（土壤学专业论文）重庆大气气溶胶的辐射强迫与局地气候响应研究.pdf

西南农业大学碳士学位论卫 摘要 摘要 气溶胶是直径在0 0 0 1 1 0g m 之间的固、液、气多相体系，它的形成有气相物质自发成核、 粒子凝聚、粗粒三种机制。气溶胶与环境之问有着密切的芙系，它的分布特点对环境变化、 人体健康、生物敛应其有重要影响。 为探讨重庆人气气溶胶区域尺度的气候效应，咀及遥感技术在大气污染、区域气候效应 方面的廊_ f j 。本研究以中分辨率图像光度计数据( m o d l s ) 为主要信息源，通过参数模型， 进行气溶胶光学厚度的定量化反演，并结合地面常规气象资料分析了非均匀f 垫面条什f 气 溶腔与气候变化的响应关系，为研究重庆p m z5 和p m l 0 的浓度分布、来源、运移路径以及区 域尺度气候的成闻提供科学依据。 假设大气气溶胶尺度遵循j u n g e 分布，根据辐射传输方程干卫星遥感原理，利用太辫| 天顶 角、相对方位角、大气反射率、f 行大气透过率、上行大气透过率、火气散射率、地表反射 率等因子，在海洋等均匀下垫面的气溶胶m 星遥感反演模型基础上，提出了重庆山地菲均匀 f 垫面气溶胶的遥感反演方法。e o s + r e n a m o d l s 高光谱数据具有适合火气气溶股光学特性 的信息通道，试验中采用2 0 0 2 2 0 0 4 年l o 通道的数据对气溶胶光学厚度进行反演。首先利 j h 边缘检测技术、归一化指数指标法进行水体的识别，运j ； jr b f n n ( 径向基函数神经网络) 和同态滤波的方法进行消云处理，对影像进行预处理后，再根据遥感信息模型反演出气溶胶 光学厚度，根据m e 别尔粱德经验公式的经验修正公式，提出了山区辐射通量的计算方法 采用分离综合法对山区热量条件进行r 推算最后运用总体相关和距平相关技术分析了气溶 胶光学厚度与气候之间的响应关系。 分类结果袭明，在4 别复合像元过程中，引入r b f 泊数对提高分类精度具有重要贡献， 成功地应用于层云和卷云的识别以及水体、植被的判别。 对流层中的辐射通量的计算结果表明，它随太阡| 方位角、高度的变化而变化，住6 0 0 9 0 。 之间随着太阳方位角的增大丽急尉增大；丧0 1 0 0k m 对漉层中，下行总通量随高度的降低略 有减少，上行总通量在2 5k m 处达最大，在其下部随高度的上升而增加，在其上部则随高度 的上升而减少。 重庆人气气溶胶光学厚度的反演结果表明，月分布表现为双峰双谷曲线变化特征，4 月最 大，最小值出现在1 1 月。在季节方面，秋季的气溶胶光学厚度值为全年各季之最，冬季则处 于较低水平。年际变化表现为春季逐年减少，冬季逐年增加的趋势。重庆大气气溶胶光学厚 度的空间分布表现为两高东低”的特征。由夏季转入秋季过程中，绝大部分地区表现为增 加其余时间变化不大；全年平均水平西部地区( 渝北、江泮以西) 明显高于其它地区，巫 l 两南农业大学顾“学位论文摘要 溪、城口、开县以北、石柱、武隆、南j i i 、万盛一线较低。 重庆大气气溶胶的气候效应研究结果表明，光学厚度利地面有效辐射通量之间存在反向响 应关系。响应度在夏季7 月最大。冬季最小：空间j ：表现为东北部利东南部响应度较大，z p 部和西部较小。重庆大气气溶胶光学厚度平热量之间存在正向同步响应关系。响应度在冬季 最犬，春季和秋季最减小：宅间上表现为东北部和东南部响应度较大，中部和西部较小。 关键词：气溶腔光学厚度：辐射通量；热量：气候效应 1 1 两南农业大学碗i ：学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a e r o s o li sam u l t i p h a s es y s t e mi n c l u d i n gs o l i d ，l i q u i da n dg a sw h i c hd i a m e t e ri sb e t w e e no 0 0l a n d10p t mt h e r ea r et h r e er y p e so ff o r m a t i o nm e c h a n i s m s ，t h e ya r en u c l e u sf o r m i n g s p o n t a n e o u s l y , p a r t i c l ec o n d e n s i n ga n dc o a r s ed i s t r i b u t i n g t h e r ee x i s t s ac l o s er e l a t i o nb e t w e e na e r o s o la n d e n v i r o n m e n t ，a n d t h e d i s t r i b u t i n g c h a r a c t e r i s t i c so fa e r o s o lh a s s i g n i f i c a n t i n f l u e n c eo nt h e e n v i r o n m e n t a lc h a n g e ，h u m a nh e a l t ha n db i o l o g i c a le f f e c t t od i s c u s st h ec l i m a t i ce f f e c to fa t m o s p h e r i ca e r o s o li n r e g i o n a ls c a l ea n dt h er e m o t e s e n s i n ga p p l i c a t i o ni na i rp o l l u t i o na n dr e g i o n a lc l i m a t i ce f f e c t ，m o d i sd a t a ，w i t hp a r a m e t e r m o d e l h a sb e e nu s e dt or e t r i e v ea e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s s ，t h e nt h er e s p o n s er e l a t i o nb e t w e e n a e r o s o la n dc l i m a t ec h a n g eh a sb e e na n a l y z e dm a k i n gu s eo ft h i sr e s u l ta n dt h em e t e o r o l o g i c a l d a t a i tc o u l dg i v es o m es c i e n t i f i cr e f e r e n c et ot h er e s e a r c h e ro nt h ep m 2 5 , a n dp m l o c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n s o u r c e m o t i o np a t ha n da l s ot h ec a u s eo ff o r m a t i o oo fc l i m a t ei n r e g i o n a ls c a l e i nt h i s p a p e lt h e s a t e l l i t er e m o t es e n s i n gm e t h o do fr e t r i e v i n ga e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s sh a s b e e np u tf o r w a r da c c o r d i n g or a d i a t i v et r a n s f e re q u a t i o na n ds a t e l l i t er e m o t es e n s i n g p r i n c i p l e 。 s u p p o s i n gt h e a e r o s o ls i z ef o l l o w sj u n g ed i s t r i b u t i o na n du s i n gz e n i t h a n g l e ，r e l a t i v ea z i m u t h ， a t m o s p h e r i cr e f l e c t i v i t y , d o w n a t m o s p h e r i c t r a n s m i s s i b i l i t y ， u p a t m o s p h e r i c - t r a n s m i s s i b i l i t y , s c a t t e r i n gr a t e m a dl a n ds u r f a c er e f l e c t i v i t y s i n c ee o s t e r r a m o d l sc o n t a i n st h ec h a r a c t e r i s t i c i n f o r m a t i o no fa e r o s o l ，t h ed a t ao fc h a n n e l1t o7f r o m2 0 0 2t o2 0 0 4h a sb e e nu s e dt or e t r i e v e a e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s s f i r s t ，r e c o g n i z ew a t e rb o d yi nt h ee d g ed e t e c t i o na n dt h en o r m a l i z a t i o n i n d e xm e t h o d ，a n dc l e a rc l o u di nr b f n na n dh o m o m o r p h i cf i l t e r i n gm e t h o d ；t h e nr e t r i e v ea e r o s o l o p t i c a lt h i c k n e s sb a s i n go nt h er e m o t es e n s i n gi n f o r m a t i o nm o d e l w eh a sf o u n da na l g o r i t h m i c m e t h o do i lm o u n t a i n o u sr a d i a lf l u xa c c o r d i n gt oo n er e v i s i n ge m p i r i c a lf o r m u l a , a n dc a l c u l a t e d m o u n t a i n o u sh e a ti n s e p a r a t i n g - s y n t h e s i sm e t h o d ，t h e na n a l y z e dt h er e s p o n s e r e l a t i o nb e t w e e n a e r o s o l o p t i c a l t h i c k n e s sa n dc l i m a t i ce f f e c ti n p a r e n t c o r r e l a t i o na n dd e p a r t u r ec o r r e l a t i o n t e c h n o l o g y t h er e s u l to f c l a s s i f y i n gi n d i c a t e st h a tt h e r ea r eg r e a tc o n t r i b u t i o n si n t r o d u c i n gr b f t oi m p r o v e t h ec l a s s i f y p r e c i s i o n i nt h ec o u r s eo fd i s t i n g u i s h i n gc o m p o s i t ep i x e l ，s ot h i sm e t h o dh a sb e e n a p p l i e ds u c c e s s f u l l yi nd i s t i n g u i s h i n gs t r a t u s ，c i r r u sc l o u d ，w a t e rb o d y a n d v e g e t a t i o n t h e s i m u l a t i n gr e s u l to nr a d i a lf l u xi nt r o p o s p h e r es h o w s i tv a r i e sw i t hz e n i t ha n g l ea n d h e i g h t o nt h eo n eh a n d i ti n c r e a s e ss h a r p l yw i t hz e n i t ha n g l ef r o m6 0 。t o9 0 0 ，o nt h eo t h e rs i d e ，s e e i n g a b o u tt h e h e i g h t f r o m0t o1 0 0k m ，t h ed o w n r a d i a l f l u xd e c r e a s e ss l i g h t l y , h o w e v e r , t h e i l l 西南农业大学颤：i ：学位论文 a b s t r a c t t a p r a d i a l f l u x r e d u c e sa b o v e2 5k ma n dr i s e su n d e rt h i sp o i n tw i t ht h eh e i g h t si n c r e a s e a n di t a r r i v e sa tt h em a x i m u m a tt h ep o i n to f 2 5k m f h er e t r i e v a lo fa e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s s i n c h o n g q i n gs h o w st h a t t h em o n t h l yd i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i ct a k e so nc n r v ev a r i e sw i t hd o u b l ep e a k sa n dd o u b l et r o u g h s ，t h em a x a p p e a r so na p r i l a n dt h er a i n e m e r g e so l ln o v e m b e r i nt h em a t t e ro fs e a s o n ，t h ea u t u m n si st h em o s tm a x i m a lt h a n t h eo t h e r s w i l et h ew i n t e r si st h el e a s to n e o b s e r v i n g r o mt h ey e a r sc h a n g e ，i tf a l l si ns p r i n ga n d i s ei nw i n t e r f h ea e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na l s op r e s e n t so nh i g h w e s ta n dt o w e a s t c h a r a c t e r i s t i ci ns p a c e s p e c i a l l y , m o s tr e g i o n st a k eo ui n c r e a s i n gt r e n d0 1 2t h ec o u r s eo f t r a n s i tf r o m s u m m e rt oa u t u m n ；t h ea n n u a lc h a n g es h o w st h ew e s t ，y u b e ia n dt h ew e s to fj i a n g j i n ，a r eh i g h e r t h a nt h eo t h e re a s t e r nr e g i o n s ，e s p e c i a l l y , t h ev a l u ei nw u x i ，c h e n g k o u ，t h en o r t ho f k a i x i a n ，s h i z h u ， w u l o n g ，n a n c h u a n a n dw a n s h e n ga r c ：l o w e rt h a no t h e r s f h r o u g ht h es t u d yo nt h e c l i m a t i ce f f e c to fa e r o s o l ，w ef i n dt h a tt h e r ea r er e v e r s er e s p o n s e r e l a t i o n sb e t w e e nt h ea e r o s o lo p t i c a lt h i c k n e s s a n dt h ea v a i l a b l er a d i a l f l u x ，t h ed e g r e e o f r e s p o n s i b i l i t yi s m o r ea c u t eo nj u l ya n dl e s si nw i n t e r , m o l ei nt h en o r t h e a s ta n ds o u t h e a s t ，l e s si n t h em i d d l ea n dt h ew e s t o nt h eo t h e rs i d e , t h e r ea r es y n c h r o n o u sr e s p o n s er e l a t i o n sb e t w e e nt h e a e r o s o o p t i c a lt h i c k n e s sa n dt h eh e a t ，t h es y n c h r o n i s m i sb i g g e ri nw i n t e ra n ds m a l l e ri ns p r i n ga n d a u t u m n ，a l lt o g e t h e r , b i g g e ri nt h en o r t h e a s ta n d s o u t h e a s ta n ds m a l l e ri nt h em i d d l ea n dt h ew e s t k e y w o r d s ：a e r o s o lo p t i c a lt h i e l m e s s ；r a d i a l - f l u x ；h e a t ；c l i m a t i ce f f e c t v 两南农业人学顼一 。学位论文 第1 章文献综述 1 1 气溶胶效应 第1 章文献综述 气溶胶是指悬浮在气体中的吲体和( 或) 液体微粒与气体载体共同组成的多相体系。相应 地，夫气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系。大气气溶胶 粒二于的直径多在00 0 l 1 0u m 之间。根据标准辐射大气s p a 模型，可把对流层气溶胶按成分 分为水溶性粒子、沙尘性粒子、海洋性粒子、煤烟等四种类型】。 产生气溶胶的源很多，沙漠地区、干旱或、 二f 早地区裸露地面、火山喷发口、海洋洋面 等都是自然气溶胶源。除e i 然源外，城镇化、f ! l k 化、1 卜地荒漠化、植物燃烧、森林火灾等 人类活动娃气溶胶的另外一个重要来源这样的排放量相对自然喷发餐及其范围都小得多， 但对局地气候影响大，其成分也较为复杂。 大气气溶胶作为分散在大气中的崮态或液态颗粒而形成的一种犬气物质，早被人h j 所关 注。随着环境污染问题的发展，己认识到大气气溶胶的污染特性与其物理化学性质，以及在 夫气中的啦均相化学反应有着密切的关系，并造成一系列的环境问题；如臭氧层的破坏、酸 m 的形成、烟雾事件的发生嚣 一k 气气溶胶的这些环境作用，已酿成全球性环境问题， 引起了全世界的重视。近几十年来，随着工业的高速发展，大气污染也日盏严重，许多著名 的风景古迹，已遭受十分严重的腐蚀。例如，据调查云岗石窟群就已受到一定的侵蚀f 0 “j 。 此外，气溶胶对人体健康、生物效应也茸其特有的生理作j _ p j 。根据其作用性质不同其 作j j 机制大致可分为如下五种：机械刺激，如普通沙尘或饲料粉末等颗粒对眼结膜和呼吸道 粘膜的刺激：化学刺激，如硫酸、硫磺及溶于液体颗粒中的n h ”h 2 s 等对跟结膜和呼吸道粘 膜的刺激：化学毒害，如芳香烃等有毒物质经呼吸道进入机体后产生的毒性；生物刺激，如 花粉和霉菌孢子作用于呼吸道和皮肤等引起过敏；引起感染，如流感病毒经呼吸道吸入感染、 册螨等寄生虫经皮肤感染等。微生物气溶胶在一定条件f 可引起动物感染甚至传染病的传播 和流行。经空气传播的传染病根多。如口蹄疫、炭疽、禽流感、呼吸综合征、结核病、牛肺 疫、禽曲霉菌病、鸡传染性喉气管炎、鸡痘、q 热、流行性出血热等1 6 。气溶胶含量的增加 真接影响辐射尤其是短波辐射减弱以及光谱分布的变化常导致削减光合作用，推迟或延长 生长季，影响生物质的积累。当然也要考虑在低光强度下，有些作物的生长相对强些甚至 可能在较高光强度情况下更明显，此外还应考虑气溶胶的辐射强迫造成的使温度趋于减低和 使降水趋于减少所引起的综合效应，包括与碳增加的协同作用。向火气排放的s 0 2 并转化为 s 0 4 一，造成的气溶胶是产生酸雨的主要原因之一。酸雨对环境生态的影响在我国和世界的研究 都取得了较大的进展，人们对酸雨的环境生态效应有了较充分的认识。大气气溶胶含量的增 加，对u v b 辐射有明显的衰减作用。u v b 辐射对人类健康具有许多有害影响，对生态系统、 西南农业大学坝j ：学位论文 第】章文献综述 空气质量和材料均有不同穰度的破坏性效应，也能促进夫气r f 的光化学反庶速率增强 6 7 , 6 5 7 】。 气溶胶的分布、物理化学性质及地表状况这些因子都有极大的时间空间变率，晖l 此客观准 确地给出气溶胶的化学成分、粒子尺度谱分布及其时空分布等特征是准确计算气溶胶气候效 应的前提条件。根据气溶胶的光学特性，各领域通过不| 占j 途径提了获取气溶胶信息参数的 方法，其中遥感气溶胶参数具有独特的优势”l 。 l - 2 大气气溶胶的气候效应 气溶胶对气候的影响一方面表现为大气中的气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射、地面辐射 出的| = 乏波辐射，从雨影响地一一气辐射收支：另一方面气溶胶浓度变化影响云的光学特性、云 照、云的寿命，而云的变化反过来影响气候”】。气溶胶对全球温室气体热效应的阻磷作川庄上 个吐纪已被人们所认识但这种冷效应具有很大的币确定性，气溶胶的影响力和不确定性可 能要比一般模璎中模拟的大得多，因而认识气溶胶的气缦簸应对预测全球变暖更具有重要意 义1 5 。”。 1 2 1 直接辐射强迫 由气溶胶的散射和吸收引起的太阳辐射变化称之为直接辐射强迫。气溶胶在复杂多变的 辐射和微物理过程中增加了太阳辐射的太空反射。通过1 9 8 5 1 9 9 0 年卫星辐射收支观测显示 地球吸收了2 3 8 ( 2 ) w m 。2 的太阳辐射发射 2 3 5 ( 2 ) w m 。的长波辐射。如果把气溶 胶持续减少到工业化以前的水平( 在假设条件下) 长波辐射将增加到2 3 7 4w m 2 ( 2 3 5 + 2 4 ) ， 吸收的太阳辐射将增加到2 3 8 5 2 4 0 5w i n 2 2 3 8 ( o 5 覃2 ，5 ) 一。 反映粒子对辐射散射吸收的一个重要参数是散射反射率( s s a ) ，它是散射与散射吸收总 最的比率。在可见长波波段，s s a 约为0 2 。犬部分北半球的s s a 范围在0 8 5 一- 0 9 5 之间。当s s a 超过0 9 5 时，气溶胶在大气层上界( t o a ) 表现为负教应：当s s a d , 于0 。8 5 时，气溶胶在犬气 层上界( t o a ) 表现为正效应。在值域区间，其净效应因云的形状、大小、表面反射率、垂 龃t 溶胶和云的分布的变化丽变化。全球气溶胶的平均数量和1 o a 的直接强迫因而填有很大 不确定性，目前许多研究者获得的全球气溶胶在t o a 的直接强迫值在一0 s 至u + o2w m 。之间 1 9 - 1 3 1 。 在印度洋的试验( i n d o e x ) 中研究者发现覆盖在5 。s 热带印度洋以北大部地区约3k m 的 气溶胶层，几乎持续了整个干季。它的光学厚度为o 3 ，s s a 约为0 9 ，平均化学组分为：硫酸 盐( 3 2 ) 铵( 8 ) ，有机物( 2 6 ) ，氮( 1 0 ) ，黑碳( 1 4 ) ，千灰( 5 ) ，粉尘( 1 0 ) 及钾( 2 ) 。地表负向强迫达1 4w m - 2 1 ”。 1 2 2 间接辐射强迫 气溶胶在大气中吸收太阳辐射，加之对它的反射，使得到达地面的辐射太大减少。气溶 胶对气候的影响主要是通过作用于云的凝结和冰核气溶胶的增加引起液滴数鼙的增加。而 2 西南农业大学硕士学位论文 第1 章文献综述 后者的增加又引起太阳辐射在太空中反射的增加，从而导致气候的冷却。云滴和冰晶毛要由 气溶胶中直径大于0 0 5l a m 的粒子( 尤其是硫酸盐粒子) 提供凝聚核，有机物也可提供。人类 活动产生的气溶胶增加了云的凝聚核( c c n ) 和云滴的数量密度，同时减小了云滴的尺度， 这在卫星遥感的火尺度l 也得到了证实。气溶胶可以通过种半向效应在云的表厩产生增温， 通过黑碳吸收的太阳热量可以蒸发掉一部分云，使更多的太阳辐射到达地面【1 0 , 1 “2 0 。 根据i n d o e x 云和气溶胶资料进行的云辐射模型模拟中，t o a 的间接辐射强迫达5 w m 。因硫酸盐气溶胶引起的全球平均间接辐射强迫在1 03 w m 。之间。硫酸盐与含碳气 溶胶共同作用引起的变化在一2 - o 5 w m 。之问。观测数据和全球平均模型估计均显示，在t o a 由r 间接辐射强迫引起的冷却效应要显著大于蠢接辐射强迫，但是在地球表面商接辐射强迫 的贡献最大1 0 , 1 5 , 1 2 , 1 4 。 i23 间接大气化学作用 在中纬度地区，低空对流层的气溶胶和氟氯化碳的增加与对流层中臭氧的减少有密切关 系( 在过去1 5 2 0 年中平均每1 0 年减少3 ) ，臭氧是种辐射吸收性气体。在低空对流层增渝 与氟氯化碳的增加有关，而冷却与臭氧的减少有关。非极地区域的低空对流层中臭氧的多相 化学损耗与硫酸盐粒予表面的反应有关，主要是表面的n 2 0 5 平| c i o n 0 2 在水解作用下形成 h n o ，。臭氧的减少同气溶胶层的高度变化及其化学变化也紧密相关【2 “2 “。 1 3 大气气溶胶的遥感分析 对大气气溶胶的准确探测难度较大目前都是直接或间接通过遥感非接触的方式进行观 测，主要包括利用太阳光度计资料反演，运用雷达和卫星探测以及利用气象辐射相关资料 反演。 1 3 1 太阳光度计 太阳光度计是目前反映对流层气溶胶特征的资料重要观测手段，同时常用太阳光度计的 观测结果对遥感结果进行对比和校正1 2 3 , 4 0 1 。 二十世纪七十年代，人们开始利用惯性分光计测量气溶胶颗粒的火小分布，分光计通过 发射滤光器放大可以保留全部尺度气溶胶信息，因此可以研究气溶胶的多分散特性 2 4 1 。 在不同地区或用不同波长的太阳光度计对大气气溶胶进行观测，可以测量它的混浊度以 及研究它的消光特性、估计气溶胶粒子的光学厚度，还可进一步分析气溶胶光学厚度的时间 模式，并对异地问的时间模式和海拔差异进行对比，以便调查待估域的光学特性0 2 5 “。 1 9 9 8 年，美国航空宇航局( n a s a ) 支持的遥感气溶胶监测网络( a e r o n e t ) 计划中， 把c i m e l c e - 3 1 8 太阳光度计作为获取自动观测的气溶胶特征资料的常规手段8 ”。 两南椒业大学顾七学位论文 第1 章文献综述 1 3 2 雷达探测 运用雷达探测技术，可以更好的探测平流层和对流层中气溶胶光学特性的垂直分布特征。 印度热带气象学院( 1 9 9 7 2 0 0 0 ) 用连续波收发分置的氩离子激光雷达和分光辐射计对日出 前和日落后热带城市气溶胶分布的差异进行了研究，研究结果显示，在全天观测中，近地面 大气层的气溶胶浓度高，而上层的较低。另外，冬季早晨( 日出前) 的浓度较大，晚问( 日 落后) 的浓度较小，在雨季前正好相反。认为这些差异同雨季前的对流活动、湍流混合以及 冬季实验站近地匝薄雾层有关“。 2 0 世纪九十年代，中科院在安徽省合肥市( 3 l ，3 l 。n ，11 7 1 7 。e ) 先后建立了l 6 2 5 i l 3 0 0 两台激光雷达系统。l 6 2 5 激光雷达积累了5 3 2n m 波睦平流层气溶胶消光特性的资料。l 3 0 0 激 光雷达积累了各种大气条件下近地面层大气水平能见度、5 3 2r l l n 波长大气气溶胶水平消光系 数和消光系数垂直分布的探测资料。这些气溶胶光学特性时空演变的资料为建立大气气溶胶 的光学模式提供了丰富的实验数据。 测量结果表明，对流层f 部有一充分发展的较厚的气溶胶层，一般而言，气溶胶消光系 数随高度的增加而减小。对流层气溶胶消光系数垂直分布具有多层结构的显著特点。 1 3 3 卫星遥感 测量平流层气溶胶和臭氧的技术手段多种多样，有地基激光雷达、光度计、气球载气溶 胶和臭氧探测仪( d u s t s o n d e 、o z o n e s o n d e ) 光谱计及极化辐射测量仪等等。这些技术大多具 有测量精度高丽且可靠的优点，其测量结果常用来验证卫星遥感测量值，但这些技术受到空 间或时间e 的限制【 3 9 1 。 1 9 7 5 年s a ml 探测平流层气溶胶的成功，开创了卫星遥感探测平流层气溶胶的新时代。当 前卫星搭载的应用于气溶胶观测较多的是美国的s a g e1 1 1 、a v h r r 、m o d i s 、e o s p 及g i a s 传感器，欧空局的g o m o s 传感器，印度的m o s ( - a ，一b ，一c ) 传感器，法国的p o a m - l i 传感 器。 其中s a g e1 1 1 传感器于1 9 9 8 年开始使用，共有9 个通道。因它们含有对气溶胶散射灵敏的 通道，而用来测量气溶胶消光。它采用了太阳遮光技术，在日升和日落时，测量经大气衰减 后一定波长的太阳辐射强度的垂直廓线。仪器在切线高度测得未经大气衰减的太阳辐射而，随 着卫星的下降，得到经大气衰减后的测量值，( 的；大气透过率则为：r 以d = k 岛) o 。 携带m o d i s _ n 的e o s a m 卫星已于1 9 9 9 年1 2 月8 目在加州m d e n b e 唱空军基地被成功 送入轨道。m o d i s - - n ( n a d i r ) 共有3 6 个通道( o 。4 1 5 1 4 2 3 5 “m ) ，m o d i s - - t ( t i l t ) _ 共有 3 2 个通道中心波长均匀分布在0 4 0 o 8 7 5u m 之间。m o d i s 主要由光谱的反射和热发射的测 攮确定云和气溶胶粒子的光学、微物理学和物理学的特性，此外，还用于测量0 3 总璧、可降 水的总水汽量和大气稳定度等是一类功能很强的探测器”1 4 1 1 。 通过星载传感器探测结果可以分析气溶胶的光学特性。m o d l s 卫星遥感气溶胶的结果与 4 西南农业大学硕士学位论文第t 章文献综述 地面多波段太阳光度计的观测结果之间有较好的相关性。运用双通道方法对n o a a - - 1 4 极轨n 星甚高分辨率辐射计( a v h r r ) 的反射率资料可以反演整层大气气溶胶光学厚度，精度 9 0 。 利用n o a a 卫星、f y l c 卫星和g m s 5 及f y 一2 b 卫星上的星载扫描辐射仪监测沙尘暴气溶胶 的原理和方法，对2 0 0 0 年4 月6 7 目发生在我国内蒙古地区至华北一带的强沙尘暴进行分析， 结果证明l j 星遥感不仅能监测到沙尘暴的发生，还能有效地监测其发展和演变 4 2 , 3 t , 3 2 l 。 另外通过模拟g m s 5 卫星可见光通道的表观反射率，利用不同大气气溶胶模型、不同下 垫面反射率以及不同气溶胶光学厚度的敏感性，结合地面多波段太阳光度计观测数据，成功 反演了巢湖上空人气气溶胶光学厚度。结果表明，反演所得0 5 3 3 6g m 气溶胶光学厚度强烈依 赖于湖面反射率的选取，通过选取合适的潮面反射率，卫星反演的气溶胶光学厚度和地面光 度计遥感的月均值相对误差不超过3 0 1 3 ”。 1 34 气象资料 地表的太阳总辐射和漫射太阳辐射对大气气溶胶散射光学特性具有敏感性，利用宽带谱 ( o 3 4g m ) 辐射信息( 包括太阳总辐射、直射辐射和漫射太阳辐射) 可以反演大气气溶胶 散射光学厚度。 把太阳曝辐量( 太阳直接辐射1 天或1 小时累计量) 与“等效”的瞬时太阳直接辐射关联 起来，建立一个与曝辐量“等效”的瞬时太阳赢棱辐射模式，应用该模式承i 一个“等效”波 长模式，可咀从太阳直接曝辐量反演气溶胶光学厚度。试验结果表明由日太阳直接辐射曝 辐量反演得到的气溶胶光学厚度可理解为辐射加权的日平均光学厚度。 邱金桓等( 2 0 0 1 ) 应用探测的太阳宽带直射辐射信息，反演得到了大气气溶胶光学厚度 资料，并发展了一个应用地面气象能见度和水汽压信息确定大气拄气溶胶光学厚度的参数化 模式，试验证明中国许多地方气溶胶粒子浓度垂直衰减较慢，它比e l t e r m a n 模式更适台中国的 广大地区。 周秀骥等( 1 9 9 8 ) 和罗云峰等( 2 0 0 0 ) 都成功的利用太阳直接辐射日总量和日照时数等 多年观测资料，反演了中国地区大气气溶胶0 7 5u m 光学厚度的年、月平均值，分析了我国大 气气溶胶状况的时空分布特征。据此，模拟中国各地气溶胶直接辐射强迫的大小及气候响应 的季节变化特征3 “”。 5 西南农业大学硕士学位论文第2 章引言 2 1 研究的目的和意义 第2 章引言 在i 0 0 年前已有人提出气溶胶可能对云的寿命有影响，而使气候发生变化，但未能进步 研究f ”i 。2 0 世纪7 0 年代有人注意到气溶胶的气候效应。s c t l w a n t z ( 1 9 9 6 ) 发现工业区上空气 溶胶辐射因气溶胶辐射强迫的不确定性而具有不确定性。c h u a n g ( t 9 9 7 ) 应用藕合的气候化 学模式，研究了人为硫酸盐气溶胶的商接辐射强迫和间接辐射强迫，r a m a n a t h a m g l r o t s t a y n ( 2 0 0 1 ) 分别对气溶胶与气候响应关系进行了探索性研究”“”。我国学者近年来也在大气气 溶胶的光学特性参数方面进行，大量卓有成效的研究3 r 3 6 3 8 5 0 “i 。 大气气溶胶的研究，已进入到一个崭新的阶段。就气溶胶研究的发展趋势来看，已从塞 外环境向室内环境、区域环境、全球环境发展；从平流层f 句对流层发展；并将气溶胶的特性 与环境效应( 如气候效应) 、生态效应( 如健康效应) 以及大气化学过程密切结合起来，向更 深的层次和更广的范围开拓。研究的目的性更明确，其应用性更强：研究的内容更为综合， 应用的手段更为多样。人类活动引起的土地利用变化、城市化和沙漠化及自然或人为因子引 起的地表特征和气候变化，沙尘气溶胶对酸雨的中和作用、对硫酸盐气溶胶的形成及其谱分 布和对海洋微量成分循环过程的影响将继续是科学界广泛关注的问题。 重庆市位于中国西南部，长江上游，地跨东经1 0 5 0 l l l l o 。1 1 、北纬2 8 。1 0 3 2 。1 3 之间， 东西长4 7 0k m 南j b 宽4 5 0k m ，总两积8 2 ，0 0 0k m 2 ，由于重庆具有山谷盆地的特殊地理环境， 岩溶地貌的脆弱生态环境，土壤的面源污染，高硫煤炭资源的开发与利用。以及大量工业和 生活燃料排放的废气，构成了气溶胶生成的有利条件。冬春季重庆上空常常为浓厚的烟雾层 所笼罩，能见度很低，日照率仅为2 5 4 0 ，属于全国低值区，严重影响了城市的交通和人 们的生活i ”l 。因此，对气溶胶特征和规律进行研究是非常必要的。特别是近年全球变暖，我 国北方持续暖冬，而重庆各地( 西南大部地区偏低) 冷暖不一p 】，这种变化与气溶胶变化之间 是否具有密切关系，已有研究表明气溶胶中含有大量酸性盐，气候的变化对酸沉降究竟有何 影响，因此研究蓑庆局地气候对气溶胶辐射强追的喃应更加具有重要的意义。 2 2 研究目标 以卫星遥感数据( m o d i s ) 为主要信息源，通过参数模型，进行气溶胶光学厚度的定量 化研究，探讨非均匀下垫面情况下气溶胶与气候效应的响应关系，探索遥感技术在大气污染、 区域气候效应方面的应用，为研究重庆p m 25 和p m l 0 的浓度、来源和路径，重庆小尺度气候 的成因提供科学依据。 6 西南农业大学硕士学位论文第2 章g i 言 2 3 研究内容 本项研究运用新一代中分辨率成像光谱仪( m o d i s ) 数据和光、温等多年气象观测资料 拟进行以卜研究： 1 、建立滤云指标，选择重庆地区的m o d i s 数据进行定标、滤云。 2 、提取适台通道提取气溶胶信息，进行信号增强处理，建立非均匀下垫面的气溶胶光学 厚度定最化模型。 3 、运用定量的光学厚度值，根据气溶胶的光学性质及辐射、日照、气压、云量等观测资 料研究它的辐射强迫效应及其空间特征。 4 、结合气象常规温度观测资料，分析气溶胶的辐射强迫与气候效应的响应关系。 2 4 技术路线 圉1 技术路线图 f i g i f l o wc h a r t 0 1 1e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 第3 章大气气溶胶信息的遥感反演 3 1 大气气溶胶光学厚度的反演算法 3 1 1 反演背景 由于半透明气溶胶层一f 的地表反射率性质各不相同，因此水体和陆地上空的气溶胶的反 演算法也不相同。目前气溶胶的卫星遥感主要采用单通道( 如地球同步卫星g o e s 、 m e t e o s a t ) 或取通道( 如极轨卫星a v h r r n o a a ) 方法，但反演都必须假设一个气溶胶 模型。犬面积的陆地气溶胶含量还很难反演，因为地表反射率不确定，它随波长而变化。但 在像林区等植被覆盖率极高的情况下，地表在红绿波段的反射率很低，可以近似为黑体， k a u f m a na n ds e n d m 等提出了反演算法。m o d i s 蓝光通道( 目前的a v h r r 不存在) 的特性为 陆地气溶胶的反演提供了可能，在该波段中，地表接近于黑体，而气溶胶有较大的散射。 3 1 2m o d i s 的特点 m o d i s 是e o s 计划( 又称t e n a 计划) 中用于观测全球生物和物理过程的仪器，每天可完 成一次全球观测。星下点空间分辨率可为2 5 0m 、5 0 0m 或lk m ，它能提供0 4 1 5 1 4 2 3 5u m 之 问的3 6 个离散波段的图像，其中有7 个波段具有研究气溶胶的潜力，光谱覆盖了四分之三的焦 平面，包括可见光( v i s0 4 1 2 - 4 ) 5 5 1 岬) 、近红外( n 1 r0 6 5 0 - 4 ) 9 4 0l u n ) 、短波红外和中波 红外( s w i r ，m w i r l 2 4 0 - - - 4 5 6 5 “m ) 。灰度量化等级为1 2 b i t s ，m o d i s 的视幅宽度为2 ，3 3 0k m ， 探测器扫描角度沿星下点向东西方向最大摆幅5 5 0 。 表ie o s a m l 、p m - i 技术参数 t a b l elc h a r a c t e r i s t i c so f e o s a m la n dp m - 8 西南农业大学舰i ：学位论文第3 章 大气气溶胶信息的遥感应演 表2m o d i s 通道参数 l a b l e2c h a r a c t e r i s t i c so f t h em o d i sc h a n n e l su s e df o rt h ea e r o s o l sr e t r i e v a l 瑞地云汽溶 胶 边界 睹地云汽溶 腔 恃惶 8 4 l 8 7 6 4 5 9 4 7 9 5 4 5 - - 5 6 5 i 2 3 0 - - 1 ，2 5 0 i6 2 8 1 6 5 2 2 ，1 0 5 2 ，i5 5 2l8 2 4 7 3 53 2 9 54 73 l 3 1