激光雷达探测整层大气昼夜气溶胶光学厚度

为丰富整层大气气溶胶光学厚度测量手段,提出了一种综合微脉冲激光雷达与地面能见度测量数据的探测方法。该方法首先利用激光雷达数据反演得到气溶胶垂直消光系数廓线,据此计算出气溶胶标高;再利用能见度和消光系数的关系得到近地面水平方向的消光系数;最后,将近地面消光系数和标高结合,从而得到整层大气气溶胶光学厚度。将该方法应用于合肥地区,成功得到该地区整层大气气溶胶光学厚度的昼夜变化趋势,验证了该方法的可适应性。

内陆和沿海地区大气气溶胶标高的测量分析

在大气气溶胶粒子浓度随高度指数下降的假定下,气溶胶标高反映了大气边界层气溶胶的特征厚度。为了得到气溶胶标高随时空、季节和地域变化情况,根据整层大气光学厚度和近地面水平能见度的测量结果,分析了内地和沿海地区气溶胶标高的实际变化,初步得到了气溶胶标高随时间、地域及季节改变的规律。

沿海和内陆地区多波长光谱气溶胶标高的比较分析

大气气溶胶的光学特性是大气环境、大气辐射、激光大气传输和进行空中目标识别的重要影响因子之一,而光谱气溶胶标高(spectral aerosol scale height,简称SASH)是反映气溶胶高度分布特征的关键参量;在考虑无云状态下可见和红外波长范围的太阳辐射情况时,不仅仅要考虑总的气溶胶消光的组成,而且还要估计不同空间间隔范围内的有效高度。文章基于大气气溶胶浓度随高度指数衰减的原理,利用前向散射能见度仪和连续光谱的太阳辐射计,并辅以必要的温湿探测设备,同时测量了典型地区大气柱光学特性以及近地面层的大气水平光谱消光系数,建立多波长SASH的计算方法,获得了可见光波段(波长400,440,532,550和690 nm)的大气SASH的变化特征:无论是沿海还是内陆地区,随着波长值的增加,SASH减小;对于东南沿海某地,一般地,冬季SASH要大于夏季的SASH;而对于内陆合肥地区,冬季SASH要小于夏季的SASH。

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

本文发展了一个从宽带水平面太阳直接辐射日曝辐量(总辐射与散射辐射日曝辐量之差)反演光谱大气气溶胶光学厚度的方法,包括建立一个"等效"的瞬时太阳天顶角模型,并提出了一个基于气溶胶标高的云影响甄别方法。对该反演方法的数值模拟和误差分析表明:"等效"瞬时太阳天顶角模型的不稳定性引起的光学厚度反演误差平均为3.66%;光学厚度日变化对一段较长时间的平均光学厚度的影响不显著;订正造成的散射辐射误差≤20%时,光学厚度平均偏差≤4%。通过与AERONET产品的比对验证表明:本文发展的光学厚度反演方法和云影响甄别方法都是有效的;晴空反演的0.75μm光学厚度与AERONET的相关系数超过0.95,平均误差约0.02;云甄别方法计算的季节和年平均光学厚度与AERONET具有较好的一致性。

可见光波段气溶胶标高的实验研究

大气气溶胶对大气辐射和光传播具有重要影响,而标高是反映气溶胶高度分布特征的关键参量。利用连续光谱的太阳辐射计和前向散射能见度仪,测量了大气柱光学特性以及近地面层的大气水平消光系数,获得了可见光波段的大气气溶胶标高的变化特征:随着波长值的增加,气溶胶标高减小;对于实验当地的情况,一般冬季气溶胶标高要大于夏季的气溶胶标高。

气溶胶垂直非均一分布对天空背景亮度的影响

对白天天空背景亮度进行了数值实验;模拟了不同标高下的气溶胶垂直分布对天空背景亮度的影响;比较了不同垂直分层和整层均匀气溶胶分布下,天空背景亮度的相对偏差,并分析了天空背景亮度对地表反射率的敏感性。结果表明:给定气溶胶光学厚度下,不同标高的垂直分布得到的天空背景亮度差别很大;天空背景亮度对地表反射率和气溶胶总光学厚度都比较敏感,敏感程度受太阳-观测几何的影响。

河北省气溶胶标高时空变化及其成因

以2012年河北省20个监测站的MODIS AOD(气溶胶光学厚度)和近地面水平能见度数据为基础,应用Peterson模型和高斯模型,计算气溶胶标高月均值年内变化模型系数;应用全微分近似计算原理,构建了气溶胶标高时空变化的成因模型.结果表明:1全省平均气溶胶标高以夏季最高,为3.298 km;春、秋季次之,分别为2.864和2.284 km;冬季最低,为1.597 km.全省气溶胶标高空间分布以夏季地域差异最显著,最大值为3.193 km;冬季地域差异最小,最大值为1.487 km.2在全省尺度上,大气颗粒物排放强度和大气边界层高度每变化1%时,将会引致气溶胶标高分别变化0.577%和0.143%,二者对气溶胶标高变化的贡献率分别为80.1%和19.9%;在省内6个次级区域尺度上,大气颗粒物排放强度越大的区域,大气边界层高度对气溶胶标高的贡献率越大,如冀中南平原、沧州沿海平原和冀东平原的贡献率分别达到63.7%、57.8%、54.2%;反之则贡献率较低,如冀中平原、冀西北山区和冀东北山区的贡献率则分别仅为45.4%、32.6%、8.6%.

基于飞机和MODIS观测的华北地区气溶胶标高分析

为研究华北地区的气溶胶分布情况,利用2012—2014年飞机观测资料和MODIS卫星资料,对石家庄等地的气溶胶标高进行了分析。结果表明:(1)与飞机观测资料对比后认为可以利用MODIS光学厚度和常规能见度资料计算气溶胶标高;(2)华北地区春夏季气溶胶标高一般大于秋冬季;6个主要城市中,位于平原地区的城市气溶胶标高较低,西北山区城市标高较高;(3)在不进行飞行探测,仅使用地面资料和卫星资料,通过计算得到气溶胶垂直分布是可行的,尤其是在对流层中层的结果比底层更可信;(4)分别使用观测资料与拟合数据计算光学厚度,分析其误差后,确认在计算光学厚度的过程中可以使用气溶胶数密度指数递减假设。

基于太阳光度计分层算法获取气溶胶标高

大气气溶胶具有很强的时空变化特性,而气溶胶标高是反映大气气溶胶垂直分布特性的一个重要参量,常规获取大气气溶胶标高的方法需要多种仪器进行联合测量.基于均匀平行球面大气分层的假定,研究了利用太阳光度计的分层算法获取大气气溶胶标高的方法.结果表明,利用该分层算法可仅利用太阳光度计一种仪器同时获得各分层大气平均消光系数和光学厚度、气溶胶垂直分布高度、气溶胶标高等参数.该算法所得气溶胶标高与常规方法获得的气溶胶标高进行比较,相对误差在10%以内;得到的大气总光学厚度与整层算法计算的大气总光学厚度的相对误差小于2%.因而,利用该分层算法仅使用太阳光度计一种仪器来获取气溶胶标高的方法是可行的,拓展了太阳光度计的应用.

基于卫星气溶胶光学厚度反演地面能见度算法的研究

为了获得大范围的能见度空间分布信息,提出一种把MODIS卫星气溶胶光学厚度陆面产品转化为地面能见度分布的反演算法。该算法以CALIPSO卫星的气溶胶标高为更新观测值,以GEOS-Chem模拟的气溶胶标高场为背景场,通过最优插值的资料同化方法,将两者整合成误差更小的气溶胶标高分析场,然后通过气溶胶标高分析场,把MODIS卫星气溶胶光学厚度转化为地面能见度。与中国地区地面气象多年观测资料的对比结果表明,反演能见度与观测能见度之间,点对点的月相关系数可达0.5以上,两者多年的逐月变化趋势与地域分布形势较为一致。

冀中南平原区气溶胶标高变化及估算模型研究

作为反映大气气溶胶垂直分布的重要参量,气溶胶标高被广泛应用于气溶胶反演及模型订正研究中。为研究气溶胶标高时空变化规律并构建其简易计算模型,基于2009~2016年气象站点观测资料及MODIS卫星反演数据,利用Peterson模型及多元回归分析对冀中南平原区气溶胶标高进行了估算分析。研究结果表明:区域气溶胶标高夏季最高,春秋季次之,冬季最低,其中2016年气溶胶标高年均值最低。此外,标高空间分布差异性较大,整体表现为东北高西南低分布模式。低值区主要分布于太行山山前平原区,而高值区则主要分布于冀中南平原北部地区。气溶胶标高与气温、气压、地面温度、相对湿度、水汽压、能见度等气象要素具有显著相关性关系。通过多元回归分析,构建了基于气象要素的气溶胶标高经验估算模型,模型分析结果表明气温等气象要素可以解释气溶胶标高61.8%的变化,且研究期内平均标高的相对误差大都在10%以内,这对于冀中南地区气溶胶浓度反演以及大气环境治理与优化有着重要的现实意义。

近45年中国12个一级站大气气溶胶光学厚度变化特征

利用常规观测的总辐射和散射辐射日曝辐量资料,结合NASA GISS的月平均平流层气溶胶光学厚度(AOD)产品,反演计算了北京等12个台站1961～2005年0.75μm对流层AOD和气溶胶标高数据.基于这些数据,分析了各站AOD、气溶胶标高和地面能见度的年、季、月变化特征.结果表明:①就12个站45a总平均而言,光学厚度为0.276,年增长为0.0034;气溶胶标高为1.65km,年增加为0.015km;能见度为17.1km,年变化值为-0.08km;AOD春夏较大,秋冬较小;气溶胶标高夏季最高,春季次之,冬季最低.②各站点45a平均AOD范围为0.116～0.387;除格尔木外,各站AOD均有增长,年变化值为0.0010～0.0079.③20世纪70、80年代AOD增加明显;20世纪90年代以来,多数站点AOD有所下降,能见度有转好趋势.

基于微脉冲激光雷达计算整层大气气溶胶光学厚度

基于微脉冲激光雷达测量数据,提出了利用气溶胶标高计算整层大气气溶胶光学厚度(AOD)的算法。首先利用激光雷达垂直和水平测量数据分别反演得到气溶胶垂直消光系数廓线和近地面水平方向的消光系数;然后将气溶胶垂直消光系数廓线分为4种类型,分别按照不同的方法拟合得到气溶胶标高;最后将气溶胶标高与近地面消光系数相结合,可得到整层大气AOD。将计算结果与同一地区相同时刻太阳光度计的测量结果相比较,发现二者具有较好的一致性,平均相对误差不超过6.7%。所提方法为白天少云和夜晚时段大气AOD的反演提供了一种新的技术手段。

我国西北地区气溶胶垂直分布特征分析

气溶胶标高是反映气溶胶浓度和消光系数廓线垂直分布特性的一个重要物理量.使用微脉冲激光雷达测量了我国西北典型地区的气溶胶消光系数廓线;使用太阳光度计测量了大气的垂直光学厚度;对测量数据进行拟合,得到了气溶胶标高.结果表明,两种方法得到的气溶胶标高具有很好的线性相关性,相关系数大于0.87.对该地区的气溶胶标高进行了统计分析,得到气溶胶标高随时间、地域及气候条件的变化关系.该研究对了解西北地区的气溶胶变化特征和建立气溶胶模式具有一定的参考意义.

区域优化Peterson模型的气溶胶光学厚度估算分析

气溶胶光学厚度作为描述气溶胶光学特性的重要参数之一,被广泛应用于空气质量监测及辐射传输模型的大气订正等研究中。卫星遥感可快速反演获取大范围气溶胶信息,但其产品通常因云覆盖或暗目标算法等原因而存在空间覆盖率较低的问题,且产品时相受限于卫星过境时间。水平能见度作为描述气溶胶光学特性的另一重要参数,由分布广泛的气象台站一日8次固定时间多次发布。建立水平能见度与气溶胶光学厚度的转换关系,可实现对卫星反演气溶胶光学厚度的有益补充。本文利用2001-2009年的MODIS气溶胶光学厚度产品与中国华东地区71个气象台站的水平能见度数据,对描述两者转换关系的Peterson模型进行区域优化。采用分区域高斯曲线拟合的方法,对影响转换精度的主要参数气溶胶标高随时间变化规律开展研究和模拟。利用2010年数据对优化模型进行精度及区域适用性验证。结果表明,优化后模型的气溶胶光学厚度估算均方根误差为0.31,低于原模型误差;精度基本上与单站点优化模型一致,但在实用性方面优于单站点优化模型。