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国家“973”计划:多尺度气溶胶综合观测和时空分布规律研究
时间:2016-08-29

  一、项目概况 

  该项目由顾行发研究员任首席科学家,面向气溶胶遥感科学前沿以及国家对中国区域30年气溶胶特性的时空变化规律、气溶胶与气候效应关系的重大需求。由遥感地球所负责,国家卫星气象中心、中科院大气物理研究所、中科院安徽光学精密机械研究所、环境保护部卫星环境应用中心和解放军理工大学等6个单位共同承担。项目执行时间为2010年至2015年。 

  二、项目完成情况 

  (一)中国和全球重点区域气溶胶微观特性研究 

  发展了气溶胶地基综合观测的新方法和新技术体系;提出了主被动遥感结合的气溶胶垂直分布观测新方法和技术;分析了我国典型黑碳、沙尘、硫酸盐等气溶胶成分特性;构建了气溶胶理化—光学特性转换模型;生产并提供了典型区域较长期的地基光学厚度观测资料;建立了我国气溶胶地基观测定标和新一代气溶胶地面监测网群以及数据处理中心;对中国及全球重点地区的气溶胶性质进行了对比。 

  (二)中国和全球重点区域气溶胶的宏观尺度研究 

  针对卫星长时间序列气溶胶反演对遥感数据辐射定标高精度一致性要求,重点解决多平台遥感器长序列数据一致性定标问题。提出了采用仪器在轨状态参数趋势分析、稳定目标场跟踪、全球多场联合定标和交叉定标等多种替代定标方法,突破了FY-3/MERSI星上定标不能业务化的定标关键技术难题,实现MERSI高频次高稳定度的在轨替代定标,并完成了FY-3A/3B MERSI长时间序列历史数据辐射再定标。 

  构建了30年的AVHRR长时间气溶胶数据集。研究制作FY-3系列卫星上MERSI传感器5年全球气溶胶气候产品数据集,提供MERSI观测反演的5年气溶胶光学厚度参数气候数据集。 

  提出了新型气溶胶反演算法。包括基于高光谱长波红外观测的陆地沙尘高度及光学厚度同步反演算法,偏振气溶胶反演算法以及基于MSG静止卫星高时相数据气溶胶反演新算法。 

  收集20年的SAGE气溶胶资料分析全球和东亚地区平流层气溶胶的时空分布特征以及近10年的地基激光雷达观测数据,得到全球2040km光学厚度的四季分布起全球分布。考虑平流层20~40km气溶胶光学厚度在不同波长的季节变化。对比火山爆发前后,气溶胶光学厚度的变化,考察消光系数随高度的变化。其次,在剔除火山影响后,给出平静期东亚20~40km气溶胶光学厚度气候态。 

  (三)气溶胶格局特征和时空变化研究 

  项目组针对中国京津唐城市群首次系统开展了机、星、地气溶胶综合试验。项目建立了面向全国的气溶胶特征研究的基础数据平台,用于分析和显示气溶胶实验数据。针对气溶胶航空观测数据共享,项目建立了气溶胶航空观测数据共享子系统。 

  项目收集、整理和处理了多源卫星气溶胶光学厚度数据、气溶胶模式数据产品以及多种来源的地基气溶胶光学厚度数据。项目对多源气溶胶产品进行了详细的中国地区的差异性、有效性与适用性分析研究,对多源卫星气溶胶光学厚度卫星产品进行评价及验证。在前期进行多源遥感卫星气溶胶光学厚度产品的不确定性分析研究成果的基础上,开发了新的气溶胶光学厚度融合算法。 

  构建了多源气溶胶时空分布数据库与显示分析平台,基于35年中国及典型地区数据进行了气溶胶光学厚度时空规律特征分析。 

  (四)气溶胶对气候影响的模拟和评估 

  基于观测资料和模式定量估计了中国区域的气溶胶直接辐射效应;利用RIEMS-Chem区域模式研究气溶胶直接辐射强迫;利用全球大气化学-气候模式研究中国地区的气溶胶辐射强迫;进行了气溶胶辐射强迫对气溶胶光学参数的敏感性分析并结合观测进行了模拟验证;分析了东亚地区气溶胶直接辐射强迫的时空分布及年代际变化;分析了气溶胶对中国降水的影响;对华北地区气溶胶垂直分布进行了观测研究。

中国典型地区气溶胶类型空间分布差异

  三、研究水平与创新 

  该项目重点攻克了气溶胶遥感天、空、地观测新技术,发展了新型气溶胶参数反演算法,建设了我国典型区域地基气溶胶遥感观测网络,构建了中国典型气溶胶模型和气溶胶数据集融合算法,制作了稳定可靠的中国区域近30年气溶胶光学厚度数据集,系统分析了中国区域近30年气溶胶特性的时空变化规律,并利用模式模拟了我国近30年气溶胶辐射强迫的均值与变化趋势,对我国气溶胶的环境评价以及对评估气溶胶的气候变化效应具有十分重大的意义。 

  该项目在气溶胶观测基础设施、气溶胶遥感新方法和新技术、气溶胶时空分布数据集、气溶胶时空分布特征和气候效应认知等四方面取得了创造性的研究成果。具体成果如下表所示: 

   

  1. 项目研究成果亮点总结 

  四、实施效果 

  本项目面向气溶胶遥感科学前沿以及了解中国区域气溶胶特性时空变化规律、气溶胶对气候变化影响等国家重大需求,在中国区域气溶胶多尺度遥感融合产品数据集构建、中国区域气溶胶时空变化规律认知、中国典型区域气溶胶地基遥感观测网络建设等方面取得了创新性成果。首次系统构建了中国近30年空间无缝、时间连续的气溶胶光学厚度数据集,在此基础上首次获得了近30年中国及其典型地区的气溶胶时空变化特征。本项成果的研究结果提高了对中国气溶胶时空变化特征的认知水平,为降低中国区域气溶胶气候效应的不确定性提供了重要支撑,结束了中国气溶胶气候效应评估基础数据一直由外国科学家、外国数据主导的时代,客观定量地展示了改革开放以来中国气溶胶的时空变化规律,对评价改革开放三十多年来经济社会发展模式对环境与气候的影响具有重要科学参考价值。 

  五、人才培养 

  项目执行期内有4人由副高级职称晋升为正高级职称,11人由中级职称晋升为副高级职称,培养博士后10人、培养博士研究生51人和硕士研究生45人。 

  项目研究团队十分重视青年科研人才的培养。项目执行期间,项目团队研究成员获得国家科技进步奖、多项省部级科技进步奖励、国家自然科学基金优秀青年基金、“中国科学院卢嘉锡青年人才奖”、“全国优秀博士学位论文提名”、北京市优秀青年人才奖,以及多项自然科学基金资助等多项奖励。此外,项目还以联合资助、合作交流等形式与欧美等多个国际知名气溶胶研究团队联合培养青年科研人员。 

  六、合作交流 

  2010-2014年间,项目组成员参加的国际和国内学术交流会议共77余次。此外,项目以联合资助、合作交流等形式与欧美等多个国际知名气溶胶研究团队联合培养青年科研人员。 

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