基于地基GPS层析大气水汽资源的方法研究

大气水汽资源作为一种潜在的水资源,对实现淡水资源的可持续利用具有重要的战略意义。地基GPS层析大气水汽技术为研究大气水汽资源的三维分布提供了定量依据,对于合理开发利用大气水汽资源具有重要意义。论文介绍了地基GPS层析大气水汽技术的基本原理;层析网格的划分是地基GPS层析大气水汽技术的关键问题,文中对国内外地基GPS层析网格划分方法进行了论述,并总结了该技术普遍使用的3种模型,即对流层模型化算法、一般算法和Kalm an滤波法;最后提出地基GPS层析大气水汽技术中存在的问题,并对该技术未来发展方向给出了建议。     

Historical and Future Stream Temperature Change Predicted by a Lidar‐Based Assessment of Riparian Condition and Channel Width

Riparian forests attenuate solar radiation, thereby mediating an important component of the thermal budget of streams. Here, we investigate the relationship between riparian degradation, stream temperature, and channel width in the Chehalis River Basin, Washington State. We used lidar data to measure canopy opening angle, the angle formed between the channel center and trees on both banks; we assumed historical tree heights and calculated the change in canopy angle relative to historical conditions. We then developed an empirical relationship between canopy angle and water temperature using existing data, and simulated temperatures between 2002 and 2080 by combining a tree growth model with climate change scenarios from the NorWeST regional prediction. The greatest change between historical and current conditions (~7°C) occurred in developed portions of the river network, with the highest values of change predicted at channel widths less than ~40 m. Tree growth lessened climate change increases in maximum temperature and the length of river exceeding biologically critical thresholds by ~50%–60%. Moreover, the maximum temperature of channels with bankfull widths less than ~50 m remained similar to current conditions, despite climate change increases. Our findings are consistent with a possible role for the riparian landscape in explaining the low sensitivity of stream temperatures to air temperatures observed in some small mountain streams.     

一次强沙尘输送过程中气溶胶垂直分布特征研究

采用CALIPSO卫星的星载激光雷达资料,分析了2007年3月28日~4月2日由西向东途经新疆、青海、甘肃、内蒙古、宁夏、陕西、山西、河北、北京、山东、江苏、上海、台湾等省、市、自治区的一次远程强沙尘污染传输过程,对后向散射系数、退偏比、色比等光学特性参数进行了研究.结果表明,这次过程中,较大的沙尘颗粒大多出现在近地面附近,而相对小的沙尘颗粒在对流层中高层垂直剖面上分布比较均匀.CALIPSO卫星资料能够较好地反映强沙尘远程传输过程中沙尘气溶胶光学特性的垂直分布特征及其粒子大小、不规则性随高度的变化特征.     

北京2013年1月连续强霾过程的污染特征及成因分析

以北京市2013年1月份连续灰霾天气中10~16日的强霾污染过程为例,利用MPL-4B型IDS系列微脉冲激光雷达观测资料由Fernald算法反演得到此次污染过程中气溶胶垂直分布特性,结合地面气象条件和天气形势分析污染原因,并讨论与气溶胶地面监测数据的符合性.结果表明:此次连续强霾过程污染严重,观测时段内89.4%的时间出现霾,39.8%的污染时段达到重度霾级别,其中大气地表消光系数与PM2.5浓度变化呈显著线性相关关系,相关系数达0.95.研究过程内,大气边界层在91%的时段低于500m,平均仅为293m,低边界层抑制了污染物的有效扩散;近地面垂向各高度的消光系数持续达到1.5km-1以上,对比气溶胶退偏比发现城市上空的大气强消光为气溶胶颗粒物和大气水分共同导致;气溶胶光学厚度(AOD,532nm)较大,有83.6%的时段超过1,且受相对湿度影响较大,相对湿度偏小时段的AOD值主要为气溶胶颗粒贡献,相对湿度较大时段,细颗粒物吸湿增长导致AOD受大气水分干扰显著.连续静稳的天气形势和区域污染是导致此次强霾发生和持续的主要原因,高湿天气则加剧了灰霾状况.     

天地一体化遥感监测大气污染技术进展

天地一体化遥感监测技术通过地基和卫星融合互补,成为研究大气污染来源、传输和影响的重要方法.但目前国外主导的地基和卫星遥感算法不适应国内复杂大气环境,其数据可靠性尚需验证.为进一步推动国内大气研究自主性,厘清天地一体化遥感监测技术发展现状,对相应的平台建设、算法研发及应用实例进行介绍.结果表明:①可通过地基观测网络实时连续监测大气污染物的浓度（柱总量）/廓线信息,目前国内组建并运行了CNEMC空气质量监测网络和USTC地基遥感网络.②可通过紫外-可见波段卫星载荷获取全球/区域尺度大气污染物的浓度（柱总量）/廓线产品,GF-5搭载的EMI填补了国内该类载荷的空白,基于DOAS（BOAS）的柱总量反演算法、基于OE的垂直廓线反演算法是当下国际主流业务算法.③天地一体化遥感监测技术以高精度、广覆盖、准定位的优势得到快速发展,可为亟需解决的大气污染治理成效评估、作用机理研究、区域传输测算及精准溯源等难题提供技术支持.研究显示,天地一体化遥感监测技术需以应用化和业务化为导向,加快观测平台硬件建设,加强相关反演算法研发,深入融合多平台数据,全面推进大气遥感监测技术的立体化和系统化发展.      

基于颗粒物光量子雷达的颗粒物排放实时溯源及应用

在大气污染治理中,传统探测方式在局地大气颗粒物排放源的精准定位和实时溯源方面还有所不足。自主研发的1 550 nm波长颗粒物光量子雷达,具备探测效率高、人眼安全等特点,360°水平扫描一周仅需8.5 min。基于该雷达水平扫描监测,结合迭代拼接法和新发展的颗粒物示踪系数及污染源定位方法,可准确识别并定位出当地的污染排放源位置。对于部分污染排放定位溯源案例,结合多图展现并分析了颗粒物排放、扩散、传输、消散过程中的烟羽变化,并结合卫星图像确认了相应工业生产和建筑扬尘等典型颗粒物排放源。地面监测数据分析了部分污染源对监测站点颗粒物浓度的影响。该雷达通过低仰角、可重复性的快速扫描,结合符合颗粒物扩散规律的分析过程,在颗粒物污染实时溯源定位方面展现了极高的准确性。     

冷高压影响下高层水平输送对珠海市三维臭氧浓度分布的影响分析

采用地基激光雷达系统测量了近地层臭氧、气溶胶消光系数和风场的垂直分布,研究了2021年11月一次典型臭氧污染过程的时空分布特征.11月16日—17日,在弱冷高压脊天气型下,以下沉气流为主,天气晴好,有利于臭氧生成,在下沉气流主导下,高层气团输送对污染物的分布起决定性作用.其中700 m高度以上气团来源是影响16日与17日臭氧浓度峰值出现时间的重要因子,当该高度气团来自洁净海面时,造成珠海臭氧污染的主要是低层深圳输送的臭氧,臭氧往往停留在珠江口,由夜间海风输送到珠海,污染发生的时间在傍晚,持续到夜间消散;而当该高度气团与低层一样来自于深圳、东莞时,各个高度的气团均携带上游城市生成的污染物,可在下沉气流的作用下直接达到地面,造成污染,污染发生的时间在午后,在本研究中由于下沉气流加强,进一步加强了海陆风,从而使臭氧在17日傍晚得到很好的清除.     

基于陆基遥感研究降雨过程对人民渠水质影响

利用监测频率为1min的陆基高光谱水质遥感监测仪于2021年9月24日～11月18日在四川德阳人民渠对浊度、悬浮物、总磷等关键水质参数开展连续监测,精细刻画了水质分钟级的动态变化特征,并结合逐时降水数据探究了不同雨强对人民渠水质的影响.结果显示:降雨量与浊度(r=0.82,P<0.001)、悬浮物(r=0.88,P<0.001)和总磷浓度(r=0.81,P<0.001)均存在极显著正相关,而降雨量与总氮浓度(r=0.39,P=0.07)存在正相关但相关性不显著.当小雨时,降雨量少,没有形成明显的地表径流,河流水质几乎不受影响;大雨及暴雨时,地表径流的形成造成浊度、悬浮物和总磷浓度显著增加,总氮浓度增长幅度则较为平缓.通过高频水质数据可以精细刻画从高强度降雨发生到引发流域氮磷污染物大通量、脉冲式输入再到水质短期剧烈变化这一关键流域污染过程,研究结果为高强度降雨频发地区和未来极端降雨增加情景下流域的污染物控制和综合治理措施提供科学依据.     

2018年中国长江三角洲地区气溶胶的垂直分布特征

利用主动式遥感卫星云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星观测(CALIPSO)提供的激光雷达资料,重点分析了2017-12～2018-11中国长江三角洲地区对流层大气中532 nm气溶胶消光系数,气溶胶退偏比,气溶胶色比以及各类型气溶胶的时空变化特征.对气溶胶的光学参数随高度变化的研究表明,与对流层高空相比,一般在对流层低空中气溶胶消光能力更强,气溶胶粒子更规则,气溶胶粒径更小.对气溶胶的光学参数随季节变化的研究表明,与冬春季相比,一般夏秋季在对流层高空中气溶胶消光能力更强,在2 km以下气溶胶粒子更规则,在对流层高空中气溶胶粒径的范围更大.长江三角洲地区全年中污染沙尘气溶胶出现的频率最高,为37. 481 6%,夏秋季烟尘、污染大陆与洁净海洋气溶胶出现的频率比冬春季高,而夏秋季沙漠沙尘气溶胶出现的频率相对较低.     

基于激光雷达分析一次重霾过程混合层高度

为深化对冬季重霾天气大气混合层高度的认识,利用Mie散射激光雷达观测了成都市2014年1月23日至2月4日一次典型重霾天气过程。基于Mie散射激光雷达探测获取的后向散射系数,使用SBH99算法计算了该过程的混合层高度,并系统分析其演变特征及其与气象因子的关系,研究结果表明:将激光雷达探测的混合层高度与探空曲线表征出的混合层高度进行对比分析,结果显示两者具有较好的一致性,相关系数为0.893 4;此次重霾过程中,混合层高度平均值较低,约378 m;霾天气发生后,混合层高度显著下降,并且混合层高度的最大值与最小值之间差距缩小,日变化波动不明显;混合层高度的发展与空气温度的变化趋势呈正相关关系,与相对湿度呈负相关关系。