（大气物理学与大气环境专业论文）卫星遥感中国近海气溶胶光学特性研究.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所傲的贡献均己在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名耋迦趁 日 期：瑚晦羁 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：麴诱 日 期：五理缓醛目 摘要 大气气溶胶在地球辐射平衡中扮演很重要的角色。气溶胶不但通过散射和 吸收太阳辐射影响气候( 直接强迫) ，而且还会影响到云的形成及性质( 间接强 迫) 。中国近海受亚洲大陆影响，存在多种来源的气溶胶成份，是亚洲陆源气溶 胶向西北太平洋输送的主要通道，因而开展海上大气气溶胶时间和地理分布特 征的研究能更准确地确定其来源和输送过程。近年来，亚洲尤其是中国近海气 溶胶的物理化学特性及其对气候和环境的影响己成为目前大气科学研究中的关 键问题之一。 本文利用具有较高分辨率的t e r r a m o d i s 资料实现了中国近海上空气溶 胶反演算法，取得的主要研究结果如下： 1 ) 利用双通道算法和i m a p p 软件分别反演了中国近海的气溶胶光学厚度和 a n g s t r o m 指数，并将反演得到的光学厚度结果分别与a e r o n e t 的观测资料进行 对比分析，验证反演结果的精度，进一步验证了这两种方法对广阔海域反演的 可行性和可信度。 2 ) 在a e r o n e t 的首尔站和大阪站及中国近海各个海域分别对双通道算法 和i m a p p 反演的光学厚度结果作了对比分析，结果表明：在广阔海域，两者反 演结果的相关性较好。 3 ) 综合应用这两种方法，对中国近海的光学厚度反演结果和表征粒子谱宽 度的a n g s t r 6 m 指数的变化情况进行了分析，结合气块后向轨迹分析和卫星遥感 图像的对比分析，结果表明：两者在东海和日本以南等广阔海域气溶胶光学厚 度的反演结果基本一致；在渤海和黄海近海岸一带气溶胶光学厚度的反演值偏 高，其原因主要是由这些海域的二类水体的影响导致的。 4 ) 目前双通道算法和i m a p p 软件中气溶胶的反演算法均针对气溶胶的全 球分布而设计，其反演算法中气溶胶的输入参量无法准确反映中国近海气溶胶 的快速多变的时空分布特征，渤海和黄海的部分海域均为二类水体，因为二类 水体反射率计算的复杂性，直接采用气溶胶反演算法会产生很大的反演误差， 因此反演结果还有待改进。进一步探讨分析了这些海域的水域特征及光学特性， 为研究发展适合中国近海气溶胶特性的反演算法提供了依据。 关键词：气溶胶光学厚度，a n g s t r 6 m 指数，卫星遥感，m o d i s ，双通道气溶胶反 演算法，中国近海 a b s t r a c t t h ea t m o s p h e r i ca e r o s o l sp l a ya 1 1i m p o r t a n tr o l ei ne a r t hr a d i a t i o nb a l a r l c e a e r o s o l sd i r e c t l yi n f l u e n c et h ec l i m a t eb ys c a t t e r i n gs o l a rr a d i a t i o n sb a c kt os p a c e a n da b s o r b i n gs o l a rr a d i a t i o n s ，a l s oi n d i r e c t l yi n f l u e n c et h ec l o u df o r m i n ga n d m i c r o p h y s i c s f o rt h et 埘u e n c eo fa s i a nc o m i n e n t t h e r ee x i s tm u l t i s o u r c ea e r o s o l s 血e a s tc h i n as e a w h i c hi st h em a i nt r a n s p o r t a t i o nc h a r m e lf r o n la s i at on o r t h w e s t p a c ：i t i co c e a n s ot h es o u r c ea n dt r a n s p o r t a t i o np r o c e s so fa e r o s o lc a nb ee x a c t l y c o n f i r m e db yd e v e l o p i n gt h er e s e a r c ho ni t st e m p o r a la n ds p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s t h e p h v s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fa e r o s o lo v e ra s i ae s p e c i a l l yi ne a s tc h i n a s e aa n dt h ei n f l u e n c e0 1 3 c l i m a t ea n de n v i r o n m e n th a sb e e no n eo ft h em o s t i m p o r t a n ti s s u e si nt h er e s e a r c ho na t m o s p h e r i cs c i e n c ei nr e c e n ty e a r s t h em a i nw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni s i m p l e m e n t i n g 也ea e r o s o lr e t r i e v a l a l g o r i t h mo v e re a s tc h i r l as e a t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 1a e r o s o lo p t i c a ld e p t ha n da n g s t r o me x p o n e n to v e re a s tc h i n as e aa r er e t r i e y e d b vt w o c h a n n e la e r o s o lr e t r i e v a la l g o r i t h ma n di m a p pr e s p e c t i v e l y t h e r e t r i e v e da e r o s 0 1o p f i c a ld e p t ha n dg r o u n dt r u t hd a t ao b t a i n e df r o ma e r o n e t m e a s u r e m e n t sa r ec o l l o c a t e dt oe v a l u a t e 也eq u a l i t yo ft h ef o r l n e r , a n dc o n f i r m i n g t h ef e a s i b i l i v ya n dr e l i a b i l 2 t yo f t h et w om e t h o d si nt h ew i d eo c e a r l 。 2 ) c o m p a r i n gt h er e t r i e v e da e r o s o lo p t i c a ld e p t hb v 也et w om e t h o d sw i t hg r o u n d t r u t hd a t ao b t a i n e df r o ma e r o n e tm e a s u r e m e n t si ns e o u ls n u o s a k aa n dt h e a r e ao fe a s tc h i n as e a n er e s u l t si n d i c a t et h a t t h et w om e t h o d sc o n s i s tw i t h e a c ho t h e ri nw i d eo c e a n 3 、1 1 1 ea e r o s o lo p t i c a ld e p t ha n da n g s t r 6 me x p o n e n tr e t r i e y e db yt h et w om e t h o d s t h eb a c k w a r dt r a j e c t o r i e sa n a l y s i so fa i rm a s s a n dt h ei m a g ef r o mm o d i sa r e a n a l y z e d t h er e s u l 招s h o wt h a tt h ed e r i v e da e r o s o lo p t i c a ld e p t hi si nc o n s i s t e n t w i t he a c ho t h e ri nt h ee a s ts e aa n dt h es e as o u t ht oj a p a n b u tt o oh i 2 1 1i nt h e c o a s to fb o h a ia n dh u a n g h a i ，b e c a u s eo f t h ei n f l u e n c eo f c a s e2w a t e r 4 、n l et w o c h a n n e la e r o s o lr e t r i e v a la l g o r i t h ma n dn 血婶pa r eb a s e do nt h e g l o b a ld i s t r i b u t i o no f a e r o s o l s a n dc o u l dn o tr e t i e c tt h eq u i c kl e v i t yo f t e m p o r a l a n ds p e c i a lc h a r a c t e r i s t i e so fa e r o s o l so v e re a s tc m n as e a b e c a u s eo ft h e c a l c u l a t i o nc o m p l e x i t yo fc a s e2w a t e ri nb o h a ia n ds o m ea r e ao fh u a n g h a i i t w i l lb r i n g1 a r g ee r r o ri nt h er e t r i e v a l s ot h er e t r i e v e dr e s u l t ss h o u l db ei m p r o v e d a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe a s tc h i n as e aa r ea n a i y z e d w h i c hp r o v i d et h eb a s i c d a t af o rr e t r i e v a lm e t h o do v e re a s tc h i n as e a k e yw o r d s ：a e r o s o lo p f i c a id e p t h ( a o d ) ，a n g s t r 6 me x p o n e n t ，r e m o t es e n s i n g ， m o d i s ，t w o c h a n n e la e r o s o lr e t r i e v a la l g o r i t h m ，e a s tc h i n as e a 2 第一章引言 本章简要论述了大气气溶胶研究的重要意义及国内外的研究进展，提出了论文研究的 主要内容 o d i s 遥感中国近海气溶胶光学特性的反演方法及其应用研究，并对其进行 分析讨论，为探讨适合中国近海气溶胶光学特性的反演提供了依据。 1 1 大气气溶胶研究的目的和意义 大气气溶胶是悬浮于大气中的固体或液体微粒，是当前科学研究的一个热点问题，它 在全球气候变化、许多地球物理和地球化学过程中都有着重要的作用和意义。 i i 1 大气气溶胶的气候影响 近些年，气候变化成为科学界的一个热点问题，是当前各国政府和科学界关注的重大 问题。在诸多影响气候变化的因子中，气溶胶作为影响气候变化的一个重要因子，已引起 了全世界科学界的普遍重视。 气溶胶通过两方面来影响全球能量和辐射平衡。一方面是气溶胶的直接辐射强迫作用， 即大气中的气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射和地面辐射的长波辐射，从而增加全球的行星 反照率，将太阳能量反射回宇宙空间，改变了全球的能量和辐射平衡。另一方面是气溶胶 的间接辐射强迫作用。气溶胶作为云凝结核，由于数量巨大的气溶胶粒子对有限水分的竞 争，使得云滴的数浓度发生变化，云滴半径减少，云的寿命延长，从而使云的反照率增加， 云液态水含量、云量发生变化，降水效率降低，进而影响着全球的辐射收支平衡。 在认识到气溶胶对于气候变化的重要性的同时，气溶胶的不确定性更是研究的重点问 题。气溶胶成分不同，对于全球能量和辐射平衡的影响也不同。大多数气溶胶的主要成分 是具有弱吸收性的硫酸盐，气溶胶光学厚度的增加必然导致行星反照率的增加，使地面降 温，有效地弥补温室气体的增温作用。但是还有一些气溶胶，如黑碳气溶胶，具有很强的 吸收性，它对气候的影响作用是双重的，既可以加热大气，也能使地面降温，造成能量的 重新分配。这是气溶胶的直接辐射强迫的不确定性。而气溶胶的间接辐射强迫的不确定性 更大，目前我们对气溶胶的间接辐射强迫了解的更少。另一方面在于气溶胶辐射强迫作用 的定量化，气溶胶辐射强迫作用的大小与其含量的时、空变化和本身的光学性质有关，后 者又依赖于气溶胶粒子的尺度、谱分布、化学组分及与环境相对湿度的关系。气溶胶时空 变化比较大，而且气溶胶的一些参数( 如单次散射反照率) 的定量化探测技术还没有很好 解决，更增加了气溶胶辐射强迫作用估计的不确定陛。这种不确定性更增加了气候模拟和 预测的难度。 因此，我们有必要对气溶胶的物理化学性质以及它的辐射特性做详细而深入的研究， 了解气溶胶的时空分布规律，才能更好地研究全球气候变化并对未来的气候变化做出合理 的预测。 1 1 2 大气气溶胶的环境影响 气溶胶粒子在很多生物地球化学循环中也起着重要的作用，如浮游生物产生的d m s 对全球含碳、氰和硫气溶胶的循环起着重要作用( d u c e ，1 9 8 3 ) 1 1 ，除了对海洋的平衡作用 外，d m s 还对全球气候有重要的影响( c h a r l s o ne ta 1 ，1 9 8 7 ) 【2 o 在对流层化学反应中，液 态气溶胶可以加快反应速度( c m t z e n ，1 9 8 3 ；t a y l o re ta i ，1 9 8 3 ) 3 1 1 4 o 其次作为媒介、载体和 ( 或) 终极产物，气溶胶在大气化学和大气污染过程中也起着重要作用，对大气环境质量 和人体健康也有很大的影响。随着环境污染问题的日益严重，人们已经认识到气溶胶与很 多环境问题如臭氧层的破坏、酸雨的形成、烟雾事件的发生等密切相关。这主要与气溶胶 的化学组成成分以及大气中发生的化学过程相关。气溶胶严重影响着大气环境质量，这是 环境科学的一个突出问题，分析研究这一问题的首要前提是要对气溶胶的物理化学特性有 全面的了解【5 1 0 1 2 大气气溶胶研究的现状及动向 1 2 1 简介 尽管气溶胶只是地球大气成分中含量很少的组分，但由于其在许多大气过程中的重要 作用而日益受到重视。9 0 年代以来，由于气溶胶的气候效应问题，气溶胶再次成为国际学 术界的研究热点之一，大气气溶胶是当今大气科学研究中前沿的领域。国际大气化学研究 计戈, j o o a c ) 科学指导委员会于1 9 9 4 年将国际全球大气化学研究计划和国际气溶胶计划 o c a p ) 合并重组，大气气溶胶研究被列为3 大研究方向之一。大气气溶胶的研究内容，发 4 展到包括物理和化学的性状、来源和形成、时空分布、对气候变化和环境质量的影响以及 对大气化学过程的影响等多方面、多层次的综合研究，也涉及到大气科学的各个领域，具 有很强的综合性。 对气溶胶的物理化学以及辐射特性的理解及定量化是气溶胶研究的主要内容。为此， 国际上有许多相关的研究计划相继制订，如国际全球大气化学计划i g a c ( i n t e r n a t i o n a l g l o b a l a t m o s p h e r i cc h e m i s t r y ) 、国际地圈生物圈计划i g b p ( i n t e r n a t i o n a l g e o s p h e r e - b i o s o h e r ep r o g r a m ) 都涉及气溶胶特性的研究，包括气溶胶特性与过程研究、气 溶胶直接辐射强迫、气溶胶一气候相互作用、平流层和对流层上部气溶胶研究等等。并且 进行了多次野外观测实验，如气溶胶特性实验a c e ( a e r o s o lc h a r a c t e r i z a t i o ne x p e r i m e n t ) ， 它包括南半球( a c e 1 ) 、北大西洋区域( a c e 2 ) 、亚洲太平洋区域( a c e a s i a ) 气溶胶 特性实验，对流层气溶胶辐射强迫实验t a r f o x ( t r o p o s p h e r l ca e r o s o lr a d i a t i v ef o r c i n g o b s e r v a t i o n a le x p e r i m e n t ) 和印度洋实验i n d o e x ( i n d i a no c e a ne x p e r i m e a t ) 等等。这些 计划和实验的开展实施为我们研究气溶胶特性遥感方法提供了有力的支持。 1 2 2 大气气溶胶的光学参数反演的研究进展 气溶胶光学特性的遥感方法主要包含两个方面，一是地基遥感，二是卫星遥感。气溶 胶的地基遥感主要利用一些辐射计如太阳分光光度计、多波段光度计、太阳直接辐射计、 太阳总辐射计、华盏计等以及激光雷达的探测来反演气溶胶的光学特性，当然不同仪器资 料的反演理论和方法各有不同，也都处于不断地发展改进中。 气溶胶地面观测是通过光度计或者激光雷达实现的，由于仪器价格昂贵，对仪器的性 能和观测要求也比较高，不可能建立强大的观测网，难以对气溶胶的分布特点做分析，所 咀发展卫星遥感的方法是做气溶胶全球大范围分布特征分析唯一有效的手段。另外，随着 卫星气象学的发展，卫星探测手段和技术的不断提高，卫星遥感理论和方法的不断进步， 获得越来越准确的全球范围或者是区域范围的气溶胶性质也成为可能。同时，大量的卫星 数据资料更为我们提供了用卫星遥感方法获取气溶胶物理性质的强大支撑。卫星遥感是探 测全球大范围气溶胶分布的唯一有效手段，有助于我们全面了解气溶胶各种参数的全球定 量分布信息。 卫星遥感气溶胶的理论研究始于七十年代中期，1 9 7 7 年n o a a 开始利用a v h r r 可见 光第一通道( o 6 3um ) 进行海洋上空气溶胶光学厚度的遥感，目前已发展到了第二代反演 方法，利用双通道遥感的第三代反演方法也正在研究过程中。现在利用a v h r r 可见光通 道遥感海洋上空气溶胶已作为n o a a 的业务运行，每周提供一次全球海上气溶胶光学厚度 分布图，用来分析全球海上气溶胶的分布特性【6 _ 8 1 。近年来，随着对气溶胶特性认识的不断 深入，利用卫星遥感气溶胶得到了不断的发展，各种传感器包括多光谱、多角度、偏振、 成像扫描等功能的应用将对遥感气溶胶光学特性提供更加全面的信息。 1 - 3 卫星遥感气溶胶的方法和进展 1 3 1 星载传感器的发展 卫星遥感气溶胶的研究是伴随着星载传感器的发展而逐步发展完善的。最早应用于气 溶胶研究的是n o a a ( n a t i o n a l o c e a n i ca n d a t m o s p h e r i c a d m i n i s t r a t i o n ) 系列极轨卫星上的 a v h r r ( a d v a n c e dv e r yh i 曲r e s o l u t i o nr a d i o m e t e r s ) 。1 9 7 8 年n o a a 第一颗极轨卫星发 射发功以后，就开始了海洋上气溶胶的反演研究。1 9 8 1 年实现海洋气溶胶光学厚度反演的 业务化，以后又开展了陆地上气溶胶反演的研究。另一个较早用于气溶胶特性研究的传感 器是n i m b u s 一7 上的t o m s ( t o t a l o z o n e m a p p i n g s p e c t r o m e t e r ) ，由于它的地面分辨率仅为 5 0 k m ，所以很难傲气溶胶定量分析，但是由于它对于吸收性气溶胶粒子特别敏感，所以发 展了气溶胶指数用于定性分析其时空分布规律。 1 9 9 5 年e s a ( e u r o p e a ns p a c ea g e n c y ) 为提高海面温度精度而发展的多角度传感器 a t s r - 2 ( a l o n gt r a c ks c a n n i n gr a d i o m e t e r ) 搭载e r s 一2 上天，也被用于全球气溶胶光学特 性的反演研究。1 9 9 6 年日本发射了a d e o s ，其中运载的p o l d e r ( p o l a r i z a t i o na n d d i r e c t i o n a l 打yo ft h ee a r t h sr e f l e c t a n c e ) 提供了利用极化信息做气溶胶反演研究的可能， o c t s ( o c e a nc o l o ra n dt e m p e r a t u r es c a n n e r ) 主要用于海洋水色和海面温度研究，也成功 地应用在气溶胶光学特性的反演研究中。 1 9 9 9 年n a s a 提出并开始实施的e o s ( e a r t ho b s e r v i n gs y s t e m ) 计划，包括三颗星 t e r r a 、a q u a 和a u r a ，上面搭载的传感器有m o d i s ( m o d e r a t er e s o l u t i o ni m a g j n g s p e c t r o r a d i o m e t e r ) 、m s r ( m u l t i a n g l ei m a g i n gs p e c t r o r a d i o m e t e r ) 和o m i ( o z o n e 6 m o n i t o r i n gi n s t r u m e n t ) 。2 0 0 2 年e s a 发射的e n v i s a t 一1 上面搭载着a a t s r ( a d v a n c e d a l o n g t r a c ks c a n n i n g r a d i o m e t e r ) 、m e r s ( m e d i u m r e s o l u t i o n i m a g i n g s p e c t r o m e t e r ) ，同 时n a s d a ( n a t i o n a ls p a c ed e v e l o p m e n ta g e n c y ) 发射的a d e o si i 上面搭载着g l i ( g l o b a l i m a g e r ) 。这些传感器在空中运行，为气溶胶光学特性的反演提供了大量的系统而连续的地 球观测信息，也丰富了气溶胶反演方法的研究。 此外，l a n d s a t 卫星的m s s ( m u l t i s p e c t r a ls c a n n e r ) 数据和t m ( t h e m a t i cm a p p e r ) 数据，s p o t 卫星数据应地表遥感图像大气订正都需要有气溶胶光学厚度的反演结果，静 止气象卫星( 如g o e s 、m e t e o s a t 、g m s ) 数据也常常被用于气溶胶遥感。 1 3 2 国外卫星遥感气溶胶的研究进展 卫星遥感气溶胶的理论基础是辐射传输。依据各个卫星传感器的不同特性，基于单通 道、多通道、多角度、对比度降低和极化等观测资料和技术的气溶胶反演方法已经被开发 出来，并得到了广泛的应用。下面对这些方法做一简单介绍。 1 ) 单通道算法 这是最早的卫星遥感气溶胶的反演算法。单通道算法反演气溶胶的物理依据是：当地 表反射率很小时，对卫星所测表观反射率起到贡献的因子按大小依次为气溶胶散射、分子 散射和地表反射，对于吸收性气溶胶，暗背景下气溶胶对反射比的贡献与气溶胶光学厚度 成线性关系，即使对于气溶胶光学厚度比较大、多次散射不能被忽略的情况下也依然成立。 根据这一原理发展起来的n o a a 业务运行的单通道算法已经成功的描述了全球海上平流层 和对流层气溶胶光学厚度的分布。 2 ) 多通道算法 利用气溶胶特性在不同通道的显著差别，比较某些通道反射比的比值( 称为“颜色比”) ， 也可得到反映气溶胶信息的相关参数。如d u r k e e 9 1 利用a v h r r 在通道1 ( o 6 3 0um ) 和 通道2 ( o 8 3 0um ) 的资料估算了颜色比和气溶胶光学厚度。n a k a j i m a 等 1 0 】利用a v h r r 的通道1 和通道2 的资料、m i e 散射理论和幂指数粒子谱分布，得到了洋面上的气溶胶光 学厚度和a n g s t r 6 m 波长指数。t a n r 礴 “1 利用m o d i s 资料多通道反射率法计算了海洋上 气溶胶的特性。 3 ) 暗背景法 k a u f m a n 等1 1 2 ”3 研究发现，在非常清洁的大气条件下，绿色植被表面的反射率在红、 蓝和2 2ur r l 通道有相似的图像，表明他们之间存在着一定的关系，由于可见光通道的图像 仅受气溶胶散射的影响，而2 2 p m 通道的图像不受气溶胶的影响的，反映的是地面的特征， 气溶胶层下方的植被覆盖区的地表的红、蓝通道的反射率可以从2 2um 通道的反射率佶算 出来，所测得红、蓝通道的表观反射率和利用2 2un l 通道估算出来的地面反射率之间的差 异就是气溶胶的影响，利用这一事实依据开发出的反演气溶胶的方法适用于密集植被暗背 景地区，因此又称d d v ( d e n s ed a r kv e g e t a t i o n ) 算法。n a s a 的e o s 计划的第一颗卫星 t e r r a 所载传感器m o d i s 反演气溶胶的业务算法就是基于这些基本概念f 。 4 ) 结构函数法 简单说其基本依据是相邻像素点反射率的差随光学厚度的增加而下降。目前这一方法 只能应用于相邻时间观测的一组图像。h o l b e n 等对这一方法也做了详尽的论述。t a n r 6 等应用这一方法分析研究了撒哈拉沙漠气溶胶光学厚度，1 9 9 2 年f 1 7 j 又用这一方法反演了 陆地气溶胶的光学厚度。 5 ) 海陆对比算法 通过不同的地表对比或者不同的气溶胶总量( 清洁日和污浊日) 的对比，可以反演气 溶胶的光学厚度和单次散射反照率，如利用m s s 的8 0 m 分辨率的卫星图像来反演海岸地 区气溶胶的光学厚度和单次散射反照率( k a u f m a n 等1 9 8 2 ) 【1 8 】，也曾被应用到a v h r r 数 据反演烟雾和工业污染( k a u f m a n ，1 9 8 7 ) 。 6 ) 多角度成像偏振反演 多光谱对比观测的角度变化对气溶胶模型的敏感性是进行多角度观测反演陆地气溶胶 模型的理论基础。t e r r a 卫星携带的m s r 传感器是一个多角度成像光谱仪，可以提供9 个 不同方向的观测( d i n e r 等1 9 8 9 ) 2 。偏振是对于气溶胶微物理特性尤其是气溶胶有效粒 径和折射指数比较敏感的特性，被用在气溶胶遥感领域涉及新型传感器。除t n 曼n 气溶 胶的物理特性外，极化观测的另外一个优势是极化矢量比总辐射对地表反射要不敏感得多。 偏振光遥感的理论难点在于实际气溶胶粒子一般都是非球形和各向异性，远离球形粒子各 向同性的偏振特性；另外就是地面也同样存在极化特性叫。1 9 9 6 年发射的a d e o s 携带的 p o l d e r 传感器在它的8 个通道中的3 个提供了极化观测。 7 ) 热辐射对比法 这个方法充分利用了中红外波段提供的信息，主要应用在干旱和半干旱地区有很好的 结果，在撒哈拉沙漠气溶胶研究中发挥了较大的作用。a c k e m a n 田悃这一方法研究了火山 和土壤气溶胶的遥感监测。k m o s h l t a 等2 3 慨用这个方法用a v h r r 资料研究了1 9 9 7 2 0 0 0 年亚洲沙尘暴过程。因此使用8 5um 、1 1um 、1 2um 通道的亮温数据反演气溶胶光学厚 度是可行的，这个方法的优势在于即使是在夜间也仍然可以得到气溶胶反演的结果。 8 ) 紫外方法 近紫外数据的反演技术所包含的优势是利用红外和可见光遥感所不具备的：1 ) 地表反 照率在近紫外波段比较低，即使对于一般情况下比较“亮”的沙漠也比较低，使得这种反 演技术可以用于陆地包括沙漠地区，成为监测沙尘暴的有效工具。2 ) u v 波段对气溶胶类 型较大的敏感性，使得依赣这种遥感方式可以将含碳类气溶胶和矿石类气溶胶从理想散射 粒子类气溶胶如硫酸盐和海盐清晰的区别开来。由t o m s 反演的u v 波段吸收类气溶胶光 学厚度得到了n a s a 的气溶胶地基观测网( a e r o s o lr o b o t i cn e t w o r k - a e r o n e t ) 的验证。 综上所述，卫星遥感对流层气溶胶的方法已经从单通道发展到多通道、多角度成像偏 振，从气溶胶光学厚度单变量反演向气溶胶光学厚度、粒子大小分布、折射指数、数浓度 和气溶胶类型等多变量反演发展，为更加全面、深入、细致的研究气溶胶提供了丰富的信 息和广阔的前景。 1 3 3 国内气溶胶参数反演的研究进展 在地基遥感方面我国也有许多学者作了各方面研究。刘毅等5 “荆用对中国近海1 0 个 航次气溶胶观测资料，研究了中国近海大气气溶胶的时间和地理分布特征，得到海上陆源 气溶胶浓度的季节分布为：春季最大，秋冬次之，夏季最小。李正强等【z 5 j 利用多波段太阳 辐射计对黄海海域气溶胶光学厚度的测量和研究发现，黄海海域大气气溶胶主要由自然来 源的气溶胶构成，光学厚度的日变化和逐日变化不大，但在秋冬季节时有大风、大雾等， 会造成气溶胶光学厚度在几天的时间段内的较大波动。赵崴等矧也通过研究发现，春季无 9 云情况下黄海、东海上空的气溶胶光学厚度在0 2 0 4 左右，海区上空霾层较厚时测量得 到的气溶胶光学厚度明显增大，最大接近o 8 。 我国从八十年代中期开始气溶胶卫星遥感研究，虽然比国际上晚了十年，但是我们也 在这一方面有了不少的研究成果。赵柏林等 2 7 1 利用n o a a a v h r r 资料进行了海洋上空气 溶胶的遥感。刘广员等0 8 1 利用n o a a a v h r r 可见光单通道反演了晴空太平洋海域的气象 能见度和气溶胶光学厚度。 近些年利用g m s 静止气象卫星观测资料做了不少遥感气溶胶光学特性的工作。如毛 节泰等2 9 l 在自然科学基金重点课题“中国地区气溶胶辐射特性的研究”中，利用g m s 资 料来反演中国地区四季气溶胶光学厚度的分布，主要利用季节内湖面反照率比较稳定的特 性首先利用季节内卫星的最小反射率假定北京气溶胶光学厚度为0 0 5 ，确定了湖面的季节 反射率，进而遥感湖面上空的气溶胶光学厚度。张军华等3 0 l 利用g m s 卫星数据遥感中国 大陆2 5 个湖面上空气溶胶光学厚度。 李成才 3 1 】研究了用m o d i s 资料反演气溶胶光学厚度的算法，并得出了北京和香港地 区的结果。毛节泰等”1 对于m o d i s 卫星遥感的北京地区气溶胶光学厚度与光度计遥感作 对比，认为卫星遥感对于研究空气污染提供了一种新手段。李晓静”1 干0 用m o d i s 资料反 演了北京及周边地区气溶胶光学厚度。 近年来，针对亚洲气溶胶理化特性发起了“亚洲气溶胶特性实验观测”( a c e - a s i a ) ， “大气颗粒物环境影响实验”( a p e x ) ，其中均采用了m o d i s 、s e a w i f s 、t o m s 等卫星 的实时观测资料，初步研究结果表明，临近亚洲大陆海域云的有效粒径存在的低值与陆源气 溶胶的高浓度密切相关( l i u , 2 0 0 1 ，2 0 0 4 ) 3 4 , 3 s 1 。 综上所述，卫星遥感气溶胶的方法已经从单通道发展到多通道，从海上走向陆地，从 同一角度发展到多角度，从无偏到成像偏振，从气溶胶光学厚度单变量反演发展到包含气 溶胶光学厚度的粒子尺度分布、折射指数、数浓度和气溶胶类型等多变量反演。但是每一 种方法都有其独到之处，没有一种可称为“最好”的方法能取代其他方法。所以在我们努 力发展新方法，反演新变量的同时，应该注意与已有方法的结合，更要充分使用各种传感 器所获得的资料，才能加深对气溶胶时空分布的认识。 1 0 1 4 主要研究内容及结论 近海海域是大气污染物从源地向大洋和全球迁移扩散的过渡带。中国近海受亚洲大陆 影响，存在多种来源的气溶胶成份，这一海域不仅是我国的重要渔场，而且存在着丰富的 石油和矿物资源，同时又是亚洲陆源气溶胶向西北太平洋输送的主要通道。因此这一海域 的气溶胶特性极为复杂，而且其海域的水体特征和水文环境更是复杂，存在多种不确定因 素，为这一海域气溶胶光学特性的反演带来诸多困难。因而开展海上大气气溶胶时间和地 理分布特征的研究能更准确地确定其来源和输送过程，近年来，亚洲尤其是中国近海气溶 胶的物理化学特性及其对气候和环境的影响已成为目前大气科学研究中的关键问题之一。 综上所述，中国近海气溶胶光学特性复杂，研究中存在诸多困难，基于这些考虑，本 论文包含以下研究内容： 1 ) 利用双通道算法和i m a p p 软件分别反演了中国近海的气溶胶光学厚度和a n g s t r o m 指数，并将反演得到的光学厚度结果分别与a e r o n e t 的观测资料进行对比分析，验证反 演结果的精度，进一步验证了这两种方法对广阔海域反演的可行性和可信度。 2 ) 综合应用这两种方法，对中国近海及各个海域的光学厚度结果和表征粒子谱宽度的 a n g s t r 6 m 指数( a ) 的变化情况进行了分析，结合气块后向轨迹分析s n z 星遥感图像的对比 分析，结果表明：在东海和日本以南等广阔海域气溶胶光学厚度的反演结果同a e r o n e t 太阳光度计的观测结果基本一致；在渤海和黄海近海岸一带气溶胶光学厚度的反演值偏高， 其原因主要是由这些海域的二类水体的影响导致的。 3 ) 目前双通道算法和i m a p p 软件中气溶胶的反演算法均针对气溶胶的全球分布而设 计，其反演算法中气溶胶的输入参量无法准确反映中国近海气溶胶的快速多变的时空分布 特征，渤海和黄海的部分海域均为二类水体，因为二类水体反射率计算的复杂性，直接采 用气溶胶反演算法会产生很大的反演误差，因此反演结果还有待改进。进一步探讨分析了 这些海域的水域特征及光学特性，为研究发展适合中国近海气溶胶特性的反演算法提供了 依据。 第二章大气气溶胶双通道遥感反演算法的研究 大气气溶胶对地球气候的影响已被看作是历届气候成因的一个重要问题，尤其是一些 研究指出气候强迫估算的大的不确定性主要来自气溶胶。为了降低上述气溶胶辐射强迫估 算中大的不确定性，有必要提高我们对气溶胶特性的认识，如总含量、成分组成等等，卫 星的应用有助于对大尺度气溶胶光学特性的研究，本章的算法就是以h i g u r a s h i 和n a k a j i m a 的n o a a a v h r r 的双通道遥感反演算法为基础的”。 2 1 大气一海洋系统的辐射 2 1 。1 原理 卫星接收到的短波辐射来自大气、海洋表面和海洋本身所构成的大气一海洋系统，海 洋上空的卫星信号是由大气路程辐射和离水面辐射的贡献构成，离永面辐射是由海表反射、 泡沫散射和水体上行辐射构成。对于双通道算法( 两个通道0 6 5 9 , t a n ，0 8 6 5 , u r n ) 的大多 数应用，因为水汽的吸收较大，后两项可以忽略不计。 传统的大气订正方法”7 】引入了线性单次散射近似r 。，来合成由卫星辐射仪探测到的 表观反射率r ： r r 。+ r 。f + r g ( 2 ，1 ) r “和r g 分别是无气溶胶影响时大气分子的表观反射率和太阳耀斑区的反射率，假定 r ：! 氅，卫星接收到的辐射为l ，地球外的太阳入射通量f o 和太阳天顶角的余弦 o ，o 硒= c 0 s a o 则气溶胶线性单次散射可表示为： r 。：型k ( 2 2 ) , u , u o 曲。、f 。和只( 。) 分别是气溶胶的单次散射反照率，光学厚度和相函数， 是散射角， 是卫星天顶角的余弦a 方程( 2 1 ) 和( 2 ，2 ) 对于较大的f 。或吸收性气溶胶得到的合成反 射率时的误差较大。 为了改进这个近似，w a n g 和g o r d o n 3 s 发现气溶胶一分子的多次散射与线性气溶胶单 次散射反射率有一定比例，如下： r - r “一r g = c 。r 。” ( 2 3 ) 他们成功的降低了方程( 2 2 ) 中合成辐射时的误差，把( 2 2 ) 代入( 2 3 ) 中，气溶胶一 分子的多次散射有下述表达式： 曩一史。吨一= 面1 萎2g 毛” ( 2 。) 这个方程在某种程度上比用( 2 3 ) 反演吒更为方便，因为( 2 4 ) 是2 a 的一种形式的扩展， 但也需注意它不适合于多次散射的扩展，因其不是角度的函数，线性单次散射成分r 。是 艺( 。) 的函数。 尽管方程( 2 4 ) 和( 2 5 ) 对于大多数应用的精度已足够，但是当天顶角较大且在太阳 耀斑区，误差还是比较大，因此下面h i g u r a s h i 和n a k a j i m a 对算法做了进一步改进。 在本算法中，考虑到大气的非均匀性，对大气迸行分层设置，并定义卫星辐射仪探测 到的表观反射率r 为： r 矗，+ r ， ( 2 5 ) r ，和r 。分别是单次散射和多次散射项贡献的反射率，设定大气外界的太阳入射通量f o ， 太阳天顶角的余弦风= c o s 8 0 ，卫星天顶角的余弦= c o s 0 ，则单次散射项贡献的反射 率可表示为 ：! 竺兰蛐! 二! 鲨生! 业型型坐! ! ! p u o f b、 “+ 、f “。 、f 和p ( 。) 分别是气溶胶的单次散射反照率、光学厚度和相函数。 ( 2 6 ) a z i m u t ha i f l i e 图2 ，1 反射率r 、单次散射成分丑，和多次散射成分r ，与大气层项( t o a ) 的表观反射率和方位角的关系 图2 1 是方程( 2 4 ) 中各项关于相对角的函数，从图中可以明显看出，反射率对角度 的高度相关是由单次散射项所导致的，而多次散射项随角度的变化细微，因此利用多次散 射项来制作查找表是有效的。 通过大量的数值模拟对传统的大气订正方法的修正得到下述公式： r r s 一只s2 p 。童：。c r a + c 4e x p 一f a l 去+ 去j j j 2 7 ， r g 是太阳耀斑的贡献的表观反射率，f 。是气溶胶光学厚度。 2 1 2 气溶胶的光学模型的确定 选择合适的气溶胶光学模型是气溶胶反演算法的关键，对于双通道算法是要选择一个 简单适用的尺度谱分布，以适用多变的情况。7 0 年代以来，科学界对气溶胶的尺度谱分布 进行了广泛的研究。j u n g e ”魄出了表征平流层和对流层气溶胶的幂指数谱分布，w h i t b y 【4 0 j 研究了不同物理过程产生的气溶胶，提出了多模态对数正态分布。在本算法中，选取了双 模态对数正态谱分布； 1 4 屯0h羔=矗基=暑墓餐芒暑叁邑l 面d v ：扣心警) 2 旺s ， 下标n 是气溶胶模型的数目，设定参数r m l = 0 1 7u m ，r m 2 = 3 4 4 u l l l ，s i = 1 9 6 ，s 2 = 2 3 7 ，c 1 、