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大气气溶胶遥感监测及其网络计算的研究

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  摘  要:大气气溶胶对地球的气候和环境有着直接的影响,随着社会经济的不断向前发展,颗粒污染物的排放越来越多,对人体健康和生态环境造成了严重的影响。在我国大气严重污染的现状下,利用遥感技术进行监测监控和定量分析已经迫在眉睫。该文主要介绍大气气溶胶监测监控技术以及网络计算,旨在为我国环境保护提供思路和方法。
  关键词:大气气溶胶  颗粒污染物  遥感技术  网络计算
  中图分类号:P407                                   文献标识码:A                         文章编号:1672-3791(2019)03(b)-0028-02
  在大气中存在大量的气溶胶,其来源广泛且复杂,包括由自然原因形成的初级和次级大气气溶胶颗粒,如灰尘、沙子、火山灰、烟尘、植被排放等,以及人类活动如农业和林业发展、建筑物产生的初级大气气溶胶排放、尘埃、汽车尾气、工业生产等,其中SO2、NO2和其他气体会通过二次大气气溶胶颗粒的均相和非均相化学反应。
  在过去的半个世纪里,全球人类活动在大多数地区强行增加了大气气溶胶的含量,卫星遥感监测气溶胶的科学目的是为了保证气候评估的准确性,人类活动形成的大气气溶胶的含量不断增加,其中极高值区会严重威胁和危害人类健康,因此大气气溶胶成为了人们普遍关注的一个焦点。通过遥感卫星进行大气气溶胶的监测,得到的数据在环境及身体健康评估方面有着极其普遍的应用。
  沙尘暴和雾霾两种极端天气现象是由于大气中高浓度的气溶胶导致的;气溶胶与干旱、暴雨等极端天气事件有间接关系;由于不同类型气溶胶的辐射特性不同,直接和间接辐射强迫导致全球气候的变暖和降温,这种影响已经成为在气候研究中成为最大的不确定因素。大气气溶胶不管是在短期的天气预报,还是长期的气候监测中都有着举足轻重的地位。人为因素产生的气溶胶已成为工业集中区大气污染的严重组成部分,因此利用遥感技术对大气气溶胶的监测计算有着重要意义。
  1  气溶胶遥感监测技术
  1.1 多光谱手段气溶胶遥感探测
  多光谱方法是最早的气溶胶遥感反演方法,它是标量探测方法。它探测机制是在成像区域中搜索暗像素以获得多光谱(0.47~2.12μm)的大气辐射,然后反演气溶胶光学厚度以及其他参数。它有极好的覆盖面,但缺点是在明亮的表面区域没有气溶胶检测能力,由于多角度和偏振信息的缺乏,只能建立简单的气溶胶微物理模型,从而反演结果不精确。
  1.2 激光雷达手段气溶胶探测
  GLAS激光雷达系统是一种主动传感器,主要分为高度测量、后向散射、差分吸收、多普勒测风等,专为NASA测量海冰而设计的。它由10cm的表面激光高度计和双波长背向散射激光雷达组成,用于测量云和气溶胶,CATS太空激光雷达于2012年由美国美国宇航局提出,计划安装在国际空间站的多波长散射气溶胶和云测量激光雷达。
  1.3 单通道遥感和多通道遥感
  单通道方法利用可见光通道反演和分析大气中的气溶胶,这种方法广泛应用在海洋上空的平流层和对流层的气溶胶分布。在使用可见光和近红外波段建立双波段模式时,多通道遥感是最常见的。因此,对于太阳辐射,气体分子带来的散射可以直接忽略掉,但是云滴和气溶胶的散射不能忽略不计。总之,单通道和多通道方法主要应用于低反射率像元,例如清水或茂密植被,并且要求关于地表反射率的先验过程。
  1.4 多角度多通道遥感
  多角度多通道遥感是对单通道和多通道反演方法的升级。在陆地上可以使用两种不同的方法,如果存在暗、稠密的植被,则利用低地表反射率的暗、稠密的植被,结合多角度观测,可以反演气溶胶参数。如果不存在,则通过观测信号的空间对比度和角的变化信息,将地表和大气信号进行分离处理,得到观测区域的气溶胶参数。近年来,多角度观测是大气气溶胶反演的新思路,多角度传感器也随之问世,遥感气溶胶在精确度方面也得到了明显的提高。
  1.5 对比度降低法
  可见光和近红外区,大气效应主要来源于大气分子和气溶胶的散射。因此要消除掉大气的影响,有两种消除大气影响的方法。其中一种是寻找稳定的参照物,如纯水和暗植被等,以它们为路径辐射的参考值,用来目标反射率的不确定性,从而降低气溶胶光学厚度的估计误差。
  1.6 热对比法
  热对比法是研究光亮地区的光学厚度。该算法假设从地球表面发射的辐射保持不变,或与观测时间线性相关,其中气溶胶非常小并趋于收敛。当存在气溶胶时,从表面发射的长波辐射被截获,并且传感器的接收辐射减少。另一方面,它也减少了对表面的辐射,从而降低了地表温度。这增加了在晴朗和多云的大气中的热对比度,相反,热对比度反映了气溶胶的变化,因此这种方法适用于红外受气溶胶影响较大的区域。
  1.7 陆海反差法
  在卫星监测过程中,气溶胶光学厚度和单次散射相位函数决定了地表的低反射率。现在实际应用中有一种适用于地表反射率实时变化的区域,如陆水界面的反演算法,該算法近似于辐射传输方程,适用于平面平行大气,其中可用波长限制在400~800nm的范围内。
  2  网络计算方法
  其中:
  θs为太阳天顶角,θv为卫星天顶角;
  φ为相对方位角;
  为向下整层大气透过率(直射),T(v)为向上整层大气透过率(漫射);   S为大气的球面反照率;
  P为地表反射率。
  MODIS的暗像素算法是主流的网络计算方法,由上述方程得知,卫星观测反射率在地表反射率较小时主要取决于方程式右边第一项,而第二项较小可忽略。具体步骤如下所述。
  (1)选择气溶胶光学厚度的反演应为晴天,即对卫星辐射信息进行云监测。使用标准化云端口产品,删除包含云的像素点;使用标准化植被指数筛选水像素点、雪像素点和冰像素点;在10km×10km范围内选择无云的像素点。
  (2)使用中红外通道的反射率与低反射率表面的红色和蓝色可见光通道,计算两者间的统计关系,确定可见光通道的地表反射率。卫星从2.13μm通道的表观反射率受气溶胶的影响较小,可以忽略不计,因此2.13um通道的反照率选择从0.01到0.25之间的暗像元;剩下的像素由0.66μm进行分析,地表反射率(其中不包括最暗的20%的和最亮50%,剩余的30%至少存在120个像素点)平均值作为10km×10km区域内的平均值。
  (3)選择气溶胶模型。红色和蓝色光路的辐射比率用于确定气溶胶的类型,在反演过程中,采用动态气溶胶输入模式,对于不同的气溶胶类型,要选择不同的光学参数进行分析。
  (4)基于气溶胶类型和地表反照率,检查获得气溶胶光学厚度等参数。MODIS反演算法是以暗背景算法为基础的,因此适合用于具有植被的陆地表面,不适用于沙漠、戈壁等明亮地表,不可能在大部分地区给出气溶胶的分布,如中国西北沙漠和植被较少的地区。在干旱的沙漠和戈壁等明亮的表面区域,即小于0.5μm的蓝光波段的地表反照率很小,可以通过模拟蓝色通道计算地表反照率,进而反演大气气溶胶的光学厚度,此算法又被称为深蓝算法。
  3  结语
  大气辐射平衡受到大气气溶胶直射和散射的直接影响,这种影响不仅破坏当地或全球生态环境、影响气候,而且对人类身体健康产生极大的威胁和危害。因此,充分认识气溶胶对生态和环境的影响具有重要的意义,也有必要深入研究气溶胶和光学性质的反演。
  参考文献
  [1] 宗叶平.探讨城市大气污染的定量遥感监测技术应用[J].资源节约与环保,2018(10):57.
  [2] 陈洪滨,范学花,夏祥鳌.大气气溶胶的卫星遥感及其在气候和环境研究中的应用[J].大气科学,2018,42(3):621-633.
  [3] 夏安全.基于MODIS影像的济南市气溶胶反演研究与系统开发[D].山东农业大学,2017.
  ①基金项目:高分辨率对地观测系统重大专项——基于高分数据的京津冀一体化协同发展区域监测技术(项目编号:67-Y20A07-9002-16/17)。
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