基于CE-318观测的甘肃省气溶胶光学特性分析

对于大气气溶胶地基观测资料的定量分析是了解气溶胶光学特性和大气污染特征的基本途径,可为探讨污染治理方向提供一定的依据。近年来,利用地基观测资料分析甘肃省不同区域气溶胶光学特性的研究较少。为了解甘肃省不同下垫面的大气气溶胶光学特性,本文基于2018年4月至2020年9月CE-318型太阳光度计观测资料,通过ASTPwin软件反演获得了甘肃省四个站点的气溶胶光学厚度AOD,计算了Angstrom波长指数α,分析了甘肃省不同区域不同季节AOD和α的分布和变化特征以及气溶胶光学厚度和波长指数的关系。结果表明:(1)观测时段内,所有站点各波段AOD的变化趋于一致,且AOD值随波长增大而减小。兰州和皋兰山AOD值冬季最高,春、秋季次之,夏季最低,兰州冬、春季AOD值分别比年均值超出14.98%和4.68%,皋兰山冬季AOD值比年均值超出3.88%。敦煌和民勤AOD值均为春季最高,比各自的年均值高出24.49%和26.30%。敦煌AOD季节分布为:春季>夏季>冬季>秋季,而民勤则表现为从春到冬季逐渐减小的趋势。(2)兰州和皋兰山春夏季主控粒子为粗模态,秋冬季则为细颗粒物主导。敦煌和民勤大气气溶胶常年由粗模态粒子主控。2019年冬季,兰州市区AOD值比其城郊的皋兰山高出68.0%;敦煌和民勤2019年春季沙尘气溶胶污染较为严重,敦煌AOD值比民勤超出42.42%。(3)四个站点AOD和α的频率分布均呈单峰曲线,不同季节AOD高频次分布范围存在差异性,但都处于1.0以下。α的高频次范围分布较为复杂,兰州春季、皋兰山春夏季、敦煌四季、民勤春夏秋季,α分布区间均小于1.0,而兰州夏秋冬季、皋兰山秋冬季、民勤冬季α主要分布于1.1以上。(4)不同季节AOD和α的关系存在差异,表现为不同季节,大气出现严重或者局部污染时,气溶胶的主控粒子粒径大小不同。春季大气出现局部或者严重污染、夏季大气局部污染时,四个站点气溶胶主要是大粒径粒子,其中沙尘气溶胶的贡献较大。夏季大气处于严重污染时,皋兰山气溶胶主要是细模态粒子,兰州、敦煌、民勤气溶胶依然由粗模态主控,但是兰州小粒径粒子导致的污染比重高于其余两站,其中85%以上属于城市工业-气溶胶污染。秋季大气处于严重污染状况时,兰州和皋兰山均由细模态粒子主导,其中城市工业-气溶胶占比明显增加,而敦煌和民勤依然由粗模态粒子主导,其中沙尘气溶胶占比偏重。冬季大气严重污染时,兰州依然由细模态粒子主导,而其他三站由粗模态粒子占据主导地位,冬季大气局部污染时,敦煌和民勤粗模态粒子与细模态粒子同时出现,皋兰山以细模态粒子为主。分析可知,总体上甘肃偏北地区气溶胶污染以沙尘气溶胶为主,而偏南地区气溶胶污染表现为粗模态与细模态粒子交替出现,这为下一步结合卫星遥感资料研究甘肃不同区域的气溶胶特性及大气污染特征提供了一些参考。

考虑地理时空异质性的气溶胶光学厚度插补方法

通过卫星遥感反演的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)数据存在显著的覆盖缺失问题,而现有的插补方法对AOD的地理时空异质性考虑不足,严重影响了插补关系的时空建模可靠性。该文在集成学习模型的非线性关系拟合基础上,针对遥感AOD的地理时空异质性特点,从地理时空位置特征构建与插补关系建模两方面入手,提出一种考虑地理时空异质性的AOD插补方法。该方法结合了地理时空位置编码策略和极端梯度提升树模型,有效解决了地理时空位置特征变化不均匀和非线性关系建模的问题,并在2019年中国区域日均1 km的AOD数据插补实验中取得了88.67%的拟合精度,与地面实测数据的相关性达0.842,表明该方法具有较高的插补精度及可靠性,可为空气污染的科学防治提供数据与方法支持。

中国各省区近10年遥感气溶胶光学厚度和变化

用2000—2009年MODIS大气气溶胶光学厚度(AOD))资料,分析中国29个省(区、市)AOD多年平均值和年际间变化趋势。中国10年平均AOD高值区主要集中在华北、华中、华南和新疆,低值区主要在青藏高原、西北(除新疆外)、东北和西南地区。中国有13个省(市、区)多年平均AOD超过0.4。最高为0.735(江苏)。只有西藏和黑龙江的AOD小于0.2,其余15个省区市的AOD在0.2至0.3之间。除新疆外,中国的AOD高值区全部集中在工业发达和人口密集的地区。中国年际间AOD的变化为上升趋势。近10 a来AOD增长的倾向率为0.019/10a,即增加了4.3%。其中在2000—2007年间的上升最为明显,在2007年达到近10 a来的最高峰(0.437 6),2008年以后中国的AOD开始出现下降趋势,2009年达到近10 a来最低值(0.372 0)。有17个省区市AOD气候学变化倾向率为正值,变化的范围为0.006~0.099/10a。有12个为负值,变化的范围为-0.037^-0.003/10a。出现AOD增加和减少趋势的区域两极分化,即高排放地区继续增加,低排放地区持续减少。

20世纪80年代中国地区大气气溶胶光学厚度的平均状况分析

利用中国北京等 41个甲种日射站 1 979～ 1 990年太阳直接辐射日总量和日照时数等资料 ,配合同期 TOMS version - 7臭氧观测资料 ,反演了 41个站逐年、逐月 0 .75μm大气气溶胶的平均光学厚度值 (Aerosol Optical Depth,AOD) ,据此分析了 1 2 a来中国大气气溶胶的变化和时空平均分布特征。结果表明 :中国大气气溶胶光学厚度 AOD的多年平均分布是以四川盆地为中心向四周减少 ,南疆盆地和长江中游武汉附近为另两个大值中心 ;长江中下游大部分地区、山东半岛以及广东沿海等 ,AOD值亦较大 ;而东北大部、西北大部、云南和福建沿海等地 AOD较小。AOD各月平均分布有所不同。中国绝大部分地区春季 AOD值最大 ,最小值则各地不同。 1 979～ 1 990年 ,青藏高原、四川盆地西部、贵州北部、长江中下游大部分地区、山东半岛和南疆盆地西部等 ,AOD呈增长趋势。而东北地区、西北地区大部、云贵高原和广西西部以及华东沿海等地 AOD呈减小势态。中国地区 AOD的季节变化曲线大体可分为单峰、一峰一谷、两峰一谷和多峰等

南疆盆地沙尘气溶胶光学特性及我国沙尘天气强度划分标准的研究

依据气溶胶光学厚度测量原理,利用布设于塔里木盆地腹地塔中和盆地西南边缘和田气象站的2部CE318自动跟踪太阳光度计于2002年6月至2003年11月期间的探测结果,结合地面气象实测资料,分析了南疆盆地大气气溶胶的光学特性。同时结合我国已有的沙尘气溶胶光学特性的研究成果,初步提出了依据气溶胶光学厚度判断沙尘天气强度的标准。结果表明:塔中、和田气溶胶光学厚度随波长的增大多呈现减小趋势,塔中个别季节有些例外;2站气溶胶光学厚度的日变化基本保持对称的抛物线形,在春、夏季尤为明显;Angstrom浑浊度系数β的拟合曲线显示β随能见度增大而减小,波长指数α随能见度的变化趋势说明弱沙尘天气下,大气中主要弥漫着小粒径的气溶胶颗粒,而强沙尘天气则以大粒径为主;沙尘气溶胶光学厚度随晴空、浮尘、扬沙、沙尘暴依次增加;沙尘天气发生时,气溶胶光学厚度的临界值基本为晴空值的两倍,沙漠地区气溶胶光学厚度≥1.1206,北京≥0.3174。而发生沙尘暴的阈值则有很大不同,沙漠区气溶胶光学厚度至少>3.0,北京由于大气污染等因素,其判断沙尘暴发生的阈值为1.9982。另外笔者认为AOD与水平能见度之比值能够较全面地考虑水平和垂直两个方向的要素变化,衡量沙尘天气强度更具有合理意义,值得更深一步的探讨。

长江三角洲地区大气气溶胶光学厚度研究

利用在浙江临安太阳光度计测得的气溶胶光学厚度与MODIS lever2气溶胶产品进行对比,得到较好的相关。给出长江三角洲地区的光学厚度季节和月平均分布图以及几个城市光学厚度的逐月平均值,并分析这一地区气溶胶光学厚度特征。为更好的研究区域空气污染,利用长江三角洲地区几个城市的空气污染指数(API)与MODIS气溶胶光学厚度(AOD)进行对比,提出一种污染监测手段。

RegCM3模式模拟我国春季气溶胶光学厚度及检验

利用区域气候模式RegCM3模拟了我国2005~2007年春季每月的气溶胶光学厚度及沙尘气溶胶光学厚度（AOD）,并利用站点观测资料检验了模拟结果,探讨了沙尘气溶胶和人为活动排放气溶胶对春季AOD的贡献与影响.结果表明,模拟的我国春季AOD主要有3个高值区：南疆盆地和北疆部分地区,河西走廊地区,以及四川盆地和临近的中南部分地区.前两者AOD高值主要由沙尘气溶胶引起,后者主要受人为活动排放的气溶胶影响.观测资料检验表明模拟结果具有一定的可信度,模式对人类活动影响较少区站点的模拟效果优于对人类活动频繁区站点及城市和沿海站点的模拟,对城市和沿海站点的模拟结果偏低,对最偏远的阜康、海北、拉萨和西双版纳等站点的模拟结果与实际观测差别较大.

乌鲁木齐污染物浓度和大气气溶胶光学厚度的关系

利用乌鲁木齐2002年4月15日—2003年3月15日期间CE318太阳光度计的观测数据,计算了气溶胶光学厚度,对气溶胶光学厚度与地面污染物浓度之间的关系进行了探讨。乌鲁木齐的首要污染物为PM10,其次是SO2。结果表明,全年中乌鲁木齐气溶胶光学厚度与PM10、SO2浓度的逐月变化趋势基本一致。气溶胶光学厚度与PM10浓度日均值、月均值的相关系数分别为0.4104和0.5922,与SO2浓度日均值、月均值相关系数分别为0.3212和0.8168。每月SO2浓度和硫酸盐化速率的相关性很高,为0.8430,所以导致SO2对气溶胶光学厚度的贡献更显著。这在一定程度上说明SO2浓度是估测气溶胶光学厚度的一个较好参量。

中国气溶胶光学厚度时空演变特征分析

利用2005-2012年MODIS气溶胶产品分析了中国区域气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)的变化趋势和空间分布特征。分析结果表明,与2005-2007三年均值相比,绝大部分省份2008-2010年期间AOD下降趋势非常明显,而在2011-2012年期间AOD又有所回升,但大部分地区2011-2012两年均值仍低于2005-2007三年均值,因此2005-2007年是我国气溶胶污染最严重的时期;从AOD的空间分布来看,气溶胶污染较重的地区主要集中在京津冀、长三角、华中、成渝等人口密集和工业发达地区;从典型城市AOD变化趋势来看,2005-2012年期间北京、石家庄、保定、邢台市AOD历年均值均明显高于全国平均值,京津冀城市群气溶胶污染异常严重。

中国东南部地区及近海的气溶胶光学厚度分布特征

利用MODIS资料,对中国东南部地区及近海海域实现多通道大气气溶胶光学厚度(AOD)反演;利用地面连续波段的太阳辐射计数据对MODIS资料的反演结果进行校验,结果表明,反演结果的置信度较高;利用经过校验的结果对该地区的AOD分布特征进行了研究.结果表明:AOD大值区主要集中在海拔低的东南沿海及经济发达地区,而地形比较复杂的山地丘陵地区的值较小;海洋上空的AOD反演由于受到了近海混浊水体和离水辐射的影响,反演结果偏高,但还没有发现能准确反映研究地区特征的输入参量和合适的算法,以提高近海海域AOD的反演精度.

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。

徐州市气溶胶光学厚度与PM_(2.5)相关性及年周期特征

基于徐州市2014～2017年气溶胶光学厚度(AOD)、地面监测站PM_(2.5)浓度及气象数据,构建经标高订正的AOD(AOD/H)与经湿度订正的PM_(2.5)(PM_(2.5)×f_((RH)))之间的5种不同类型的拟合模型,分析两者在不同季节的相关性;同时利用经验模态分解对AOD/H与PM_(2.5)×f_((RH))进行周期变化分析。结果表明:AOD与PM_(2.5)浓度直接相关程度较低,经过订正后两者的相关程度显著提高;选取乘幂模型为最优拟合模型,利用乘幂模型估计得到的PM_(2.5)浓度与地面监测的经湿度订正的PM_(2.5)浓度呈显著正相关,相关系数在四季分别达到0.752、0.650、0.808和0.942;利用经验模态分解分析得到AOD/H与PM_(2.5)×f_((RH))具有显著的年周期变化特征,均在冬季出现高值,后逐渐降低,在6月前后出现极小值,到秋季又逐渐增大;AOD/H与PM_(2.5)×f_((RH))年变化特征表现出很高的一致性(r=0.888),表明在徐州地区AOD/H对PM_(2.5)×f_((RH))在年周期尺度变化特征研究中能起到良好的指示作用。

利用激光雷达观测资料研究兰州气溶胶光学厚度

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2006—2011年晴空无云时激光雷达（CE-370—2）资料，结合2006年12月至2007年5月多波段太阳光度计（CE-318）资料，对比验证了激光雷达资料的反演结果，并分析了兰州地区气溶胶光学厚度的分布特征。结果表明：激光雷达反演得到的光学厚度与光度计观测得到的光学厚度，两者具有较好的相关性，相关系数为0．86。兰州地区气溶胶光学厚度3—5月和11-12月较大，主要原因是3—5月是当地沙尘频发期，11—12月是居民集中采暖期，沙尘排放和燃煤排放显著增加了大气气溶胶光学厚度。气溶胶光学厚度6～10月偏小，湿沉降清除是主要的影响因素。光学厚度季节分布为春季0．42，冬季0．36，秋季0．30，夏季0．21。光学厚度频数分布于0．0～0．3的最多，占总数的一半，且存在季节差异。兰州上空夏季干净，春季浑浊，冬季次浑浊。

新疆博斯腾湖地区气溶胶光学厚度特性地基遥感

为加强新疆戈壁地区沙尘监测,为区域气候变化研究和局地卫星遥感精度验证提供地基观测依据,利用CE-318太阳光度计在博斯腾湖地区2010年4～12月测得的太阳直接辐射数据,应用消光法反演了大气气溶胶光学厚度(AOD)和ngstrm波长指数α并分析其变化特征。结果表明,该地区550nm AOD平均值为0.33±0.22。当α>0.5时,550nm AOD日均值小于0.25;当α<0.5时,550nm AOD日均值大于0.3。AOD日变化在非沙尘天气时有3种类型:平稳型、上升型和下降型。沙尘天气时有3种类型:上升型、早晨傍晚高且午时有低值、早晨傍晚低且午时有高值。AOD季节变化是春季最大,冬秋次之,夏季最小。当地年均大气透明度较好,气溶胶成分单一,沙尘天气是影响当地大气浑浊度的主要原因。

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

利用中国太阳分光观测网的观测资料结合MODIS(中分辨率成像光谱仪)的气溶胶产品分析了北京、兰州、上海3个典型区域城市的气溶胶光学特性。结果表明:北京AOD(气溶胶光学厚度)年平均为0.41±0.35,春夏高,秋冬低,Angstrm波长指数α年平均为1.40±0.85表现为细模态粒子,MODIS的光学厚度为0.52±0.39与地面观测相关系数为0.91,存在系统性高估;兰州AOD年平均为0.55±0.21,夏季最低,秋冬较高,α年平均为0.95±0.20表现为粗模态粒子,MODIS光学厚度为0.43±0.21与地面观测相关系数仅为0.07,存在系统性低估;上海AOD年平均为0.55±0.21,无明显季节变化,α平均为1.03±0.25,MODIS光学厚度为0.74±0.30与地面观测相关系数为0.75,存在系统性高估。城市地理位置和复杂地表等原因造成反照率的不确定,MODIS气溶胶产品在这3个城市的反演效果仍有很大提升空间。

青岛近岸海域气溶胶光学厚度观测分析

利用CE318太阳光度计测量了青岛小麦岛地区2008年4月至2009年3月的气溶胶光学厚度(AOD)数据,分析了青岛近岸海域的气溶胶光学厚度特性。结果表明:气溶胶光学厚度光谱基本满足ngstrm关系,其中大气浑浊度系数κ=0.22±0.07,ngstrm指数υ=1.26±0.23。气溶胶光学厚度的日变化有3种典型趋势,分别是上升型、下降型和凸型。季节变化特点为春、夏季气溶胶光学厚度大,而冬季小。

城市气溶胶光学厚度的遥感观测

浙江省杭州市和宁波市城区大气气溶胶光学厚度的CE318太阳光度计测量数据表明两地气溶胶光学厚度的日变化较大,在春夏季节尤甚,且春夏季节气溶胶的平均光学厚度高于秋冬季节。并采用了太阳光度计数据对该地区的MODIS气溶胶光学厚度产品进行了订正。订正后的MODIS产品与太阳光度计的实测值的变化趋势较为一致。本研究区内这两者的值有较好的相关性,相关系数(R)均超过0.9,拟合系数(R2)达到0.8以上。

东亚气溶胶光学厚度时空变化特征及其对气候可能的影响

本文利用Terra卫星MODIS传感器2000—2011年550nm气溶胶光学厚度(AOD)资料,AERONET东亚站点Angstrom指数资料,以及NCEP/NCAR的2000—2011年位势高度资料,用经验正交函数分解方法(EOF)分析了近12a东亚AOD时空变化特征,同时通过研究AOD与夏季850hPa西太平洋副热带高压的关系,初步分析了AOD对气候可能产生的影响。结果表明,EOF第一模态东亚大部分地区AOD同位相变化,北方振幅最大,越往南振幅越小,17°N以南出现反位相,这在春季最显著。第二模态南北方呈明显反位相,春夏季最显著。进一步分析认为第一模态主要受沙尘气溶胶影响,第二模态主要受工业气溶胶影响。关于东亚AOD对气候可能的影响,通过东亚AOD与西太平洋副热带高压西脊点指数(IW)的相关性分析,发现4月份海上AOD对6月份IW有较明显的2个月超前相关,该相关大致以22.5°N为界,以北呈负相关,以南呈正相关。分析认为这与沙尘气溶胶及炭黑气溶胶的辐射强迫有关。

一种不同植被覆盖条件下的气溶胶光学厚度反演方法

提出一种在不同植被覆盖条件下的气溶胶光学厚度反演算法。这种算法基于影像自身的波段间信息和关系,通过选取影像中植被混合比差距较大的像元,使用可见光到近红外波段(400～900 nm)的光谱信息,反演得到气溶胶光学厚度。详细介绍了这种反演方法原理和操作流程,并分别使用模拟数据和真实遥感影像的反演对本方法进行验证。通过模拟数据的反演,这种方法反演结果与真实值的拟合系数(R2)达到0.981 8,均方根误差(RMSE)达到0.055;同时使用该算法反演和校正中巴资源卫星(CBERS)CCD影像。分析校正前后的影像,校正结果明显增强了影像对比度,同时还反映出影像能见度的情况分布,经过大气校正后,可以使得地物更加接近真实地表反射率,有利于影像的定量化应用。

内蒙古气溶胶光学厚度时空特征及其气象因子响应研究

随着大气环境的恶化,愈来愈多的研究学者研究了很多关于气溶胶的研究。影响大气环境的因素雾霾其实上可以说是由各种原因所形成的气溶胶。气溶胶光学厚度(aerosol optical thickness, 简称AOT)或(aerosol optical depth, 简称AOD)表示的是电磁波在单位截面的垂直气柱上的透过率,可以用气溶胶来表示空气中的混浊程度。AOD作为气候与环境变化的关键性因子,它所能够影响的气象要素有很多。本文利用MODIS气溶胶产品数据,分析了2017年至2020年内蒙古地区气溶胶光学厚度时空分布特征,再结合National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)气象数据,进一步分析了气溶胶光学厚度对气象因子的响应,从而得知以下结论:1) 在空间分布上:气溶胶光学厚度高值分布在兴安盟、通辽、赤峰东部区和阿拉善、鄂尔多斯等西部区,内蒙古东西两端,北纬47˚以南,其主要原因为此地区沙漠较多,远离海洋,湖泊干枯,湿地消失,植被退化,周围群山环抱,生物多样性减少,常年干旱多降雨少;低值分布在巴彦淖尔到锡林郭勒盟的中部区和高纬度呼伦贝尔地区,其主要原因为这部分地区常年下雨的次数多,草原多,人类活动也比较其他城市少。植被覆盖度高,生物多样性,从而导致空气污染少。2) 在时间分布上:气溶胶光学厚度高值主要分布在3、4、5、6月份,其主要原因为沙尘暴季节、植被覆盖返青期从而导致污染程度高;低值主要分布8、9、10月份,其主要原因为植被生长期,覆盖度高从而空气质量好。3) 对气象因子的响应上:风速对气溶胶光学厚度的影响最高,正相关,即风速越大气溶胶光学厚度越高;降水和气溶胶光学厚度,表现弱相关,即降水量越大气溶胶光学厚度越高;相对湿度跟气溶胶表现为显著负相关,空气湿度越高,空气质量好,从而气溶胶光学厚度的值就低。