灰霾污染状况下气溶胶组分及辐射效应的遥感估算

本文利用地基遥感观测数据和气溶胶模型,分析了北京地区2013年1月份灰霾期间气溶胶中不同成分的光学与物理化学特性,并使用大气辐射传输模式估算了气溶胶中不同成分对直接辐射强迫的贡献。结果显示,在严重灰霾时期,大气中的硫酸盐等水溶性气溶胶光学厚度（440nm）显著增加,对气溶胶光学厚度的贡献达到70%以上,同时黑碳气溶胶对总光学厚度（440nm）的贡献也呈现增长趋势,是晴朗天气下的8倍以上。严重灰霾（28日）时气溶胶的直接辐射强迫显著增加,但气溶胶中不同成分对辐射效应的贡献不同,黑碳成分在气溶胶对大气层的辐射强迫中占主要贡献（57%）,而水溶性成分则在气溶胶对地表的辐射强迫中占主要贡献（60%）。     

基于地基遥感的灰霾气溶胶光学及微物理特性观测

近年来北京地区冬季频繁遭受灰霾污染的侵袭,在2013年1月又出现了长时间、大范围的严重灰霾污染天气,引发广泛关注和热议。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,本文基于地基太阳-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月份第二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期间,气溶胶光学厚度较大,在440 nm处均值达到0.87,在个别严重污染天气下高达3左右;（2）气溶胶光学与物理参数与灰霾过程密切相关,Ångström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0.43 μm。     

2013年1月华北灰霾气溶胶光学特性的垂直分布

利用Cloud-Aerosol Li DAR with Orthogonal Polarization(CALIOP)正交极化云—气溶胶激光雷达资料、Aerosol Robotic Network(AERONET)气溶胶观测资料、地面常规气象观测资料和Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory(HYSPLIT)模式分析了2013年1月份华北地区的3次中重度灰霾天气过程,着重对灰霾天气过程中大气气溶胶的衰减后向散射系数、退偏比和色比等光学参数的垂直分布进行了研究。结果表明,2013年1月份华北地区灰霾天气发生时,低层大气(2 km)以下污染最严重,存在大量的气溶胶粒子。1月29日重度灰霾时气溶胶的后向散射系数增大至0.0045 km-1·sr-1,退偏比大于20%,0—8 km高度范围内的色比值大于100%的比例约为36.3%;气溶胶光学厚度从0.2增大至2.1,Angstrom指数由1.4降至0.9,表明气溶胶光学厚度增加的同时,大气中混合的粗粒子气溶胶比重增加。HYSPLIT后向轨迹模拟结果显示:500 m、1000 m和1500 m 3个高度的气流均途经蒙古国、中国内蒙古自治区、西北地区,最后影响华北地区,表明这次灰霾污染事件除受本地排放的气溶胶粒子影响,还受到源于蒙古国、内蒙古、中国西北部地区远程输送的沙尘影响。     

结合地基激光雷达和太阳辐射计的气溶胶垂直分布观测

选取2013年1月灰霾和2月晴好天进行气溶胶垂直分布的雷达观测研究,并对不同高度气溶胶消光系数进行对比分析。结果显示在研究时间段内,晴好天时气溶胶的垂直分布不均匀,易出现垂直分层现象,而灰霾天时气溶胶主要集中在垂直高度1km以下,基本无分层现象。对比分析显示,严重灰霾天时气溶胶消光系数较大,在400米高度可达到中度污染天的5倍,以及晴好天的50倍。此外,整层大气的气溶胶光学厚度与400米处消光具有较好的相关性。     

查找表方法确定气溶胶类型

针对传统气溶胶类型确定方法的局限性以及当前气溶胶类型确定存在的困难,提出一种使用多波段气溶胶光学厚度数据确定气溶胶类型的方法。基于大气颗粒物的散射与吸收特性分析,通过构建查找表的方法实现气溶胶类型的确定。该方法利用Mie散射理论通过正向模拟不同类型气溶胶粒子数量与多波段光学厚度之间的关系来构建查找表,基于该查找表,使用440 nm、670 nm、870 nm及1020 nm 4个波段的气溶胶光学厚度确定气溶胶类型。使用模拟的多波段气溶胶光学厚度数据开展了气溶胶类型的确定实验,分析了不同波段气溶胶光学厚度误差对气溶胶类型确定结果的影响。结果表明,该方法可根据4个波段的气溶胶光学厚度以较高的精度确定出沙尘性、水溶性和煤烟3种气溶胶粒子的数量,从而确定气溶胶类型。     

利用HJ-1 CCD高分辨率传感器反演灰霾气溶胶光学厚度

霾已成为目前我国城市地区主要的空气污染现象,且近年来呈多发趋势。卫星遥感是获取大范围观测数据的必要手段,可对大气灰霾污染的分布区域及强度进行快速监测,弥补传统监测手段的不足。我国发射的环境小卫星（HJ1）由于其高的空间分辨率、较高的时间分辨率和宽覆盖的特点,在环境监测方面可发挥很大的作用。本文在假设短时间内地表反射率稳定的基础上,用HJ1-CCD影像蓝绿两个波段数据反演2013年1月份北京市区灰霾天气的气溶胶光学厚度,对环境小卫星在灰霾天气的应用情况进行评价,并分析了高分辨率卫星遥感在灰霾监测中的可行性及优势     

利用细模态气溶胶光学厚度估计PM2.5

本文利用2013年1月AERONET北京站的气溶胶光学深度(AOD)、气溶胶细模态比例(η)以及地面监测的细颗粒物质量浓度(PM2.5)数据建立AODf与PM2.5的线性回归关系,并利用2013年2月1-15日验证该方法。结果表明,利用2013年1月建立的回归方法能够有效估算灰霾期间细颗粒物质量浓度,获得PM2.5的均值为85μg/m3,均方根误差为50μg/m3。利用气溶胶细模态订正方法估算的灰霾组分气溶胶光学深度(AODf)与细颗粒物质量浓度的相关系数大于气溶胶总光学深度与PM2.5的相关系数,这表明灰霾期间以PM2.5为代表的细模态颗粒物成为气溶胶消光的主体,且AOD与PM2.5的关系转化为AODf与PM2.5的相关关系时,相关程度提高。垂直分布修正在灰霾时对改善AOD与PM2.5相关关系作用不明显;当相对湿度大于80%时,湿度订正效果受到较大限制。     

北京区域2013严重灰霾污染的主被动遥感监测

灰霾造成的严重大气污染受到人们越来越多的重视。结合2013年1月北京严重灰霾污染事件,介绍了太阳-天空辐射计、激光雷达、多波段CCD相机等遥感监测手段,分析了地-空基、主-被动等遥感方法获得的灰霾气溶胶特性遥感结果,讨论了不同遥感监测手段的特点及联合使用,结果表明：主动遥感手段在严重污染、夜间等情况下具有观测优势,而被动遥感信息含量大,具有获得气溶胶复杂特性参数的能力;地面遥感点、垂直分布线监测数据与卫星遥感的面观测数据相结合,可以初步实现灰霾的主被动遥感立体监测。     

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。     

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,气溶胶可简化为五种成分组成：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-太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五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73 mg/m2;而清洁天气下分别为4,4,29,78和6 mg/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。     

基于遥感的上海地区雾霾监测研究

以中分辨率成像光谱仪(MODIS)遥感数据为数据源,综合利用6S传输模型与NASA V5.2算法对2013年12月4日至8日上海地区雾霾污染进行了连续性监测,并对其形成原因进行分析。结果表明,此次雾霾污染主要是由本地生产和外地迁移来源共同作用形成,上海地区气溶胶光学厚度在12月6日达到最大,雾霾污染区域逐渐从上海地区的西北向东南扩散,污染等级也逐渐降低。     

中国北方地区春季气溶胶光学特性地基遥感研究

基于中国北方地区地基太阳直接/散射辐射计观测,分析了2001年春季气溶胶光学厚度、尺度和吸收特性。沙尘期间,气溶胶光学厚度显著升高,而尺度上升,粗粒子浓度显著增加,大气气溶胶表现出中性或异常消光特征。除沙尘活动之外,中国华北地区人为排放也是导致气溶胶光学厚度偏高的一个重要原因。中国沙尘源区气溶胶单次散射反照率小于以往观测和模式结果。北京和香河两地气溶胶光学厚度、Angstrom指数和尺度谱基本相似,说明华北地区人为排放与沙尘活动类似,也表现出区域尺度的特点。由于沙尘气溶胶与人为排放气溶胶相比,折射指数实部偏大、虚部偏小,从而北京地区沙尘期间单次散射反照率明显大于非沙尘期间,特别是在近红外波段,说明沙尘活动不仅可以通过增加气溶胶光学厚度,同时也通过改变气溶胶物理、辐射特性来影响下游地区的气溶胶辐射强迫。     

Retrieval of Brown Carbon based on the aerosol complex refractive indices in the winter of Wuhan

Abstract

The impact of Brown Carbon (BrC) to aerosol light absorption has been paid more attention recently and there are a large number of studies showing that the influence of BrC on radiative forcing should not be ignored. BrC also acts as an important component of haze pollution which is occurring frequently in Wuhan, China. Therefore, it is essential to estimate their optical properties, composition, and mass concentration. Considering most haze pollution happens during the coldest time, we retrieved BrC columnar content during winter in Wuhan for the first time. Our method bases on the fact that BrC showed the strong spectral dependence on UV-light absorption. Using this method, we found that BrC makes up the small proportions of total aerosol volume (less than 10%). In the winter of 2011, we retrieved the daily-averaged columnar-integrated mass concentration of BrC on clear day is 4.353 mg/m² while that of haze day is 12.750 mg/m². According to the sensitivity study, we found that the results highly relied on the assumed aerosol refractive index. To reduce the uncertainty of this approach, we need to gain a better understanding of the temporal variability of the radiation absorbing components of these aerosols in the future.     

利用深蓝算法从HJ-1数据反演陆地气溶胶

大气气溶胶是环境空气污染监测的重要指标,在利用环境一号卫星CCD相机进行气溶胶监测时,暗目标法和结构函数法都有相应的不足。本文从Hsu等人(2004)提出的深蓝算法出发,以MODIS的地表反射率产品为基础建立反射率库,并利用地面观测数据分析了各种典型地物在CCD相机与MODIS蓝波段反射率之间关系,提出了将MODIS地表反射率修正到CCD相机的方法,进而实现地气解耦,反演气溶胶光学厚度。选择北京地区为实验区,进行了算法实验,并用AERONET/PHOTONS北京站的数据进行了验证,结果表明,(1)光学厚度较大时(>0.5),深蓝算法精度能够较好的满足环境一号卫星CCD相机对气溶胶日常监测的要求;(2)气溶胶模式会对结果产生较大的影响,尤其是城市型气溶胶。