陆地气溶胶细模态比的有效反演算法

提出了基于卫星气溶胶光学厚度(AOD)和恩格指数反演气溶胶细模态比(FMF)的新算法,该算法采用更准确的气溶胶模型,构建了以AOD和FMF为变量的二维查找表。将该算法用于北京和Jaipur两个地区FMF反演,并与AERONET和MODIS的FMF作比较。结果表明,新算法反演的FMF与AERONET的FMF的相关系数为0.656,而MODIS C6与AERONET的FMF相关系数为0.436;以AERONET的FMF为标准,新算法的均方根误差为0.156,低于MODIS C6的均方根误差(0.318);新算法的反演结果中有90%处于±0.4的误差范围内,而MODIS C6的FMF只有57.4%处于该误差范围内。

大气气溶胶散射相函数反演算法

大气气溶胶是地气系统的重要组成部分,是大气辐射、战场环境和气候变化等的重要影响因子之一,历来受到人们的广泛关注。为了探求气溶胶对高能激光传输时能量的衰减效应,建立气溶胶散射相函数反演算法就变得十分必要。以合肥地区为例,利用已有的商用仪器积分浊度计(TSI-3563)和太阳辐射计(PGS-100)实际测量的气溶胶散射特性和光学厚度,给出波长为0.55μm的气溶胶散射相函数的反演结果。并根据误差传递理论通过计算分析确定最终的反演误差约在12.8%。该研究将丰富气溶胶光学特性的研究手段,为相关光学工程建设提供参考。

基于MODIS的气溶胶光学厚度反演算法及应用进展

比较了基于MODIS传感器反演气溶胶光学厚度的主要算法,包括暗像元法、扩展的暗像元法、结构函数法、高低反差法、多星协同法,总结了基于MODIS反演气溶胶光学厚度技术在气溶胶领域的应用,探讨了气溶胶时空分布以及AOD与地面颗粒物浓度的相关性研究。

基于卫星多角度观测的气溶胶遥感反演算法研究进展

对国际上双角度、多角度及偏振卫星气溶胶遥感反演算法的最新研究进展进行了综述。双角度遥感作为多角度遥感的一种典型情况,算法的核心思想同样适用于两个传感器在几乎同时对同一地区进行观测的情况。以双角度观测的沿轨扫描辐射计(ATSR)系列传感器为例,总结了ADV (ATSR dual view)、SU (Swansea University)和ORAC(Oxford-RAL aerosol and cloud)最优估计等典型的气溶胶反演算法原理及最新研究进展。在此基础上,以当前国际上采用多角度观测的星载和机载传感器为例,介绍并总结了星载多角度标量反演算法、星载和机载多角度偏振反演方法的最新研究进展。通过系统发掘双角度和多角度传感器在气溶胶卫星及机载遥感研究中的优势和潜力,为我国多角度及偏振遥感反演算法的设计和发展提供了有效参考和关键支撑。

基于DOAS技术的气溶胶粒谱分布反演方法研究

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。

VIIRS高分辨率地表反射率关系库支持下的气溶胶光学厚度反演

通过遥感技术反演气溶胶光学厚度AOD对于全面、动态监测大气污染时空变化具有重要意义。可见光红外成像辐射仪VIIRS作为MODIS的后继传感器,可在全球范围内实现对气溶胶的连续时空监测。针对复杂的地表类型,通过构建基于像素的动态地表反射率关系库,能实现陆地AOD高分辨率反演。利用全球气溶胶自动观测网站AERONET地基站点观测结果对反演结果对比验证,发现二者具有显著的相关性,相关系数达到0.849,RMSE为0.184,优于官方产品的0.197;通过与2018-04-20真彩图比对,反演结果较官方产品更符合实际气溶胶分布趋势。该算法在陆地AOD反演上具有良好的性能,为进一步研究利用Suomi-NPP VIIRS数据反演大气颗粒物质量浓度提供了重要数据源。

大气气溶胶对用红外窗区通道遥感陆面温度的影响

分析了大气气溶胶对红外窗区通道辐射传输的影响 ,考察了在用红外窗区通道反演陆面温度中 ,大气温度和湿度廓线没有误差时 ,大气气溶胶的不确定性对反演精度的影响 ,以及大气温度。

MODIS陆地气溶胶遥感反演——利用TERRA和AQUA双星MODIS数据协同反演算法

利用卫星数据遥感陆地气溶胶一直是国际上研究的难点与热点.利用新一代传感器MODIS(中分辨率成像光谱仪)数据,DDV(Dark Dense Vegetation)算法反演陆地气溶胶的分布以及性质已经取得了较好的效果.然而,该算法只适用于诸如水体、浓密植被等较低地表反射率区域,大大限制了该算法的实际应用范围,尤其是无法应用于城市等亮地表区域气溶胶的遥感反演.文中提出了基于利用TERRA和AQUA双星MODIS数据的协同反演模型算法(SYNTAM-Synergy of Terra and Aqua MODIS),用以反演陆地气溶胶的光学厚度等信息.该算法实现了地表反射率与气溶胶光学厚度的同时反演,可应用于各种地表反射率类型,包括城市等亮地表区域.通过与国际AERONET的地面观测数据对比做初步的反演验证,结果表明,该算法具有较高的精度,进一步的验证工作还在继续.

大气PM2．5遥感反演研究进展

PM_(2.5)是中国空气质量的重要评价指标,影响着环境和人体健康。近年来,遥感反演已逐渐成为监测PM_(2.5)的热点。介绍了大气PM_(2.5)反演常用的遥感数据优缺点及适用范围,对遥感反演方法进行归纳和总结,阐述构建PM_(2.5)与气溶胶光学厚度关系模型、消除气象因素和垂直分布等参数影响的方法,并展望PM_(2.5)遥感反演在高时空分辨率数据和模型耦合等方面的发展趋势。

基于GF-5卫星遥感数据的大气CO_(2)快速反演方法

以高分五号卫星(GF-5)搭载的大气温室气体监测仪(GMI)的观测数据为研究对象,设计一种大气CO_(2)快速反演算法,在物理反演算法框架基础上,利用逐线积分法构建适用GMI的气体吸收截面查找表,加速气体吸收光学厚度计算,并通过构建气溶胶光学厚度参数查找表,拟合计算气溶胶光学厚度廓线,从而实现大气CO_(2)快速反演。在此基础上,利用两年的GMI数据验证所提反演算法,并与全球总碳柱观测网(TCCON)站点观测结果进行对比。结果表明,所提出的加速算法与原始算法反演所得的大气CO_(2)柱浓度之间的平均绝对误差为0.75×10^(-6),相关性达到85.5%,与TCCON站点之间平均绝对误差为3.01×10^(-6),满足1%的反演精度要求,在计算效率上,加速算法减少80%以上的计算时间。

京津冀地区污染过程的气溶胶遥感反演

针对地面监测站覆盖范围有限且成本高的不足,该文采用遥感卫星与地面站点数据相结合的方式,利用简化的气溶胶反演算法反演京津冀地区2013年秋、冬季节两次污染过程的气溶胶光学厚度,分辨率为500m。以气溶胶自动观测网在北京站点的监测数据作为简化的气溶胶反演算法的输入参数,分析气溶胶光学厚度与气溶胶自动观测网对应地面站点的相关性;将所反演气溶胶光学厚度与京津冀地区空气质量监测站点的细颗粒物浓度24h均值进行相关性分析,发现除近海城市外,相关性均较高。结果表明,简化的气溶胶反演算法适用于区域污染过程中的气溶胶光学厚度反演,反演精度高,对空气质量具有较好的监测能力。

北京市气溶胶光学厚度影响因子分析

大气污染成分、道路分布情况、地表覆盖类型等是影响气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)的主要因素,针对区域性的顾及多种影响因素的AOD研究意义重大.研究采用北京市2020年2月至2021年2月的高分辨率气溶胶光学厚度产品数据、大气污染数据、道路线数据、地表分类数据、NPP夜光遥感数据,提出了可拓展简化气溶胶反演算法(extensible simplified aerosol retrieval algorithm,XSARA),利用Pearson指数、主成分分析、多元回归、地理加权回归模型等方法,系统分析了北京市2020—2021年气溶胶光学厚度及其驱动因素.结果发现:①湿度与AOD呈正相关,而风力风向与AOD呈负相关,通过进行多元线性回归获得AOD和各组合因子的关系方程,其中R2为0.97068,残差平方和为0.0291,表明回归效果较好;②道路沿线范围的AOD均高于周边区域,并且随着道路愈加密集,AOD也随之升高;③以人造地表为代表的地表覆盖能够增强AOD浓度,而以植被为代表的地表覆盖则减弱AOD浓度;④通过采用夜间灯光数据,发现该数据与AOD的空间分布模式相关性很高,并且采用地理加权回归模型得到的R2大于0.9,进一步表明两者相关程度较高.

利用SARA结合高分一号数据反演气溶胶光学厚度

简化的气溶胶反演算法(simplified aerosol retrieval algorithm,SARA)摆脱了传统气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)反演算法对查找表的依赖,在暗地表区域和亮地表区域均有较好的反演效果。由于中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS)数据得到的AOD空间分辨率不足,因此在SARA的基础上结合更高空间分辨率的高分一号(GF-1)宽视场(wide field of view,WFV)数据开展了AOD反演研究。精度验证结果表明,反演结果与地基观测值具有较高的一致性,相关系数为0.962,均方根误差为0.073,平均绝对误差为0.051,预期误差为88.6%;反演结果与同期的MODIS气溶胶产品相比,空间上分布较为一致,且具有较高的空间覆盖度、分辨率和精度。针对高分数据的算法适用性研究表明,GF-1 WFV相机的观测几何和辐射定标误差引起的反演误差较小,绝对误差均在0.04以内,相对误差均在10%以内。

中国不同气候区域MODIS C6.1气溶胶光学厚度产品的验证及对比分析

为了解MODIS气溶胶产品反演算法在中国不同气候类型区域的适用性,利用气溶胶观测网(AERONET)资料对最新发布的Terra(MOD)/Aqua(MYD)中分辨率成像光谱辐射计(MODIS)061版本(C6.1)气溶胶光学厚度(AOD)产品进行验证,对比分析了不同气候类型区域条件下暗目标(DT)算法、深蓝(DB)算法、暗目标与深蓝结合(DTB)算法的精度及误差.结果表明:(1)各地面站点对应气候区域的反演相关性趋势相似,且不同气候区域数据相关性相差较大.(2)针对不同气候类型区域,温带季风气候区MYD04_L2_DTB质量最优,相关系数(r)高达0.91,均方根误差(RMSE)仅为0.17,有61.1%的数据落入期望区间(EE)内.(3)亚热带季风气候区MYD04_L2_DT质量最优,r值达0.89,RMSE为0.16.(4)热带季风气候区域MOD04_L2_DTB质量最优,r值达0.86,有63.4%的数据落入EE区间中.(5)温带大陆和高原高山气候区域精度较低,都存在AOD值被低估的情况且r值均低于0.77.前者MYD04_3k_DT质量最优,落入EE区间的数据占57.6%;后者MYD04_L2_DB最优,有70.5%的数据落入EE区间.总体而言,MYD04产品相较MOD04产品对应地面观测CE-318 AOD数据在中国地区具有更高的适用性.

基于多轴差分吸收光谱技术测量对流层HCHO垂直分布

甲醛(HCHO)在大气光化学反应中扮演着重要的角色,是一种重要的气溶胶前体物和光化学氧化指示剂。大气中HCHO的来源主要是直接排放和光化学反应生成。大气光化学反应与太阳辐射强度密切相关,一般来说,太阳辐射强度越强,大气光化学反应越剧烈, HCHO的二次来源产率也就越高。故针对HCHO的研究成为当今大气环境研究的一个重要课题。介绍了基于多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)获取对流层HCHO垂直柱浓度(VCD)及垂直廓线的反演算法。该方法是基于非线性最优估算法的两步反演方法,首先反演气溶胶垂直廓线,然后在此基础上反演HCHO垂直廓线。其中第二步气体廓线反演时,气溶胶廓线线型会影响气体廓线反演的权重函数从而影响气体垂直廓线反演的精度,为此,研究了三种不同气溶胶廓线类型(指数型、高斯型和玻尔兹曼型)对HCHO垂直廓线反演的影响。结果表明,在三种气溶胶廓线类型条件下,当气溶胶光学厚度(AOD)为0.1时,气体反演的总误差、平均核的包络线、灵敏高度上限、自由度以及HCHO垂直廓线结果都比较接近,即气溶胶廓线类型对HCHO垂直廓线反演的影响很小。而对于200 m以下(含200 m)的近地面,通过指数型、高斯型和玻尔兹曼型气溶胶廓线获取的HCHO体积混合比(VMR)与真实HCHO VMR的差异分别为36.89%,-0.04%和23.30%,表明使用指数型和玻尔兹曼型气溶胶廓线类型反演HCHO垂直廓线会高估近地面HCHO浓度,而高斯型气溶胶廓线类型则正好相反。此外,还反演了北京国科大站点一次污染过程中HCHO的垂直廓线,分析了污染过程中HCHO的垂直分布特征。结果表明, HCHO主要集中在1.0 km以下且一天中高值出现在午后,主要来自于本地产生,即西南风将污染的VOCs气团带到观测点,经过本地的光化学反应产生HCHO而积累,造成了此次HCHO浓度升高。结合气流后向轨迹分析,来自站点西南方向的输送是引起HCHO污染的重要原因。故观测站点的HCHO主要受污染输送和二次氧化的影响。最后对比了此次污染过程中不同气溶胶条件对HCHO廓线反演的误差影响。结果显示,气溶胶浓度高时,反演的灵敏高度和自由度下降,反演的高度分辨率下降,且反演总误差增加。

一种基于FY3D/MERSI2的AOD遥感反演方法

针对目前国产卫星对气溶胶遥感监测应用较少的情况,本研究综合暗象元和SARA算法优势,基于FY-3D MERSI2数据构建了一套气溶胶光学厚度(Aerial Optical Depth,AOD)快速遥感反演方法。首先,引入了传统暗象元算法中的地表反射率经验关系,然后利用AERONET长时间序列的地基观测数据,构建了红波段和蓝波段气溶胶光学厚度、不对称因子和单次散射率之间的关系,最后利用MOD04和AERONET的AOD产品对研究反演结果进行了验证和评估分析。结果发现:①本研究反演的AOD不仅保持了与MODIS的气溶胶产品空间分布的一致性,而且合理地呈现了AOD的高值分布,改进了MOD04气溶胶产品在云和亮目标方面反演缺失问题;②利用AERONET地基观测结果对本研究获取的MERSI2的AOD反演结果进行了对比分析,发现二者具有较高的线性相关性,蓝波段AOD线性相关系数超过0.85;③利用MERSI2数据完整地捕捉到了2018年3月9—14日京津冀及周边区域的一次重污染过程中气溶胶时空分布变化情况,这也说明了FY3D卫星具备良好的气溶胶遥感监测能力,为我国灰霾监测和预警提供参考依据。本研究对大力发展国产卫星在大气环境遥感的应用有重要参考意义。