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1.
卫星遥感温室气体的大气观测技术进展
杨晓钰, 王中挺, 潘光, 熊伟, 周伟, 张连华, 王兆军,
大气与环境光学学报 2022, 17 (
6
): 581-597.
摘要
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2312
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全球、区域及城市的碳浓度、碳源汇信息是应对气候变化、达成双碳目标、完善国际谈判、支持治理政策制定与执行的重要依据。国际认可的“自上而下” 方法将卫星观测作为基础的通量计算技术, 是验证温室气体排放清单的重要手段。系统介绍了温室气体的卫星探测载荷原理、类别和发展, 以及反演、估算CO2、CH4 和N2O 的浓度和排放通量的方法, 还有探测缺失和误差存在的影响因素等; 分析了对卫星探测温室气体能力提高的迫切需求, 浓度反演和排放量估算精度不足, 以及N2O、氟化物等其他温室气体遥感研究缺乏、地基遥感验证能力薄弱等问题; 最后总结了我国温室气体卫星遥感技术的发展趋势, 主要是面向主被动高时空分辨率卫星的研制应用、高精度多尺度排放量估算(特别针对城市、小区域和点源尺度)、氟化物遥感评估等主题, 以加强对碳排放的量化观测, 并增强对碳循环的理解, 提高感知和应对气候变化的能力。
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2.
成都市PM2.5、PM10变化特征及其与气象因素的关系
李瑞
大气与环境光学学报 2023, 18 (
1
): 47-58.
摘要
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2309
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为研究气象因素对成都市大气细颗粒物 (PM2.5)、可吸入颗粒物 (PM10) 的影响, 收集了2015―2018 年成都市 PM2.5、PM10的月平均浓度, 采用Pearson 相关分析法, 分析了成都市PM2.5、PM10与气象条件的关系。结果表明: (1) 2015 ―2018 年, 成都市PM2.5、PM10年平均浓度虽然年际间差别较小, 但整体呈现逐年缓慢下降趋势, 2015 年以来成都市的 一系列大气污染控制措施是PM2.5、PM10逐年缓慢下降的原因; 2015―2018 年成都市PM2.5、PM10浓度季节变化特征整体 表现为冬季 > 春季 > 秋季> 夏季。(2) 不同气象因素对成都市PM2.5、PM10月平均浓度的影响程度不同, 降水量与气温 是影响成都市PM2.5、PM10月平均浓度的主要因素, 两者与PM2.5、PM10呈较高的负线性相关, 其中PM2.5、PM10与降水量 的相关系数均为 −0.612, 与月平均气温的相关系数分别为 −0.822、−0.776, 降水会通过捕获大气中的颗粒物来去除 PM2.5、PM10, 而温度的升高会加强PM2.5、PM10等污染物在垂直方向上的对流运动, 从而对成都市污染物浓度的降低起 到重要作用; 日照时数、月平均风速、相对湿度等与PM2.5、PM10月平均浓度整体也呈现负相关, 但与降水量和气温相 比, 日照时数、月平均风速与PM2.5、PM10月平均浓度的相关性较低, 而相对湿度与PM2.5、PM10月平均浓度的相关性则 更加微弱, 表明相对湿度的变化对成都市PM2.5、PM10的积累和扩散影响很小。
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3.
可见光/红外全天空成像仪和云雷达联合反演云高
苏源, 吴林林, 陶法, 胡树贞, 程欣
大气与环境光学学报 2023, 18 (
2
): 89-98.
摘要
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2287
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216
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为解决大部分设备无法单独获取全天空云底高度的问题,基于中国气象局大气探测基地可见光/红外天空成 像仪和毫米波云雷达2019 年6 月的灰度值与云底高度数据,利用辐射传输模式计算地面8~14 μm波段向下红外辐射 随天顶角的变化关系,并根据红外波段测得的天顶云底灰度值与非天顶位置的天顶角余弦灰度值之间的线性关系, 从 而反演得到全天空云底高度。结果表明: (1) 相比于全天无云的情形,在一天的相同时间时,全天有云时的天顶灰度值 较高。(2) 当云底高度为2000 m以上且云层较厚时,云底高与红外模块所测灰度值的相关性明显好于云层较薄的低 云。(3) 2019 年8 月12 日的个例验证结果显示,反演云高与通过云雷达测得的实际云高相关系数为0.956,而与取天顶 附近约30°天顶角得到的云高相关系数为0.9508。
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4.
基于卫星资料的合肥市热岛效应时空演变及其影响因子分析
赵强, 谭璐, 方潜生, 刘常瑜, 马可, 朱曙光,
大气与环境光学学报 2023, 18 (
2
): 153-167.
摘要
(
2269
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为研究合肥市近二十年的城市格局演变和热岛效应变化, 基于2005、2009、2015、2020 年每年10 月份的Landsat 卫星影像对合肥地区进行了土地分类以及地表温度反演, 并提取归一化差值裸地与建筑指数 (NDBBI)、植被覆盖 度 (FVC)、改进的归一化差异水体指数 (MNDWI) 以及人口密度进行了多元回归分析, 进而建立数学模型对合肥主城 区的热岛效应及影响因子进行了分析。结果表明: (1) 从2005 年到2020 年, 强热岛区增加了15.03 km²。热岛标准差 椭圆分布方向为东北—西南方向, 椭圆的范围逐年扩大, 热岛质心集中在蜀山经开区, 且81.90%的强热岛区为较高与 高核密度工业区。(2) 地理探测器分析结果表明各影响因子对地表温度的解释力从大到小为: NDBBI (0.542)、 MNDWI (0.409)、FVC (0.379) 和人口密度 (0.018)。(3) 岭回归处理后的多元线性模型 (R² = 0.654) 研究结果表明, 影响 地表温度的主要因子为NDBBI, 而人口密度的影响则较小。(4) 地理加权回归模型 (GWR) 的分析表明, 各点的相关 系数R²在0.489~0.667 之间, 建筑物与道路密集的城建区R²最高。NDBBI高值集中在经开区等地, 最高值达到0.9 以 上, 在GWR模型中人口的系数依然很小, FVC系数高值区集中在植被覆盖率高的区域, 而 MNDWI高值区则主要分 布于水域。
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5.
基于相干多普勒激光雷达的斜程湍流参数反演方法研究
陈晓敏, 张洪玮, 孙康闻, 吴松华,
大气与环境光学学报 2023, 18 (
1
): 1-13.
摘要
(
2251
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大气湍流广泛存在于大气中, 其中斜程湍流对航空航天、天文观测等会产生不可忽视的影响。一方面利用相 干多普勒测风激光雷达获得的高时空分辨风场探测数据, 另一方面基于Kolmogorov 局地均匀各项同性理论, 即在惯 性子区内湍流的特征只与湍能耗散率 ε 有关, 将速度结构函数法应用到飞机着陆阶段下滑道扫描模式中, 通过实测 数据的速度结构函数与模型速度结构函数最小二乘法拟合, 从而估算激光雷达扫描范围内的大气湍流参数 (径向风速 方差、湍流积分尺度和 ε 等)。根据下滑道扫描区域数据的时空分布特征, 给出大气湍流参数的斜程空间分布图, 并与 同步观测的飞机下滑道风切变强度数据进行了对比分析, 发现两者具有较好的一致性, 证实了斜程湍流参数反演方 法的可靠性。
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6.
基于多时相遥感影像的天津市中心城区生态环境质量评价
胡洋, 高伟, 杨杰
大气与环境光学学报 2023, 18 (
2
): 168-180.
摘要
(
2217
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针对城市扩张使得城市生态环境质量下降的现象, 基于2014、2016、2018 年三个时相的Landsat8 OLI_TIRS 卫 星数字产品影像数据, 运用遥感生态指数 (RSEI) 对天津市中心城区生态环境质量变化进行了评价与分析。研究结果 表明RSEI对于城市化程度高、城市房屋集中且紧凑的天津市中心城区有较好的适用性, 能够对环境质量进行监测, 也 对空间变化的研究起到了重要的作用。具体表现为: 2014、2016、2018 年天津市中心城区的RSEI 均值分别为0.547、 0.463、0.478; RSEI地理位置上从北至南、从西至东呈现出低-高-低的倒U型趋势。天津中心城区的各指数相关性分析 表明, 干度指标 (NDBSI) 是影响研究区生态环境质量最大的指数, 有很大的消极影响, 是天津市中心城区未来改善生 态环境的重要参考。在天津市中心城区的成功示范, 表明RSEI在生态环境质量评估上的应用可为掌握城市生态环境 质量、监测治理区域环境和规划建设城市提供积极的参考。
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7.
激光雷达探测整层大气昼夜气溶胶光学厚度
汪惜今, 徐青山, 范传宇, 程晨, 戚鹏, 徐赤东
大气与环境光学学报 2023, 18 (
1
): 14-24.
摘要
(
2167
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为丰富整层大气气溶胶光学厚度测量手段, 提出了一种综合微脉冲激光雷达与地面能见度测量数据的探测 方法。该方法首先利用激光雷达数据反演得到气溶胶垂直消光系数廓线, 据此计算出气溶胶标高; 再利用能见度和 消光系数的关系得到近地面水平方向的消光系数; 最后, 将近地面消光系数和标高结合, 从而得到整层大气气溶胶光 学厚度。将该方法应用于合肥地区, 成功得到该地区整层大气气溶胶光学厚度的昼夜变化趋势, 验证了该方法的可 适应性。
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8.
光合抑制法水质毒性检测中藻类培养光照与温度实验分析
陈金计, 殷高方, 赵南京, 张小玲, 甘婷婷, 陈敏, 亓培龙, 丁志超, 谷梦园, 王翔, 董鸣, 华卉, 王璐
大气与环境光学学报 2023, 18 (
2
): 133-140.
摘要
(
2158
)
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浮游藻类作为单细胞生物,其光合活性外界胁迫作用响应灵敏, 是水质综合毒性检测的良好受试生物, 因此 认识受试藻种光合活性状态对温度和光照等主要环境因子的响应规律, 掌握有效控制受试藻种光合活性状态和浓度 的培养条件, 对水质综合毒性检测至关重要。以模式受试生物蛋白核小球藻为研究对象, 研究了不同温度梯度和光 照强度下蛋白核小球藻光合活性变化规律。研究结果显示: 蛋白核小球藻在不同梯度光照下, 藻种光合活性和藻种 浓度的变化非常明显。低光照下 (75 μE、125 μE) 藻种平均光合活性在0.60 左右但藻种浓度基本不增加; 中光照下 (175、225、300、375 μE) 藻种平均光合活性在0.57 左右且此时藻种浓度有明显增加, 其中, 实验最佳光照为375 μE; 高 光照下 (475 μE和600 μE) 藻种平均光合活性低于0.56 (初始活性), 会对藻种的生长状态产生胁迫。不同梯度温度下 藻种光合活性和藻种浓度也有明显变化, 中低温下 (5、15、25 ℃) 藻种平均光合活性在0.59 左右且藻种浓度随着温度 的升高而增加, 最佳温度为25℃; 高温下 (30、35、40 ℃) 藻种光合活性迅速下降直至失活。研究结果表明可以通过控 制光照和温度来控制浮游藻类的光合活性和生长速度, 为在线水质综合毒性测量仪提供标准的受试藻样培养方式, 从而给便携式水质综合毒性测量仪的研发奠定基础。
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9.
氢火焰离子化检测系统设计
胡荣春, 陆钒, 周培松
大气与环境光学学报 2023, 18 (
1
): 82-88.
摘要
(
2130
)
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设计了基于氢火焰离子化检测方法的有机物检测系统。介绍了系统的工作原理, 并基于此优化了系统的结 构设计; 根据系统的反应条件, 设计了系统的控制电路; 针对系统检测信号微弱、动态范围广的特点, 使用跨阻放大 的方法设计了量程可切换的电流检测电路, 实现了大范围的微电流检测。使用甲烷标准气体测定了系统性能, 实验 结果表明: 标准样品重复性测量相对标准偏差均小于2%, 线性相关系数大于0.99。
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10.
基于卫星数据和深度学习方法预测京津冀地区地表 NO2浓度
范轩硕, 吴海滨, 陈新兵, 宋伟
大气与环境光学学报 2023, 18 (
2
): 181-190.
摘要
(
2096
)
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247
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二氧化氮 (NO2) 对人类健康和气候变化有着诸多负面影响, 随着中国城镇化和工业化进程加速, NO2污染成 为人们日益关注的问题。相关研究表明传统的单个站点监测结果只能代表数平方公里内的污染物水平, 无法提供大 尺度的污染物分布信息。相比于站点监测, 卫星遥感可以提供大尺度且时空连续的数据, 为研究大气污染提供了新 的角度。基于哨兵5P卫星的NO2柱浓度数据和气象、人口密度等其他辅助数据, 构建了对地表NO2进行预测的深度神 经网络 (DNN) 模型。并使用两种交叉验证方法对该模型进行验证。在基于样本的验证中, 模型的决定系数 R2、均方 根误差 (RMSE) 和平均预测误差 (MAE) 分别为0.80、7.72 μg/m3和 5.31 μg/m3;在基于站点的验证中, 模型的R2、RMSE 和MAE分别为 0.74、8.95 μg/m3和6.01 μg/m3, 两种验证结果都表明DNN模型具有较好的整体预测能力和空间泛化 性。此外, 与经典的地学统计和机器学习算法对比结果表明DNN预测性能优于其它方法。最后用训练好的模型获得 了京津冀地区 0.1° 的NO2分布图。
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11.
全自动太阳光度计温控系统设计及测试
黄冬, 李新, 张艳娜, 张允祥
大气与环境光学学报 2023, 18 (
1
): 73-81.
摘要
(
2088
)
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135
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针对温度效应会影响太阳光度计观测结果且温度校正系数难以获取等问题, 设计了一种基于热电制冷器 (TEC) 的全自动太阳光度计温控系统。介绍了自研全自动太阳光度计的整体设计, 特别是温控系统设计, 并分析了温 度对探测器响应的影响。最后对该全自动太阳光度计进行了野外测试, 在合肥地区与商用仪器CE318 进行了同步观测 比对, 测试结果表明全自动太阳光度计反演的气溶胶光学厚度与CE318 校正后的结果一致, 偏差在0.01 以内;在敦煌 地区的长期测试结果表明, 在温度变化较大的长期野外观测中, 全自动太阳光度计温控系统均保持在 (25 ± 0.2) ℃内, 验证了温控系统设计的有效性和可靠性。
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12.
不同导星数量和排布情况下地表层自适应光学系统的性能分析
赵梓旭, 马晓燠, ∗, 饶长辉,
大气与环境光学学报 2022, 17 (
5
): 485-493.
摘要
(
1971
)
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基于频谱滤波理论和经典大气湍流 7 层模型, 通过地表层自适应光学 (GLAO) 系统的理论滤波器模型, 结合 有限导星条件下的误差传递函数 (ETF), 探究了不同导星数量与不同导星排布情况下地表层自适应光学系统的性能。 研究结果表明 6 颗导星呈中心 1 颗、其余 5 颗在视场边缘均匀环形分布时, 系统校正性能较优。该研究结果对正在研 制的一米新真空太阳望远镜多层共轭自适应光学 (MCAO) 系统 (含有 GLAO 系统) 具有重要指导作用和参考价值。
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13.
“新型卫星载荷大气遥感及应用”专辑前言
李正强, 秦凯, 陶明辉, 周春艳
大气与环境光学学报 2022, 17 (
6
): 579-579.
摘要
(
1944
)
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14.
近40年中国区域对流层顶温度场时空变化特征
唐超礼, 朱一东, 魏合理, 魏圆圆
大气与环境光学学报 2023, 18 (
1
): 25-35.
摘要
(
1858
)
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利用1981—2020 年NCEP/NCAR再分析月平均资料, 对中国区域近40 年的对流层顶温度场进行了时空 变化特征分析和四季变化状况研究。采用线性回归、Mann-Kendall 突变检验分析、经验正交分解 (EOF) 等方法 研究了对流层顶温度场的年际变化趋势和时空分布特征。结果表明: 中国区域对流层顶温度在1981—2020 年 总体呈下降趋势, 其中在1995—2020 年减少趋势显著。对流层顶温度存在明显的季节性特征, 春季和冬季气 候倾向率较小, 对全年对流层顶温度减小趋势贡献也较小; 夏季和秋季气候倾向率较大, 对全年对流层顶温度 减小趋势贡献也较大。运用EOF法对对流层顶温度场空间变化特征分析发现, 第一模态空间分布反映了中国 区域对流层顶变化趋势在空间上基本一致, 且分布由南到北呈现“+, −”的纬向结构; 第二模态空间分布由南到 北呈现“+, −, +, −”的纬向结构, 并以34° N为界呈现出很明显的南北相反分布; 第三模态空间分布由南到北 呈现“+, −, +”的纬向结构。
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15.
偏振氧A 带光谱气溶胶垂直剖面反演的信息量分析和灵敏度研究
程璐璐, 施文杰, 夏 果∗, 王江涛, 陈巧芹, 金施群
大气与环境光学学报 2022, 17 (
3
): 360-368.
摘要
(
1841
)
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为评估从偏振氧 A 带光谱中提取的气溶胶垂直剖面的信息量及提高光谱分辨率对偏振测量的气溶胶垂直剖 面信息的影响, 采用线性化矢量辐射传输模型 (UNL-VRTM), 对氧 A 波段线偏振度 (DoLP) 星载测量中气溶胶垂直剖 面的信息量及不同观测条件和光谱分辨率下 DoLP 的气溶胶峰高信息量变化的影响因素进行分析。研究结果表明, DoLP 所包含的气溶胶峰高的信息比辐射度更多, 辐射度的信号自由度 (DFS) 最高为 0.49, 而 DoLP 的 DFS 为 0.76; 且 随着光谱分辨率的提高, 气溶胶峰高信息量增加, 对表面反射率、观测几何以及先验误差的依赖大大降低。
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16.
基于LUR 模型下PM2.5 浓度的空间分布模拟分析
杨明亮∗, 朱宗玖
大气与环境光学学报 2022, 17 (
3
): 347-359.
摘要
(
1831
)
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PM2:5 是大气重要污染物之一, 模拟 PM2:5 浓度空间分布对于大气污染防治具有重要意义。将土地利用回归 模型 (LUR) 应用到安徽省污染较重的皖北地区, 以监测点为中心, 建立半径分别为 0.5、 1、 1.5、 2、 3、 4、 5 km 的 缓冲区, 结合土地利用因子、道路因子、污染源因子、气象因子、高程因子及人口因子共 105 个变量, 建立了该地 区四季和年均 LUR 模型, 并通过留一交叉互验, 验证了模型精度。结果表明: 研究区 PM2:5 浓度受草地、湿地、降水 量、相关湿度、气压、风速、二级公路、三级公路、废气污染企业、人口数量影响较大。调整 R2 分别为 0.828 (春)、 0.731 (夏)、 0.831 (秋)、 0.775 (冬)、 0.892 (年均); 均方根误差 (RMSE) 分别为 6.34 µg·m−3 (春)、 7.01 µg·m−3 (夏)、 6.28 µg·m−3 (秋)、 6.71 µg·m−3 (冬)、 5.33 µg·m−3 (年均); 模拟精度 R2 分别为 0.825 (春)、 0.730 (夏)、 0.834 (秋)、 0.772 (冬)、 0.897 (年均), 模型表现良好, 解释力强。从模拟的 PM2:5 浓度空间分布可以看出, 不同季节呈现明显不同的空间分布特 征, 这与来自北方的大量污染颗粒物、当地的煤矿开采以及秋耕秸秆燃烧等潜在污染源有关。
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17.
星载光谱仪光路切换组件振动特性仿真分析
石 磊, 赵 欣∗, 刘凤垒, 司福祺
大气与环境光学学报 2022, 17 (
3
): 369-382.
摘要
(
1820
)
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为研究星载设备在复杂力学环境下的振动响应特性, 利用有限元分析软件对光谱仪光路切换组件进行仿真分 析。首先根据星上载荷的力学环境试验条件, 通过谱形参数计算方法建立星上载荷输入谱密度激励曲线图。随后, 对 光路切换组件进行模态分析和随机振动分析, 得到激励谱条件下组件的振动响应结果和最大等效应力。强度校核计 算结果显示组件安全裕度为 1.57, 满足刚度和强度要求。最后, 对整机振动进行试验验证, 验证结果显示组件结构完 好, 且光学性能比照试验结果显示振动前后, 三个通道的卤素灯图像的成像范围、光谱强度特性等基本一致, 光路切 换组件无异常变化, 验证了仿真分析的可靠性。
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18.
基于Pandora 观测的OMI 全球臭氧产品精度验证
汪可, 李正强∗, 李凯涛∗, 许华, 侯梦雨, 王博林,
大气与环境光学学报 2022, 17 (
6
): 640-654.
摘要
(
1653
)
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臭氧是大气中一种重要的微量气体, 是影响对流层与平流层大气运动的重要成分之一, 臭氧的高精度探测 对于环境和气候具有重要的意义。OMI 传感器是目前具备探测全球臭氧含量的主要遥感传感器之一。利用地基 Pandora 观测网全球范围内44 个臭氧观测站点数据对OMI 卫星数据产品进行了精度验证。结果表明: OMI 臭氧产品 与Pandora 地基测量结果之间具有很好的线性相关性, 相关系数达到0.948, 但精度结果存在区域差异。在南半球地区, 相关系数为0.915; 在北半球低纬度地区, 其相关系数为0.932, 中纬度地区相关系数为0.948, 而在高纬度地区, 相关系 数达到了0.957。此外, 验证精度还与臭氧柱总量存在相关性, 在臭氧柱总量低于220 Du (对应臭氧空洞条件) 时, OMI 卫星产品存在高估现象, 高估约13%; 而在臭氧柱总量高于400 Du 时, OMI 的臭氧产品低于Pandora 地基测量结果, 且 随着臭氧柱总量增加, 低估情况也越严重, 在臭氧柱总量达到500 Du 时, OMI 臭氧产品低估约4%。
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19.
嵩山遥感定标场靶标反射率的自动测量方法
潘琰, 李新, 李照洲, 张权, 张艳娜
大气与环境光学学报 2023, 18 (
2
): 141-152.
摘要
(
1638
)
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利用自主研制的地表反射自动监测光谱仪 (ARMS) 和可见-短波红外光谱辐照度计 (HIM), 实现了嵩山遥感 定标场内三种灰阶靶标反射率的自动测量, 并与使用ASD便携式光谱仪人工测量的靶标反射率开展了比对。两种方 法的比对结果表明: 在400~1600 nm范围内, 自动化测量与人工测量的反射率数据在非大气吸收波段的相对偏差优 于 ±2%。进一步基于自动化设备的观测数据, 分析了2019 年10 月至2020 年11 月场地内的靶标反射率。分析结果表 明, 受环境变化的影响, 嵩山场内灰阶靶标的反射率也会发生变化, 且反射率的变化趋势与波长范围及测量区域有 关。在整个波段范围内, 反射率的标准偏差在 ±2.5%以内。该工作的开展为基于嵩山遥感定标场的自动化、高频次在 轨辐射定标提供了有力的技术支撑。
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20.
基于氧气A 带的高光谱卫星气溶胶层高优化反演
许健, 饶兰兰, DOICU Adrian, 胡斯勒图∗, 秦凯∗
大气与环境光学学报 2022, 17 (
6
): 630-639.
摘要
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针对气溶胶被动卫星遥感中由于气溶胶模型的不确定性导致的反演误差, 引入了一种基于贝叶斯理论的新型 气溶胶层高反演算法, 并应用于哨兵5 先导(Sentinel-5P) 卫星的TROPOMI (TROPOspheric Monitoring Instrument) 载 荷。该算法基于不同候选气溶胶模型的模型证据(气溶胶模型的条件概率密度) 确定符合当前观测数据条件的气溶胶 模型, 并通过两种模型选择方案分别得到估算最大值解和估算平均值解作为反演结果。以TROPOMI 观测到的一次真 实野火事件为例, 反演结果和官方产品具有很好的空间一致性, 且明显降低了低估现象, 证明在气溶胶先验知识缺乏 的背景下该算法能够高效选择合适的气溶胶模型, 为今后高光谱卫星气溶胶层高反演的业务化数据处理提供了一种 新的解决方案。
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