的关系,说明春季在少云或无云天气,大气中气溶胶含量高是导致能见度水平下降的主要原因。根据2个不同的能见度公式,分别由浑浊度系数和消光系数来计算22 d的水平能见度,并与实际观测值做相关,得到相关系数分别为0.764,0.760。当气溶胶标高取1.3 km时,由消光系数计算得到的水平能见度整体小于实测水平能见度;由浑浊度系数计算得到的能见度有11 d大于实测水平能见度,另外11 d小于s实测水平能见度。

秋季我国北黄海海区气溶胶光学特性的观测与分析

2007年10月份中国海洋大学的东方红2号科考船在北黄海海区进行了为期12天的秋季908航次的数据测量实验,实验中使用了日本PREDE公司生产的POM01-MKⅡ7波段全自动天空辐射计对该海区上空的大气进行了观测,获取了大量的气溶胶光学数据。对光学数据处理后得到了气溶胶光学厚度(AOT)、单次散射反照率(SSA)、气溶胶粒径体积谱分布。结果表明:在无云晴天的情况下,500 nm处的AOT最大值在0.36以下,870 nm的AOT值在0.15以下,有雾或阴霾情况下AOT值偏大,是无云情况下的5倍左右;从单次散射反照率来看,该海区上空在秋季气溶胶有吸收的情况,离岸近,吸收较强,离岸远,吸收较弱;从粒径体积谱分布来看,陆源聚类粒子含量的高低与气溶胶的吸收有很大的关系。

基于地基遥感的灰霾气溶胶光学及微物理特性观测

为了解北京地区2013年1月严重灰霾污染过程中大气气溶胶特性,基于地基太阳-天空辐射计CE318观测数据,反演了气溶胶光学和微物理参数,并据此对1月份第2次严重污染过程进行了详细分析。研究表明:(1)2013年1月北京地区灰霾污染天气下,气溶胶光学厚度比同时期清洁天气有所增大,在440nm处均值达到0.87,在个别严重污染天气下高达3左右;(2)气溶胶光学参数与灰霾过程密切相关,ngstrm指数由清洁大气时的1.3降到灰霾污染时的0.95,复折射指数虚部均值由污染前的0.04下降为污染过程中的0.01,单次散射反照率均值则由0.73增大到0.92,同时不对称因子均值从0.58增大到0.67;(3)灰霾污染过程中细模态气溶胶比例较高,占总体积比例平均达到73.0%,最高达90.5%,在灰霾污染中气溶胶细模态平均峰值半径随光学厚度增大而增大,清楚表明了灰霾过程中颗粒物的吸湿增长效应,粗模态平均峰值半径随光学厚度的增加而减小,在污染最严重时,粒子谱分布峰值半径约为0.43μm。

MODIS遥感中国东部海域气溶胶光学厚度与现场测量数据的对比分析

利用2006年4月至2007年11月间中国东部海域五个航次的天空辐射计海上观测资料,以10 km×10 km和±1 h作为时空匹配窗口,对中分辨率成像光谱仪(MODIS)标准海色产品中的869 nm气溶胶光学厚度数据进行了对比检验。结果显示,在全部匹配数据中,72%非常接近或在NASA公布的期望误差Δτ=±0.03±0.05τ范围以内。MODIS的反演精度具有一定的地域性和季节性差异,东海匹配数据的一致性明显好于黄海,2006年冬季匹配数据的一致性较好,2007年秋季MODIS反演值存在系统性偏高的情况,其主要原因可能与气溶胶模型的不适用有关。通过对全部匹配数据的进一步分析印证了这一点。

近沙尘源区气溶胶光学特性的季节变化及其统计学描述

利用天空辐射计测定了敦煌地区1999年1月至2001年3月期间太阳直接辐射和散射辐射,采用“SKYRAD”反演模式同时反演了敦煌地区气溶胶光学厚度、体积尺度分布和折射指数实部,分析了其季节变化及统计学特性。结果表明,光学厚度存在明显季节变化,大致从12月开始存在明显的上升,3月或4月达到最大值,5—8月光学厚度逐渐减小,9—10月又有所上升,11月达到最小值,而波长指数的变化与光学厚度的变化基本相反;敦煌地区气溶胶光学厚度和波长指数的概率分布与其季节变化具有很好的相关性,并近似满足对数正态分布和正态分布;4个季节的气溶胶波长指数与光学厚度表现出一种相似的关系,并可以简单地利用一个指数函数加以描述;气溶胶尺度分布表现出双峰型结构,一种是位于半径0.25μm附近的积聚态,另一种是半径7.7μm左右的粗模态,且春季积聚态与粗模态之间存在着一个假模态;折射指数实部春季明显升高,对波长的敏感性较低,且4个季节的概率分布最大值均处在1.54～1.56范围内;两种情况下对实部值的概率分布进行拟合,发现其概率分布同样可以利用高斯模型加以描述,但是两种情况下春季与其他季节明显不同。

星载多角度偏振成像仪测量精度验证与偏差分析

为了检验星载多角度偏振成像仪(DPC)在自然目标下的偏振和辐射定标精度,设计了测量精度验证试验。在晴朗天气对天空成像,得到了天空的偏振度和辐亮度数据,并将其与同时观测的CE318型太阳-天空偏振辐射计的数据进行了比对。结果显示:三个偏振波段的平均偏振度差异小于0.02,满足DPC偏振测量精度的指标要求,但辐亮度差异较大。修正定标光源与测量目标间光谱非匹配的影响,两台仪器观测波段、观测视场非一致性的影响以及系统偏差后,两台仪器490nm和670nm通道的平均辐亮度的差异小于1%,865nm通道的平均辐亮度差异小于2%,验证了DPC定标数据的有效性和仪器的测量精度。

星载偏振扫描仪发射前定标及地面验证实验

高精度偏振扫描仪(POSP)采用分孔径和分振幅的同时偏振测量技术,可获取目标的高精度多光谱偏振辐射信息,其测量精度是影响载荷在轨应用的关键指标之一。仪器研制完成后,实验室条件下完成偏振和辐射定标以及测量精度的评估。为检验实验室定标结果,开展自然目标探测下的地面验证实验,使用POSP在晴朗天气沿太阳主平面对天空进行扫描,将获取的天空辐亮度和偏振度数据与同时刻由CE318N太阳-天空偏振辐射计采集的数据进行对比,并讨论影响两台仪器数据的因素。实验结果表明,两台仪器的辐亮度一致性偏差小于4%,偏振度一致性偏差小于0.005,具有较好的一致性,验证POSP实验室定标的准确性及自然目标下的探测能力,可为后续星载数据的处理和应用提供依据。