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中科院战略性先导科技专项:气溶胶时空分布遥感观测课题
时间:2016-08-29

  一、项目概况 

  中国科学院战略性先导科技专项“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”项目十“我国气溶胶历史变化及气候效应”课题二“气溶胶时空分布遥感观测”的研究目标是利用遥感观测手段获取大范围、长时间序列的气溶胶时空分布数据,为气溶胶气候效应研究提供基础数据集,为降低气候变化评估不确定性提供重要的观测支撑。 

  该课题由中国科学院遥感与数字地球研究所、中国科学院大学、中国科学院合肥物质研究院,安徽师范大学联合开展研究,执行期五年(2011-2015)。 

  二、项目成果 

  课题组在气溶胶遥感机理、大气顶地气信号解耦合方法、陆地上空气溶胶遥感反演技术、气溶胶垂直特性遥感探测技术、中国特殊类型气溶胶遥感识别方法、与气溶胶相关的云参数卫星观测、海量遥感数据高性能计算技术等方面进行了系统的深入研究,取得了以下研究成果: 

  (一)基于AVHRRMODIS数据,发展和改进了考虑地表双向特性长时间序列气溶胶光学厚度快速反演算法,摆脱了传统的暗目标方法对中红外通道信息的依赖,获得了30年(1985-2014)时间跨度10km分辨率的气溶胶光学厚度基础数据集。 

  (二)发展基于星载激光雷达、多角度偏振等先进传感器的气溶胶和云参数反演方法,解决了传统地面探测手段区域覆盖度低的问题,实现了中国区域的空间覆盖探测。获得了17年(1997-2014)的云量、云类型、10年(2006-2015)的大气边界层高度和12年(1996-2013期间)气溶胶细粒子光学厚度数据集。 

  课题已于2016720日在中国科学院大气物理研究所完成验收。执行期内,课题共发表文章32篇;专著2部;申请专利1项,获得国家科技进步奖1 项,国家自然科学基金优秀青年基金1 项,北京市优秀青年基金1 项,培养博士后2人、博士研究生6人、硕士研究生8人。 

  11985-2014年中国气溶胶光学厚度数据集 

  AVHRR作为1978-2000年间主要的全球对地观测传感器,可提供发射至今30多年每天全球覆盖的观测数据。但是NOAA只提供了海洋上空的气溶胶光学厚度全球覆盖产品,而其传感器设计也限制将暗目标等经典反演方法的应用。 

  课题在充分考虑了时间序列观测中地表双向特性对气溶胶光学厚度反演的影响,在对其进行敏感性分析与不确定性分析的基础上,构建可操作性的气溶胶光学厚度反演策略流程,使其更适合大区域和全球尺度上模型求解与计算。并分别对比分析长时间序列的AVHRR地表反射率与“大气校正”后的地表反射率结果,和AVHRR AOD反演结果与地基AERONET AOD观测数据。AOD反演误差为±0.15。进一步构建了1985-2014年中国30年长时间序列气溶胶光学厚度结果数据集,填补了1985-2000年中国陆地气溶胶光学厚度数据的空白。 

1. 1985-2014年中国地区平均气溶胶光学厚度分布图 

  21996 -2014年中国区域云量卫星遥感数据集 

  基于研发的基于多光谱特性和纹理特征的云识别算法,构建了1996 -2014年中国区域云量卫星遥感数据集,显著提高了云量数据集的空间分辨率。 

2. 中国区域云量卫星遥感数据集 

  31996-2013年中国细粒子气溶胶光学厚度数据集 

  结合气溶胶散射、多角度偏振等特性,利用偏振、多波长、多角度卫星遥感器对不同大小、类型粒子敏感度的不同,提出中国区域气溶胶光学厚度多角度偏振遥感反演模型,系统提高中国区域气溶胶卫星遥感的精度和覆盖范围。同时,结合地基遥感验证系统来证实所获结果的准确性,在此基础上构建了1996年、1997年、2003年、2005-2013年近12年中国区域细粒子气溶胶特性数据集。 

3. 2005-2013年中国区域细粒子气溶胶特性分布图 

  42006-2015年中国大气边界层高度卫星遥感数据集 

  传统的大气边界层高度探测方法通常受限站点位置或者是飞行航线,在沙漠、海洋、高山等不便通行的地区缺乏观测。而若要实现全区域密集观测,则需要更高的人力及财力资本。而通过星载激光雷达获取大气边界层高度(PBLH)可以弥补这一不足,实现全天时、高分辨率的区域监测,是开展大气边界层高度探测的有效手段和工具。但是目前CALIOP无官方大气边界层高度产品。课题在进行数据平滑处理和云污染廓线剔除的基础上,联合小波分析法和最大方差法,分别获取大气边界层的结果。然后根据二者的差异,建立一个综合的评价方案来进行大气边界层高度结果的优化,在结合地表信息的基础上,获得大气边界层相对高度,实现区域大气边界层高度反演,获取中国区域2006-2015年季平均大气边界层高度数据集。 

4. 2006-2015年中国地区大气边界层高度分布图

    这些研究可为气溶胶气候效应评估、模式模拟验证等提供基础观测数据,为自主应对气候变化提供重要支撑。 

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