MODIS卫星遥感AOD反演近地面“湿”消光系数新模型的构建及应用

针对气溶胶含量随高度呈负指数递减这一假设存在的问题,通过对Mie散射激光雷达探测资料的系统分析和总结,论证了Logistic曲线能更好地表征大气消光系数在边界层内的垂直演变特征.在对MODIS卫星遥感气溶胶光学厚度(AOD)系统偏差进行校正的基础上,将大气消光系数的模拟值与实测值之间离差平方和最小作为目标函数,利用小波协方差法计算混合层高度,以订正后的AOD和混合层高度作为约束条件,再用免疫进化算法优化目标函数中的参数,据此提出了MODIS卫星遥感AOD反演近地面"湿"消光系数的新模型.基于成都市2013年6月—2014年5月的MODIS卫星遥感AOD资料及同时次的Mie散射激光雷达探测数据和地面细颗粒物浓度资料的实例分析表明,新模型反演得到的近地面大气"湿"消光系数与近地面细颗粒物质量浓度之间的相关系数在四季均能稳定在0.6以上.     

成都一次霾过程中颗粒物消光作用的垂直变化

基于2017年1月4~7日成都地区一次重霾过程中,颗粒物粒径谱的垂直加密观测和激光雷达同步观测数据,利用Mie散射理论计算颗粒物消光系数并与激光雷达反演结果对比,计算了不同粒径谱颗粒物消光系数以及消光贡献率.分析表明：重霾期间,在不同边界层高度上颗粒物消光系数表现为PM₁ > PM_2.5~10 > PM_1~2.5 > PM _{> 10},其中PM₁的消光贡献率整体上维持在49.5%~69.4%,是本次重霾过程中影响颗粒物消光系数大小的主要因子.在大气边界层内,不同粒径谱颗粒物消光作用呈现出显著垂直变化和昼夜差异,白天在600m以下和700~1100m之间颗粒物消光系数出现高值区;夜间颗粒物消光系数整体上随高度呈现出明显递减趋势,在1100m处出现高值.此外,夜间在200m以下颗粒物消光系数明显大于白天,且PM_>1的消光贡献率也明显大于白天.整体上,PM₁消光贡献率随高度递增,而PM_>1消光贡献率随高度递减.     

南京仙林地区近地表消光系数变化及影响因素研究

利用设置在同一地点的气象仪器、大气颗粒物监测仪以及532 nm米散射激光雷达进行为期14个月的同步观测。采用Fernald方法反演得到不同高度的气溶胶消光系数,得出了南京仙林地区不同高度消光系数的小时变化曲线、全年垂直廓线、不同季节不同高度消光系数小时变化曲线以及不同季节消光系数垂直廓线。结果显示除夏季外别的季节近地表大气不同程度受到逆温层影响。不同季节不同高度的消光系数日变化有差异,由于对流作用强,夏季2 km高度消光系数日变化非常小。近地表消光系数和PM2.5相关性达0.68,湿度以及温度通过影响PM2.5的形成进而影响消光系数。亚热带季风气候对于城市大气污染影响显著。降水可以有效降低城市大气污染水平。     

基于logistic曲线识别混合层高度的新方法

基于成都市2013年6月至2014年2月Mie散射激光雷达探测数据的分析表明,混合层顶附近大气消光系数自下而上均存在显著下降区、整体缓变区以及二者之间的过渡区.利用logistic曲线对上述变化特征进行拟合,通过计算该曲线曲率最大值对应的高度,据此提出识别混合层高度的新方法.该方法的设计思想符合混合层的定义,即为湍流特征不连续界面以下湍流充分发展的气层;另外,相应的计算结果不仅和探空曲线得到的混合层高度总体一致,也与地面细颗粒物浓度的变化特征保持高度的相关.     

大气消光系数垂直分布模型及其适用性研究

大气消光系数垂直分布模型是利用卫星反演近地面颗粒物质量浓度的关键技术环节,同时也是分析边界层湍流场结构的重要途径,但其适用性问题至今尚不清晰.基于Logistic曲线模拟大气消光系数廓线的初步研究成果,结合太阳光度计（CE-318）观测的大气光学厚度（AOD）资料以及近地面能见度数据,提出了大气消光系数垂直分布Logistic模型的参数计算方法.针对成都市2013年6月~2014年5月期间的实例应用结果表明,在不稳定和中性层结条件下,Logistic模型和目前通用的负指数模型对大气消光系数垂直分布的模拟效果总体相当;但在持续稳定层结条件下,Logistic模型的模拟效果则显著占优.进一步分析指出,大气消光系数垂直分布Logistic模型更优的适用性主要在于其对近地层大气消光的复杂垂直形态具有良好的表征能力.     

成都市污染边界层高度的演变特征分析

基于2014年1月21日至2月5日成都市人民南路四段逐时PM_(2.5)质量浓度、大气能见度资料以及同期Mie散射激光雷达探测数据,遵循消光系数与细颗粒物质量浓度之间的关系,探讨污染边界层高度的演变特征。结果表明:污染时段内的污染边界层高度偏低,平均为221m;污染边界层高度与地面PM_(2.5)浓度的变化具有明显相关性,但污染边界层高度改变在前,地面PM_(2.5)浓度响应在后;污染边界层高度的日变化表现为单峰单谷型,峰值和谷值分别出现在08:00时和14:00时前后。     

西安泾河夏季黑碳气溶胶及其吸收特性的观测研究

为研究西安泾河夏季黑碳气溶胶及其吸收特性,利用2011年夏季西安远郊泾河大气成分站观测的黑碳气溶胶浓度、颗粒物质量浓度、探空资料、地面气象资料,计算边界层顶高度、气溶胶吸收系数、大气消光系数,导出单次散射反照率,并对其进行分析讨论.结果表明:西安夏季黑碳气溶胶浓度为6.07μg/m3;黑碳气溶胶占颗粒物质量浓度PM1.0比值为21.9%,黑碳气溶胶与颗粒物质量浓度PM1.0、PM2.5、PM10相关系数分别为0.69、0.85、0.91;黑碳气溶胶浓度受城市边界层顶高度影响,风向、风速对泾河黑碳气溶胶的堆积输送有不同作用;气溶胶吸收系数和大气消光系数日变化显著,气溶胶吸收系数占大气消光系数比值范围在12%~30%;季单次散射反照率平均值为0.76,变化范围在0.70~0.84.     

北京地区大气温湿廓线对气溶胶垂直分布的影响

目的分析北京地区大气温湿廓线对气溶胶垂直分布的影响。方法利用北京地区2017年9月至2018年8月每日两次(08时和20时)的气象探空、地面PM_(2.5)浓度和气溶胶激光雷达消光系数资料,分析不同污染条件下大气温湿廓线与气溶胶消光系数廓线的关系。结果地面PM_(2.5)浓度和210m气溶胶消光系数的相关系数达到0.77。春季、秋季和冬季污染条件下的近地面消光系数约是清洁条件下的5倍,夏季污染条件下的近地面消光系数约是清洁条件下的3倍。相比清洁条件下,污染条件下各季节的大气温度垂直递减率偏小,并且低层大气相对湿度偏大。结论大气温度廓线代表大气层结稳定性,影响气溶胶的扩散高度,而相对湿度廓线与气溶胶吸湿增长密切相关,两者对气溶胶消光系数的垂直分布都有重要影响。     

多遥感设备联用在区域空气质量变化与边界层结构关系研究中的应用

为研究佛山地区空气质量变化与边界层结构的关系,2015年10-12月在佛山地区3个站点同步开展了多台风廓线雷达、激光雷达、微波辐射计联用的大气边界层结构观测实验.结果表明:风廓线雷达探测可获得平均风场垂直分布的连续变化,发现佛山地区风场垂直分层结构明显,空气污染与近地小风层厚度的相关性较强.激光雷达探测可获得颗粒物消光特性垂直分布的连续变化,发现佛山地区颗粒物消光特性与大气边界层结构有密切关系,空气质量指数(AQI)变化与颗粒物激光雷达探测反演的边界层高度相关性较高,相关系数为-0.58.微波辐射计探测可获得平均温度、相对湿度垂直分布的连续变化,逆温和相对湿度变化对边界层日变化及空气污染成因分析有较高的价值.通过多设备联合探测,可同时获得研究地区平均风场垂直分布特征、颗粒物浓度变化特征、逆温和相对湿度的变化特征.多设备联合探测,有利于区域空气质量变化与边界层结构关系机理研究,对区域空气质量变化的预测预报有重要作用.     

广州城区冬季大气边界层气溶胶激光雷达探测

激光雷达是大气边界层气溶胶和云的一个高效探测工具。2010年12月利用Mie散射激光雷达对广州城区冬季大气边界层进行系统观测,分析讨论了测站地域上空大气气溶胶的消光系数垂直分布和时间变化的主要特征。结果表明:冬季广州大气边界层气溶胶主要分布在1100m以下区域,气溶胶分布具有多层结构;大气边界层高度稳定分布在500~620m左右,边界层高度日变化不明显;冬季广州气溶胶源较为稳定并且变化慢;广州城区气溶胶浓度白天比晚上大,峰值出现11颐00~14颐00左右,谷值出现在20颐00左右。     

激光遥测大气尘埃质量浓度的理论分析

本文通过Mie散射理论计算,分析了在一定条件下,由激光遥测大气尘埃的消光系数,可进一步获得大气尘埃质量浓度;讨论了大气湿度对激光探测大气尘埃质量浓度的影响。     

不同气象条件下的气溶胶时空分布特征

利用2012年3月20—24日的激光雷达回波数据和粒子计数器采样的气溶胶数浓度数据,分析了测点近地面及其上空的气溶胶垂直消光系数、数浓度等时空分布特征,研究了风向、风速、RH(相对湿度)对近地面气溶胶分布的影响. 结果表明:①阴霾天气气溶胶垂直消光系数在0.01～1.0之间,边界层高度在1km以下,到达边界层顶时消光系数产生突变;晴天气溶胶垂直消光系数在0.01~0.2之间,边界层高度在1.5~2.5km. ②阴霾天和晴天中近地面气溶胶数浓度变化规律一致,上午08:00左右开始增加,随温度升高呈下降态势,在傍晚达最小值后又略微增长并产生次高峰,夜间继续呈下降趋势. ③风向为东北偏东风时大气气溶胶的数浓度较大;风速增大,有利于气溶胶垂直输送和扩散,导致气溶胶数浓度减小. ④气-粒转化过程中,RH增大有利于气溶胶粒子由爱根核向积聚模态凝结. ⑤RH较小时,其与气溶胶数浓度呈正相关,而当RH增至74%时二者呈负相关.      

广州旱季双高污染及消光系数垂直分布特征

利用2017年12月6日～2018年1月3日地面常规气象资料、空气质量6参数、光化辐射资料、气溶胶吸收和散射系数、单次散射反照率、激光雷达反演的气溶胶消光系数与退偏比数据,分析广州地区气象参数变化对污染物浓度的影响和气溶胶对光化辐射的衰减,研究双高(高气溶胶与高O3)污染的形成机理,并从垂直角度探究了双高日边界层内消光...     

石家庄冬季典型污染过程气溶胶激光雷达观测

基于2016年冬季石家庄市微脉冲气溶胶激光雷达观测资料,采用归一化梯度法和梯度法两种方法反演了大气污染边界层高度,并将结果与相同时段探空资料获得的边界层高度进行对比验证,同时选取典型个例对污染边界层高度的过程演变特征进行了分析,探索了不同污染等级下污染边界层结构.结果表明,归一化、梯度法反演结果均与探空位温确定的边界层高度存在一致性,相关系数分别为0.62、0.55,均通过了0.05的显著性检验,但归一化相对误差为19%,梯度法为34%,表明归一化梯度法优于梯度法且其反演结果是可靠的.空气质量优良日,归一化梯度法反演结果准确度降低,与位温确定边界层高度最大偏差约1000m;随着污染程度加重,反演结果与位温确定边界层高度差减小,污染期间,污染边界层高度总体低于1000m,污染最重时段降到400m左右.不同空气质量等级、不同高度气溶胶消光系数垂直递减率具有明显差异,污染天气400m高度垂直递减率最大,表明该层以下为较重污染聚积层,之后随高度升高消光系数明显减小,700m以上为清洁空气.     

石家庄冬季典型污染过程气溶胶激光雷达观测

基于2016年冬季石家庄市微脉冲气溶胶激光雷达观测资料,采用归一化梯度法和梯度法两种方法反演了大气污染边界层高度,并将结果与相同时段探空资料获得的边界层高度进行对比验证,同时选取典型个例对污染边界层高度的过程演变特征进行了分析,探索了不同污染等级下污染边界层结构.结果表明,归一化、梯度法反演结果均与探空位温确定的边界层高度存在一致性,相关系数分别为0.62、0.55,均通过了0.05的显著性检验,但归一化相对误差为19%,梯度法为34%,表明归一化梯度法优于梯度法且其反演结果是可靠的.空气质量优良日,归一化梯度法反演结果准确度降低,与位温确定边界层高度最大偏差约1000m;随着污染程度加重,反演结果与位温确定边界层高度差减小,污染期间,污染边界层高度总体低于1000m,污染最重时段降到400m左右.不同空气质量等级、不同高度气溶胶消光系数垂直递减率具有明显差异,污染天气400m高度垂直递减率最大,表明该层以下为较重污染聚积层,之后随高度升高消光系数明显减小,700m以上为清洁空气.     

夜间近地表臭氧观测

2018年12月15~18日使用激光雷达在河北望都观测气溶胶与O₃,利用气溶胶消光系数廓线判断边界层的变化,进而研究大气边界层对于近地表层（300m）O₃浓度的影响.结果表明,边界层主要影响O₃的干沉降以及高空O₃的垂直输送,在受本地污染控制时,近地表O₃浓度受干沉降控制明显,随着边界层高度的下降而减少;西北地区气团占主导时,O₃浓度主要受水平传输以及高空垂直输送影响.     

基于激光雷达的北京市气溶胶光学参数季节特征

利用米散射激光雷达ALS300系统在北京城区开展了为期近1年的观测,观测时间为2009年6月~2010年5月份.先将观测数据划分为春(3~5月份)、夏(6~8月份)、秋(9~11月份)、冬(12~2月份)四个季节,再对数据进行质量控制.研究了气溶胶后向散射系数、消光系数以及气溶胶光学厚度AOT和大气边界层的日均值变化特征,以及这些要素的季节和全年特征统计值.结果表明,气溶胶消光系数和后向散射系数的日平均变化形态趋于相同,数量上消光系数是后向散射系数的约10倍.它们的季节平均值廓线形态结构也并没有呈现出明显的季节性结构特征差异,2个系数最大递减均发生在1km高度范围内.在0.15~3.0km高度范围做垂直平均,夏季的后向散射系数和消光系数有最大平均值(分别为31.2Mm^-1·sr^-1和517.0Mm^-1),说明夏季有较强对流.冬季后向散射系数和消光系数最低.对于冬、春2个季节,700m高度是2个量大小分化的高度.700m高度以上,春季的后向散射系数和消光系数均大于冬季.AOT和大气边界层高度的日均值波动特性明显,日均值最大振幅出现在春季.月平均来说,在春季,气溶胶层高度和边界层高度最高(分别为3450m和970m),冬季最低(分别为2970m和712m).春、夏季节AOT波动变化大,而在秋季和冬季变化比较平缓.春夏秋冬4个季节的平均气溶胶光学厚度分别是0.689、0.699、0.571和0.647.