气溶胶质量浓度空间垂直分布的反演方法

用激光雷达反演气溶胶质量浓度的空间垂直分布是环境监测领域的重点研究内容之一.利用激光雷达测量得到的地面消光系数和振荡天平获得的地面质量浓度,建立起质量浓度与消光系数之间的关联,再通过消光系数的垂直分布反演质量浓度的垂直分布.基于这一思想,采用两种模型进行了拟合和相关性分析.实验表明用这两种模型反演的质量浓度空间分布相关性好,数据量级与实际相符,具有一定的可信度.模型易于实现,计算简单,可实现在线实时检测.     

气溶胶质量浓度垂直分布反演模型的研究

激光雷达监测气溶胶垂直分布一直是大气环境监测领域的重要内容之一。为了研究大气气溶胶质量浓度的垂直分布,对气溶胶质量浓度反演模型进行了理论分析和实验验证。在理论分析后向散射系数与质量浓度之间指数关系及气象因子对气溶胶质量浓度分布影响的基础上提出了一种指数修正模型。采用非线性最小二乘法与经验相结合的方法进行了实验验证,获得了模型参量并反演了气溶胶质量浓度的垂直分布。结果表明,修正模型与实际情况更接近,能更好地反映气象因子对气溶胶质量浓度分布的影响,该修正模型对于气溶胶的垂直分布研究具有一定的参考价值。     

基于多源数据的PM2.5反演方法

利用MODIS L1B 1km分辨率数据和NASA 的V5.2 气溶胶改良业务反演算法,对南京都市圈2013年9月至2014年1月期间的气溶胶光学厚度（AOD）进行反演,并运用AERONET地基气溶胶监测网的AOD产品对反演结果进行验证。然后,将经过验证后的AOD与国家环保部建立的国家空气质量自动监测点实测得到的PM2.5质量浓度和PM10质量浓度根据经典统计学进行线性回归性分析,并用气溶胶细模态光学厚度AODf和气象因子对PM2.5质量浓度与MODIS AOD之间的模型进行修正,修正后的模型为y=136.78+9.16x1-0.36 x2-3.98x3,R2=0.79,并应用该模型,证实气溶胶光学厚度可以用来对城市空气质量进行评价。     

大气气溶胶光学厚度反演软件系统设计和实现

为了实现大气气溶胶光学厚度反演的要求,提出一种基于传统暗像元算法为基础的一体化软件系统设计方案,并完成系统的设计和气溶胶光学厚度反演实验。该系统的软件设计主要利用开源GDAL库对MODIS遥感数据进行提取和处理,并通过6S模型建立得出数据查算表。经过应用表明通过该软件系统使反演过程简单化、可视化,同时实现了气溶胶光学厚度反演的一体化的处理。     

机动车颗粒物的激光雷达监测

为了用激光雷达遥测机动车排放颗粒物的浓度分布,从理论上分析了颗粒物后向散射系数和质量浓度之间的关系;利用激光雷达测量的后向散射系数以及黑碳仪测量的黑碳气溶胶质量浓度数据,采用最小二乘法对颗粒物后向散射系数与浓度以及后向散射系数与车流量之间进行了相关性分析。结果表明,激光雷达测量的后向散射系数能够很好地反演机动车颗粒物质量浓度,它们之间存在正比关系。激光雷达探测的气溶胶颗粒物浓度和车流量具有很好的一致性,可以用来研究机动车排放颗粒物的水平分布和扩散特性;这对于机动车的管理以及大气污染控制具有重要意义。     

基于光衰减法的黑碳气溶胶浓度检测系统设计

在研究一种大气黑碳气溶胶浓度检测系统的基础上,提出了一种基于光衰减法的黑碳气溶胶浓度检测方法。首先,从理论上分析了基于光衰减法的黑碳气溶胶浓度检测与反演。然后,重点介绍了光电检测电路的硬件设计和气溶胶浓度反演算法的软件设计。最后,通过计算机上管理软件显示并分析检测结果。运行结果表明该检测系统达到了预期设计目标。     

基于DPC 的中国部分区域陆地气溶胶光学厚度反演

大气气溶胶是气候变化与遥感定量化等的重要影响因素, 研究气溶胶光学特性具有重要意义。基于高分五号 卫星搭载的大气气溶胶多角度偏振探测仪 (Directional polarimetric camera, DPC) 过境中国区域的数据, 开展了气溶胶 光学厚度的反演研究。基于矢量辐射传输模型 6SV 计算构建气溶胶光学特性查找表, 采用 Ross-Li 地表 BRDF 模型 和半经验 NB 模型计算地表贡献, 利用标量与偏振的多角度信息和查找表方法, 反演气溶胶光学厚度。 DPC 气溶胶光 学厚度反演结果与中国区域的 AERONET 地面站点测量结果吻合性较好, 线性拟合度较高, 相关性系数大于 0.8, 验证 了算法的可靠性, 为 DPC 有效监测气溶胶的时空分布提供技术支持。     

户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达系统研制

激光雷达探测臭氧和气溶胶垂直廓线分布近年来在环境监测领域获得广泛应用。介绍了一套可同时用于探测臭氧和气溶胶浓度的激光雷达系统。采用Nd:YAG激光器,通过二倍频器和四倍频器分别产生532 nm和266 nm激光光源,基于受激拉曼散射原理,在两根拉曼管中分别充有氘气和氢气,产生拉曼频移光289 nm,299 nm,通过差分吸收算法原理反演垂直空间臭氧浓度廓线,通过米散射算法原理来反演气溶胶浓度廓线。水平扫描试验结果显示,雷达系统的探测结果与近地面点式臭氧分析仪测量结果有较好的一致性,相对误差小于10%。在安徽合肥科学岛外场观测结果表明:臭氧探测高度,白天可以达到3 km,晚上可以达到5 km,气溶胶探测高度,白天可以达到10 km,晚上可以达到15 km。     

遥感试验数据确定大气气溶胶类型的方法研究

以太湖为研究区,通过水面光谱实验采集,地基太阳光度计大气测量,和当天的MODIS遥感影像,联合遥感太湖地区的大气光学特性,提出了一种实验确定气溶胶类型的方法.通过与卫星影像准同步的地面光谱和太阳光度计试验,利用辐射传输模式6S,变化气溶胶类型各组分,建立关于星上辐射的查找表,并利用定义的相对误差参量,在其总误差最小时确定气溶胶类型.将其用于改进后的Mie散射程序来计算大气气溶胶粒子群包括偏振散射相函数等的光学特性,并用于太湖地区大气气溶胶光学厚度的反演中,所得结果参考CE318实测值,反演精度有了较大的提高.该研究方法与结果可为大气气溶胶光学特性计算,大气辐射传输方程,气溶胶光学厚度反演,卫星数据大气校正等遥感应用提供支持.     

利用双角度光学粒子计数器测量大气气溶胶质量浓度

针对大气气溶胶质量浓度的测量在城市污染监测中的重要性,提出了利用双角度光学粒子计数器测量大气气溶胶质量浓度的方法,该方法利用气溶胶粒子体积谱和密度来计算气溶胶质量浓度,可以对不同粒径范围的气溶胶质量浓度进行计算,最后采用2004年9月和2007年11月在北京测量的数据对计算的PM10和PM2.5进行验证,证明此方法是可行的.该方法对使用光学方法测量气溶胶质量浓度具有参考意义.     

Self-tuning distributed measurement fusion Kalman estimator for the multi-channel ARMA signal

For the multisensor multi-channel autoregressive moving average (ARMA) signal with white measurement noises and a common disturbance measurement white noise, when the model parameters and the noise variances are all unknown, a multi-stage information fusion identification method is presented, where the consistent fused estimates of the model parameters and noise variances are obtained by the multi-dimension recursive instrumental variable (RIV) algorithm, correlation method and Gevers-Wouters algorithm with a dead band. Substituting these estimates into the optimal distributed measurement fusion Kalman signal estimator, a self-tuning distributed measurement fusion Kalman signal estimator is presented. Its convergence is proved by the dynamic error system analysis (DESA) method, so that it has asymptotical global optimality. In order to reduce computational load, a fast recursive inversion algorithm for a high-dimension matrix is presented by the inversion formula of partitioned matrix. Especially, when the process and measurement noise variance matrices are all diagonal matrices, the inversion formula of a high-dimension matrix is presented, which extends the formula of the inverse of Pei-Radman matrix. Applying the proposed inversion algorithm, the computation of the fused measurement and fused noise variance is simplified and their computational burden is reduced. A simulation example shows effectiveness of the proposed method.     

Retrieval of optical depth and particle size distribution oftropospheric and stratospheric aerosols by means of Sun photometry

Aerosol optical depth measurements by means of ground-based Sun photometry were made in Bern, Switzerland during two and a half years primarily to provide quantitative corrections for atmospheric effects in remotely sensed data in the visible and near-infrared spectral region. An investigation of the spatial variability of tropospheric aerosol was accomplished in the summer of 1994 in the Swiss Central Plain, a region often covered by a thick aerosol layer. Intercomparisons are made with two Sun photometers operated by the Swiss Meteorological Institute in Payerne (Swiss Central Plain) and Davos (Swiss Alps, 1590 m a.s.l.). By means of an inversion technique, columnar particle size distributions were derived from the aerosol optical depth spectra. Effective radius, columnar surface area, and columnar mass were computed from the inversion results. Most of the spectra measured in Bern exhibit an Angstrom-law dependence. Consequently, the inverted size distributions are very close to power-law distributions. Data collected during a four month calibration campaign in fall 1993 at a high-mountain station in the Swiss Alps (Jungfraujoch, 3580 m) allowed the authors to study optical properties of stratospheric aerosol. The extinction spectra measured have shown to be still strongly influenced by remaining aerosol of the June 1991 volcanic eruptions of Mount Pinatubo. Inverted particle size distributions can be characterized by a broad monodisperse peak with a mode radius around 0.25 μm. Both aerosol optical depths and effective radii had not yet returned to pre-eruption values. Comparison of retrieved aerosol optical depth, columnar surface area and mass, with the values derived from lidar observations performed in Garmisch-Partenkirchen, Southern-Germany, yielded good agreement     

敦煌辐射校正场典型气溶胶垂直廓线的激光雷达观测

激光雷达可以获取气溶胶的三维信息。在2010年中国辐射校正场（Chinese Radiometric Calibration Site,CRCS2010）试验中,利用一部米散射激光雷达获取了敦煌辐射校正场区域15天的观测数据。利用经典的Fernald反演方法得到了这一区域的大气气溶胶消光系数垂直廓线并分析了其对辐射定标的影响。观测结果表明敦煌地区在从近地面到2～4 km处存在着一层气溶胶浓度高值层。用于辐亮度辐射定标的飞机飞行高度需要大于此高度,以避开气溶胶高浓度层的影响。并利用MODTRAN(MODerate resolution atmospheric TRANsmission))辐射模式中的气溶胶廓线与实测气溶胶廓线分别进行辐射模拟,对于FY3/MERSI各可见-近红外通道都有不同程度的差异,其中蓝通道（<500 nm）有4%～5%的辐射差异。     

基于等效球形颗粒数的颗粒物质量浓度算法

从Mie散射理论出发,推导了粒子计数器(OPC)测量球形颗粒物质量浓度的计算公式.考虑非球形颗粒,从颗粒群粒度分布概念出发,提出了统计意义上的等效球形颗粒数概念,给出了非球形颗粒物质量浓度的理论公式,并利用该理论公式阐明了OPC测量非球形颗粒物质量浓度计算公式的合理性,进而给出了基于等效球形颗粒数的悬浮颗粒物的质量浓度算法.实验结果表明,该算法的质量浓度计算值与实际值十分吻合,因而为实现OPC在线测量悬浮颗粒物的质量浓度提供了一种可行途径.     

气溶胶粒子等效复折射率的BP神经网络建模

利用改进的BP算法,结合Mie散射理论,建立了波长、散射系数、吸收系数与气溶胶粒子等效复折射率之间的非线性映射关系,实现了反演实际大气非均匀气溶胶粒子等效复折射率的BP神经网络模型的建模.利用该模型对气溶胶粒子等效复折射率进行了反演,根据反演得到的等效复折射率计算了其光学特征量,计算结果与实测结果基本吻合.     

安徽省寿县气溶胶消光系数变化特征分析

基于自主研发的气溶胶消光光谱仪, 在安徽省寿县观测站点进行了连续观测, 并对 2016 年 5 月至 12 月期间 该地区的大气气溶胶光学特性开展了研究。结合不同大气因素分析了观测结果的时间序列变化及日变化规律, 对比 了消光系数与 PM2.5 质量浓度、散射系数的相关性, 并探讨了风速风向对于寿县消光系数变化的影响。结果表明: 寿 县地区大气消光系数时间序列变化与日变化特征明显, 且受到不同气象要素的影响。秋季和冬季的大气污染情况较 为严重, 与其他季节相比, 污染天气的天数明显增多; 与清洁天气相比, 污染天气的消光系数和 PM2.5 质量浓度、散射 系数显著增大。特别在冬季, 污染事件频繁。在 12 月份出现过重度污染天, 其 24 h PM2.5 平均浓度超过 150 µg·m−3 , 且该月消光系数和 PM2.5 质量浓度、散射系数均达到观测期间月平均最大值。整个观测期间, 从日变化来看, 消光系 数、PM2.5 质量浓度及散射系数均是白天波动较大, 午后出现最低值; 其中消光系数最大值出现于清晨 08:00 左右, 最 小值则出现于下午 16:00 左右。此外, 消光光谱仪测得的气溶胶消光系数与 PM2.5 质量浓度和散射系数的相关系数分 别为 0.91 和 0.83, 说明研制的消光光谱仪同其他仪器的测量结果具有很好的一致性。     

MPL反演南京北郊气溶胶光学厚度准确度的研究

微脉冲激光雷达是探测气溶胶的有效工具。为了验证探测的准确度,对一台微脉冲激光雷达观测数据采用Fernald算法进行反演,得到了南京北郊上空的气溶胶光学厚度,并将反演结果同太阳光度计观测数据、喇曼-瑞利-米雷达观测数据和中分辨率成像光谱仪的标准气溶胶产品进行了比较。结果表明,它们之间具有一定相关性。微脉冲激光雷达是反演气溶胶光学厚度的有效手段,可以用于其它观测手段的地面验证。     

北京城区奥运期间大气细粒子谱分布与变化特征研究

随着工业经济的迅速发展,颗粒物已经逐步成为我国大气污染的首要污染源,考虑到对人体的健康危害,大气颗粒物的数浓度值可能比质量浓度值更重要,因而对大气细粒子谱分布的研究也就越发显得重要.利用安徽光学精密机械研究所研制的大气细粒子谱分析仪,对北京城区奥运期间的大气细粒子实现从纳米到微米颗粒物的原位、快速、在线、宽范围粒径谱测量,并对奥运期间各粒径段内粒子日平均数浓度及实时变化规律进行分析.同时,结合地面能见度信息,对奥运赛事期间北京大气气溶胶细粒子谱分布特征及其与能见度的相关性进行了定性分析.结果表明,核模态粒子(5～20 nm)主要受气相成核过程的影响,其数浓度呈单峰值结构;爱根核模态(20～100 nm)受人为源及核模态粒子影响较大,其数浓度呈典型的三峰值结构;积聚模态(100 nm～1 μm)数浓度日变化不大,但受大风、降水等天气影响较大,且数浓度的高低将直接影响大气能见度.     

大气模式对气溶胶光学参量反演及分类的影响研究

气溶胶对全球生态系统、物质循环具有重要影响,研究气溶胶光学参量等基础数据反演的准确性意义重大。利用来自欧洲气溶胶研究激光雷达网的4个观测站点(波坦察、莱比锡、里尔、埃武拉)在两次集中观测任务中的数据,对使用不同大气模式的温度、压强数据在反演气溶胶光学参量(消光和后向散射系数)及气溶胶分类中所产生的影响进行研究。结果表明：选用不同的大气模式对气溶胶光学参量进行反演会导致计算结果出现偏差,其中对于Raman法获取气溶胶消光系数的影响较大,在355 nm和532 nm处的最大偏差均可达到～20%。大气气溶胶浓度也会对不同模式的气溶胶光学参量反演结果产生影响,并且随观测波长的不同而有所差异。此外,不同大气模式会使气溶胶激光雷达比以及?ngstr?m指数等与气溶胶类型相关的参量反演结果产生偏差,并最终影响气溶胶的分类。文中研究结果对于揭示大气模式的选取在反演气溶胶光学参量中的重要性以及对于气溶胶分类乃至大气科学的相关研究都具有重要的参考价值。