中国地区气溶胶光学特性及辐射强迫的卫星遥感观测研究

论文摘要

本文综合利用地基和卫星遥感数据对中国地区气溶胶光学特性及其直接辐射强迫进行了研究。首先利用中国地区太阳分光计观测网（CSHNET）和气溶胶自动监测网（AERONET）的地基观测数据对多角度成像光谱辐射计（MISR）气溶胶光学厚度（AOD）产品在中国地区的适用性进行了全面系统的评估验证;在此基础上,结合MODIS和MISR传感器分布给出了整个中国和北方地区沙尘气溶胶光学厚度的时空分布特征,并对华北城市上空的AOD与污染物浓度（PM10）之间的关系进行了分析探讨;最后结合地基、卫星遥感数据以及辐射传输模式对华北地区污染过程和沙尘过程的气溶胶光学特性及其直接辐射强迫进行了系统的分析。得到如下结论:1、MISR气溶胶光学厚度产品能较好反映中国陆地上空的大气气溶胶状况,适用于中国大部分地区（东北和兰州除外）,特别是西北地区,充分说明MISR传感器具有其独特的优势,其气溶胶反演算法适用于亮地表。当AOD值较小时,MISR反演结果比较准确,但当AOD较大时,MISR反演结果基本一致偏低,系统偏差较大。具体对比结果为:对于不同地理区域,MISR反演值明显偏低的区域主要出现在华东、西南、东北地区;对于不同地表特征,反演值系统偏低以农田和森林最为显著;对于不同季节,MISR在夏季系统偏差最小,冬季最大。MISR气溶胶反演误差在中国区域主要是由气溶胶特性参数设定引起的,如MISR反演的单次散射反照率在中国区域基本都在0.96以上,远远高于地面站反演结果,因此在中国区域需对MISR气溶胶算法中的气溶胶模式作进一步改进和完善。2、MODIS和MISR的气溶胶光学厚度在整个中国地区的空间分布特征基本一致,AOD高值区主要分布在华北、华东和四川盆地,其中在华北地区分布范围最广。北方地区沙尘气溶胶从2001-2007年总体呈弱下降趋势,其西部地区的下降趋势较东部地区要明显一些。华北城市AOD和PM10两个物理量都反映出,近几年城市上空空气质量较好的天数呈增加趋势,但值得注意的是,近几年来AOD大值出现的天数呈增加趋势,而PM10呈下降趋势,这说明重度污染时,主要贡献项可能是粒径较大的气溶胶,其原因有待于进一步专门研究。3、利用香河站辐射观测资料和SBDART辐射传输模式对CERES辐射通量产品进行验证分析表明:在晴空条件下,当CERES传感器观测天顶角小于50度时,80%以上的大气层顶辐射通量产品的误差都在±10 Wm-2以内,在其算法所要求的精度之内;但是地表辐射通量产品误差很大,需对地表接收的辐射通量算法作进一步的改进和完善。4、结合MODIS、CERES卫星遥感数据和地基资料及SBDART辐射模式,分析了华北地区典型大气污染过程中气溶胶光学特性及其辐射强迫。在污染过程中,随着AOD增加,细模态粒子浓度显著上升,粒径增大,散射能力相应增强;日平均的气溶胶直接辐射强迫在大气层顶、地面分别为—12 Wm-2,—50Wm-2。这说明华北地区气溶胶显著影响了这一地区的地气系统辐射能量收支,可能会对我国乃至全球气候格局产生深远影响。5、通过对2006年春季沙尘气溶胶的光学特性及其直接辐射强迫的分析讨论,表明沙尘气溶胶的散射能力在红光到近红外波段强于非沙尘型气溶胶,在蓝光波段与人为气溶胶散射能力相当,但其吸收能力较弱,仅为非沙尘型气溶胶吸收能力的一半左右。沙尘气溶胶由于其散射能力强于其他类型气溶胶,使得更多的短波辐射反射回了太空,相对人为气溶胶,其辐射强迫作用在大气层顶要明显许多,而在地表则正好相反。因此就整个地气系统而言,沙尘气溶胶冷却效应远大于人为气溶胶,而人为气溶胶对低层大气的加热作用远大于沙尘气溶胶。

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中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究目的与意义

1.1.1 对气候的影响

1.1.2 对环境和人类健康的影响

1.2 国内外相关研究进展

1.2.1 气溶胶光学特性研究进展

1.2.2 气溶胶直接辐射强迫研究进展

1.3 研究中存在的问题

1.4 本文主要研究内容

第二章地基遥感观测网及仪器介绍

2.1 气溶胶地基遥感反演原理

2.1.1 气溶胶光学厚度反演原理

2.1.2 其他光学特性参数

2.2 地基气溶胶观测网

2.2.1 AERONET观测网

2.2.2 CSHNET观测网

2.2.3 光度计仪器标定

2.2.4 AERONET和CSHNET观测网仪器误差对比分析

2.3 辐射观测仪器介绍及原理

2.3.1 辐射仪器简介

2.3.2 辐射仪器标定

2.4 小结

第三章星载传感器反演算法及其产品

3.1 气溶胶卫星遥感反演算法及其产品

3.1.1 MODIS反演算法及其产品

3.1.2 MISR反演算法及其产品

SSF辐射通量反演算法及产品'>3.2 CERES_SSF辐射通量反演算法及产品

3.2.1 CERES传感器简介

SSF辐射通量反演算法'>3.2.2 CERES_SSF辐射通量反演算法

SSF数据产品介绍'>3.2.3 CERES_SSF数据产品介绍

3.3 小结

第四章中国地区MISR气溶胶光学厚度评估

4.1 引言

4.2 MISR Level2气溶胶产品适用性评估

AOD与地面各站点观测结果的对比分析'>4.2.1 MISR_AOD与地面各站点观测结果的对比分析

4.2.2 不同地表状况下的MISR气溶胶产品适用性分析

4.2.3 季节对比

4.2.4 MISR气溶胶产品误差原因分析

4.3 MISR Level3气溶胶产品适用性评估

4.4 小结

第五章基于MISR/MODIS的中国地区气溶胶光学厚度时空分布特征

5.1 引言

5.2 资料及其处理

5.3 结果分析

5.3.1 八年平均AOD的年季时空分布

5.3.2 不同地理区域AOD的变化趋势特征

5.3.3 中国北方沙尘气溶胶的变化趋势特征

5.3.4 华北城市区域AOD与污染物浓度（PM10）

5.4 小结

第六章华北地区典型污染过程中气溶胶光学特性及辐射强迫的变化特征

6.1 引言

6.2 资料及其处理

6.2.1 资料来源

6.2.2 SBDART辐射传输模式

6.2.3 数据处理方法

6.3 气溶胶光学特性分析

6.3.1 气溶胶光学厚度（AOD）

6.3.2 体积尺度谱

6.3.3 单次散射反照率（ω）和折射指数（n-ik）

6.4 气溶胶直接辐射强迫（ADRF）

6.4.1 辐射通量观测结果与模式比较

6.4.2 地表反照率敏感性检验

6.4.3 瞬时与日平均ADRF

6.5 小结

第七章 2006年春季华北地区沙尘气溶胶光学特性及其辐射强迫

7.1 引言

7.2 资料及其处理方法

7.3 2006年春季北方地区AOD空间分布特征

7.4 气溶胶光学特性分析

7.4.1 光学厚度

7.4.2 体积尺度谱

7.4.3 单次散射反照率（ω）和折射指数（n-ik）

7.5 气溶胶直接辐射强迫

7.5.1 地表反照率变化

7.5.2 气溶胶直接辐射强迫（ADRF）

7.6 小结

第八章结论与展望

8.1 主要研究内容和成果

8.2 论文创新之处

8.3 存在问题及今后工作展望

参考文献

博士期间发表的论文

致谢

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