2003年以來(lái)大氣遙感研究進(jìn)展

2003年以來(lái)大氣遙感研究進(jìn)展

1大氣遙感應(yīng)用研究進(jìn)展全球感知是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的全球科學(xué)新興學(xué)科。40多年來(lái),由于大氣科學(xué)本身發(fā)展的迫切需要,也由于當(dāng)代衛(wèi)星、計(jì)算機(jī)等新技術(shù)的推動(dòng),大氣遙感的新原理、新技術(shù)、新方法和新應(yīng)用層出不窮,大氣遙感取得了日新月異的大發(fā)展。從20世紀(jì)60年代開始,中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所(IAP)的科學(xué)工作者緊密結(jié)合國(guó)家需求與國(guó)際學(xué)術(shù)前沿,在大氣遙感理論、技術(shù)、反演方法與應(yīng)用研究方面卓有成效。呂達(dá)仁等系統(tǒng)介紹了2003年以前IAP在大氣遙感研究方面的主要進(jìn)展;郄秀書等進(jìn)一步綜述了IAP近5年來(lái)在地面大氣探測(cè)高技術(shù)研發(fā)及相關(guān)研究領(lǐng)域所取得的主要進(jìn)展。本文綜述2003年以來(lái)IAP在大氣遙感研究方面的進(jìn)展與成果,側(cè)重介紹大氣遙感應(yīng)用研究進(jìn)展,主要內(nèi)容包括:(1)遙感技術(shù)與設(shè)備系統(tǒng)的發(fā)展;(2)大氣氣溶膠遙感;(3)云的遙感;(4)大氣微量氣體成分遙感;(5)大氣遙感反演方法;(6)大氣遙感應(yīng)用的輻射傳輸算法。2氣溶膠-云-輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)iap大氣遙感技術(shù)和設(shè)備經(jīng)過(guò)最近幾十年的發(fā)展,獲得了巨大進(jìn)步,為當(dāng)前全球高度關(guān)注的氣候、環(huán)境和生態(tài)監(jiān)測(cè)研究提供了重要技術(shù)手段和基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。從物理上來(lái)說(shuō),大氣遙感技術(shù)主要是輻射光譜測(cè)量技術(shù)及其分析技術(shù)和地球物理參數(shù)反演技術(shù),從紫外、可見(jiàn)光到紅外、微波都是具有重要應(yīng)用價(jià)值的波段,不同輻射光譜與大氣物質(zhì)的相互作用機(jī)理包括吸收、散射和發(fā)射過(guò)程及其傳輸過(guò)程是遙感大氣物理參數(shù)的理論基礎(chǔ),不同大氣物質(zhì)的特征吸收、發(fā)射或散射光譜的組合應(yīng)用以及許多觀測(cè)站點(diǎn)的組網(wǎng)觀測(cè)為獲取氣候、環(huán)境和生態(tài)基礎(chǔ)信息提供了技術(shù)途徑。從1999年實(shí)施中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程以來(lái),IAP的大氣遙感技術(shù)與設(shè)備系統(tǒng)獲得了很大發(fā)展。2004年,在國(guó)家自然科學(xué)基金重大國(guó)際合作項(xiàng)目的資助下,IAP與美國(guó)馬里蘭大學(xué)合作,依托中國(guó)科學(xué)院香河大氣綜合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站建立了一個(gè)非常先進(jìn)的氣溶膠和輻射觀測(cè)系統(tǒng)。觀測(cè)系統(tǒng)由自動(dòng)太陽(yáng)光度計(jì)、太陽(yáng)短波和天空紅外輻射儀器、全天空成像儀、激光雷達(dá)、多波段遮擋太陽(yáng)輻射計(jì)等組成,觀測(cè)項(xiàng)目包括太陽(yáng)光譜直接和散射輻射、紫外、可見(jiàn)光和太陽(yáng)寬帶輻射、紅外輻射、天氣狀況等。自該站建立以來(lái),一直連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,積累了3年以上高質(zhì)量的氣溶膠、云和輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)。香河站于2004年10月加入世界氣溶膠自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(AERONET),于2006年加入世界地面基準(zhǔn)輻射觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(BSRN),成為亞洲內(nèi)陸地區(qū)首個(gè)也是唯一的BSRN站。2005年8月和2006年7月,分別建立了太湖和西藏納木錯(cuò)氣溶膠輻射觀測(cè)系統(tǒng)并加入AERONET。另外,依托中國(guó)科學(xué)院生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò),IAP建立了首個(gè)覆蓋中國(guó)的中國(guó)手動(dòng)太陽(yáng)光度計(jì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)(CSHNET)。此網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一采用手動(dòng)太陽(yáng)光度計(jì),按照統(tǒng)一的觀測(cè)規(guī)范,采用Bouguer-Langey標(biāo)定方法和與CIMEL自動(dòng)太陽(yáng)光度計(jì)比對(duì)兩種方式標(biāo)定光度計(jì)。每日選取裝載MODIS(中分辨率成像光譜儀)的Terra和Aqua衛(wèi)星過(guò)境時(shí)段(10:00~14:00)觀測(cè)405nm、500nm和650nm三個(gè)波段的太陽(yáng)直接輻射,并同時(shí)記錄天氣狀況。與CIMEL自動(dòng)太陽(yáng)光度計(jì)氣溶膠光學(xué)厚度(AOD:AerosolOpticalDepth)對(duì)比表明,手動(dòng)光度計(jì)觀測(cè)AOD誤差小于6%,兩年內(nèi)手動(dòng)太陽(yáng)光度計(jì)靈敏度衰減小于2%。目前,這三個(gè)氣溶膠和輻射重點(diǎn)觀測(cè)站和中國(guó)手動(dòng)太陽(yáng)光度計(jì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)仍處于良好運(yùn)行狀態(tài),已經(jīng)并繼續(xù)提供覆蓋全國(guó)的高質(zhì)量氣溶膠-云-輻射觀測(cè)數(shù)據(jù),在中國(guó)氣溶膠特性時(shí)空分布及其輻射強(qiáng)迫、衛(wèi)星中分辨率成像光譜儀的氣溶膠特性產(chǎn)品的驗(yàn)證方面產(chǎn)出了一批科研成果。IAP還與法國(guó)里爾科技大學(xué)大氣光學(xué)實(shí)驗(yàn)室合作,在IAP實(shí)驗(yàn)樓頂和中國(guó)科學(xué)院興隆站設(shè)置了自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光度計(jì),并加入了全球AERONET觀測(cè)網(wǎng),對(duì)外共享觀測(cè)數(shù)據(jù)。在“十五”期間,IAP發(fā)展了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地基全天空成像儀。該成像儀具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值,能夠在很大程度上替代現(xiàn)在氣象臺(tái)站觀測(cè)員的部分工作,獲得更客觀、可靠性更高、可回放的觀測(cè)數(shù)據(jù),因此,在全國(guó)許多氣象部門獲得了推廣應(yīng)用。針對(duì)該地基全天空成像儀,研究人員發(fā)展了系統(tǒng)的標(biāo)定方法,解決了確定儀器的絕對(duì)輻射標(biāo)定、相對(duì)輻射標(biāo)定、均勻性、線性性、以及余弦特性的問(wèn)題,發(fā)展了確定云量的計(jì)算方法,同時(shí)正在開展反演氣溶膠和云特性參數(shù)的深入研究。一套可見(jiàn)光全天空成像觀測(cè)儀安置在IAP實(shí)驗(yàn)樓頂,長(zhǎng)期進(jìn)行天空狀況監(jiān)測(cè),積累了大量資料,為發(fā)展反演大氣氣溶膠和云特性參數(shù)的方法提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。IAP在2005年研制成功的先進(jìn)地基掃描式全天空紅外亮溫儀,可用來(lái)獲取天空的熱紅外分布圖像。第一批實(shí)驗(yàn)全天空紅外亮溫儀被安置在IAP實(shí)驗(yàn)樓頂和中國(guó)科學(xué)院香河大氣綜合觀測(cè)試驗(yàn)站,開展長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)研究,觀測(cè)數(shù)據(jù)被用于發(fā)展反演云底高度的算法,取得了較好的效果。2006年,一臺(tái)全天空紅外亮溫儀被安置在西藏羊八井觀測(cè)站里,開展高原大氣云特性的長(zhǎng)期觀測(cè)研究。衛(wèi)星大氣遙感是大氣遙感的重要組成部分,具有非常廣泛的用途,涉及氣候變化研究、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、地表生態(tài)狀況調(diào)查、天氣預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。IAP在中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程二期項(xiàng)目的資助下,在2004年建立了一個(gè)以MODIS(中分辨率成像光譜儀)資料研發(fā)平臺(tái)設(shè)備為主要內(nèi)容的衛(wèi)星遙感資料應(yīng)用分析實(shí)驗(yàn)室,擁有美國(guó)Terra和Aqua衛(wèi)星MODIS數(shù)據(jù)以及日本MTSAT、我國(guó)FY-1D和FY-2C等多種衛(wèi)星資料的接收裝置,每天接收超過(guò)20GB的觀測(cè)數(shù)據(jù)。Terra和Aqua衛(wèi)星分別于上午10:30和下午01:30過(guò)頂。MODIS儀器是目前非常先進(jìn)的衛(wèi)星觀測(cè)儀器,設(shè)置了36個(gè)紫外/可見(jiàn)光/紅外光譜波段,空間分辨率達(dá)到250~1000m,基本上實(shí)現(xiàn)了每日全球覆蓋,在氣候與環(huán)境研究領(lǐng)域中的大氣氣溶膠、水循環(huán)、地表生態(tài)監(jiān)測(cè)、云和輻射觀測(cè)中發(fā)揮了重要作用。該研究平臺(tái)的建立,為IAP開展大氣氣溶膠研究和空氣污染監(jiān)測(cè)發(fā)揮了重要作用。3環(huán)境與氣候效應(yīng)中國(guó)地區(qū)是全球氣溶膠濃度高值區(qū)之一,對(duì)區(qū)域氣候和環(huán)境產(chǎn)生了重大影響,氣溶膠的探測(cè)對(duì)研究氣溶膠的環(huán)境與氣候效應(yīng)是至關(guān)重要的。如上節(jié)所述,近幾年來(lái),IAP地基氣溶膠特性遙感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有了很大發(fā)展?；谶@些地基遙感監(jiān)測(cè)資料,結(jié)合衛(wèi)星遙感氣溶膠和輻射收支數(shù)據(jù),IAP科技工作者在氣溶膠光學(xué)特性地基和衛(wèi)星遙感反演算法和資料分析、氣溶膠輻射強(qiáng)迫遙感研究等領(lǐng)域開展了卓有成效的研究。3.1氣溶膠光學(xué)特性時(shí)空分布特征近年來(lái),IAP的氣溶膠地基遙感研究主要聚焦于AOD、單次散射反照率(SSA:SingleScatteringAlbedo)和消光系數(shù)垂直分布3個(gè)關(guān)鍵的參數(shù),特別是前兩者。基于2001年春季我國(guó)北方4個(gè)AERONET站氣溶膠特性資料和8個(gè)氣象輻射臺(tái)站寬帶輻射資料反演獲得的AOD資料,Xia等揭示了我國(guó)北方地區(qū)氣溶膠時(shí)空分布特征以及沙塵活動(dòng)對(duì)我國(guó)北方地區(qū)氣溶膠特性的影響。沙塵活動(dòng)不僅使下游地區(qū)氣溶膠濃度顯著上升,同時(shí)由于人為氣溶膠和沙塵氣溶膠的吸收特性差別很大,沙塵活動(dòng)導(dǎo)致下游地區(qū)氣溶膠的吸收能力下降。人為污染期間,北京地區(qū)SSA約0.90,且隨波長(zhǎng)變化不大,而沙塵期間該值從0.92(440nm)上升到0.97(1020nm)。觀測(cè)表明,北京(城市)和香河(郊區(qū))兩站AOD和?ngstr?m指數(shù)無(wú)論是人為污染還是沙塵活動(dòng)期間均十分接近,這說(shuō)明我國(guó)北方地區(qū)氣溶膠污染已呈現(xiàn)出區(qū)域污染的特點(diǎn)。基于2004年8月至2005年9月CSHNET觀測(cè)資料,Xin等分析了中國(guó)地區(qū)AOD和?ngstr?m指數(shù)時(shí)空分布特征,東部地區(qū)年平均500nm波長(zhǎng)AOD達(dá)到0.50,而且城市和農(nóng)村地區(qū)差別很小,區(qū)域污染特征十分明顯,青藏高原地區(qū)AOD約0.15。宗雪梅等在寬帶消光法反演AOD的應(yīng)用中,以月平均AOD作為約束條件,發(fā)展了一個(gè)云影響甄別算法,并應(yīng)用這一方法提取了中國(guó)地區(qū)16個(gè)氣象臺(tái)站1993~2002年AOD值,表明該時(shí)段部分站點(diǎn)AOD明顯上升,如沈陽(yáng)和鄭州,而部分站點(diǎn)有明顯下降趨勢(shì),如蘭州和北京。宋磊和呂達(dá)仁分析了上海地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)特性,揭示該地區(qū)AOD夏季最大,春季次之,冬季最小的季節(jié)變化特征?；诒本┑貐^(qū)近5年太陽(yáng)光度計(jì)和空氣污染指數(shù)資料,Xia等分析了北京氣溶膠光學(xué)特性氣候特征,結(jié)果表明北京地區(qū)年平均AOD(500nm)、氣溶膠單次散射返照率和不對(duì)稱因子(440nm)分別為0.75、0.88和0.71,氣溶膠光學(xué)特性季節(jié)變化明顯,春夏高,秋冬相對(duì)較低。春季受沙塵活動(dòng)影響,AOD高,?ngstr?m指數(shù)偏小,SSA偏高;夏季水汽充沛,氣溶膠吸濕增長(zhǎng),散射效率增加,SSA偏高。后向軌跡聚類分析表明,除春季沙塵活動(dòng)之外,氣團(tuán)移動(dòng)緩慢往往對(duì)應(yīng)高AOD,且水汽和氣溶膠單次散射反照率偏高,這說(shuō)明穩(wěn)定天氣條件不利于污染物擴(kuò)散,且氣溶膠吸濕增長(zhǎng)、散射效率增強(qiáng)是導(dǎo)致北京地區(qū)高AOD的主要原因。結(jié)合北京地區(qū)1980年代和2000年代太陽(yáng)光度計(jì)AOD觀測(cè)資料,表明北京地區(qū)AOD顯著增加,從1980年代的0.32增加到2000年代的0.60。太湖地區(qū)氣溶膠年平均光學(xué)厚度(500nm)約0.77,年平均SSA和不對(duì)稱因子(440nm)分別為0.90和0.72。Xia等太湖地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性遙感資料,結(jié)果表明:AOD、SSA和不對(duì)稱因子夏季都高于冬季,但季節(jié)變化幅度顯著小于華北地區(qū);AOD、SSA和不對(duì)稱因子均與大氣相對(duì)濕度顯著正相關(guān),表明氣溶膠吸濕增長(zhǎng)是影響該地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性的重要因子。Qiu等應(yīng)用反演SSA寬帶漫輻射法,從氣象臺(tái)站的太陽(yáng)輻射觀測(cè)資料獲取了我國(guó)北方6個(gè)地方1993~2001年氣溶膠折射指數(shù)虛部和1μm波長(zhǎng)SSA,結(jié)果表明年平均氣溶膠折射指數(shù)虛部有增加趨勢(shì),相應(yīng)SSA有下降趨勢(shì)。Qiu和Yang進(jìn)一步發(fā)展了反演SSA寬帶漫輻射法,并應(yīng)用這一方法從我國(guó)11個(gè)氣象臺(tái)站1998~2003年間輻射資料反演得到了折射率虛部和SSA。反演結(jié)果表明:年平均折射率虛部在0.0054(武漢)至0.0203(蘭州)之間變化,對(duì)應(yīng)的SSA在0.941至0.849之間變化,11個(gè)地方總平均的SSA值為0.9;多數(shù)地方冬季SSA較低;SSA與AOD存在正相關(guān);SSA與地面相對(duì)濕度通常存在正相關(guān),但在我國(guó)西北格爾木、烏魯木齊、喀什等幾個(gè)地方,反而存在負(fù)相關(guān)。Qiu等還應(yīng)用AOD與能見(jiàn)度資料獲取我國(guó)11個(gè)地方對(duì)流層氣溶膠標(biāo)高與年、季平均消光系數(shù)分布,發(fā)現(xiàn)1994~2001年間標(biāo)高有增大趨勢(shì)、氣溶膠粒子有抬升趨勢(shì),年平均的標(biāo)高在1.3km(沈陽(yáng))至2.67km(武漢)之間變化,11個(gè)地方總平均的標(biāo)高從2004年的1.88km至2004年的2.11km之間變化。3.2對(duì)氣溶膠特性的分析陸地上空AOD遙感反演方法及其應(yīng)用是近年來(lái)大氣遙感領(lǐng)域的一個(gè)前沿研究課題,對(duì)環(huán)境與氣候變化研究、衛(wèi)星對(duì)地遙感的大氣訂正都有重要意義。范學(xué)花等從偏振信息獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)和潛力出發(fā),以新一代多光譜、多角度偏振探測(cè)衛(wèi)星PARASOL(Polarization&AnisotropyofReflectancesforAtmosphericSciencescoupledwithObservationsfromaLidar)資料為基礎(chǔ),結(jié)合地面AERONET觀測(cè)資料,研究了北京地區(qū)對(duì)流層氣溶膠的光學(xué)特性,并驗(yàn)證衛(wèi)星遙感結(jié)果,獲得了以下結(jié)論:(1)2種典型天氣條件(細(xì)粒子污染和沙塵暴)下,PARASOL衛(wèi)星觀測(cè)的總反射率和偏振反射率、地表偏振反射率等信息與模式計(jì)算值比較吻合,沙塵暴事件時(shí)衛(wèi)星觀測(cè)的大氣頂偏振反射率要比細(xì)粒子污染時(shí)小很多;(2)PARASOL氣溶膠業(yè)務(wù)產(chǎn)品可以很好地表征氣溶膠粒徑小于0.3μm的細(xì)粒子氣溶膠貢獻(xiàn);(3)利用PARASOL多角度偏振輻射資料反演了幾個(gè)典型天氣條件下(晴空、輕霾、沙塵暴和重污染)北京和香河AOD、?ngstr?m指數(shù)和有效半徑,并與PARASOL業(yè)務(wù)反演產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比相比,反演結(jié)果更接近于地基AERONET/PHOTONS的結(jié)果。利用地表太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)資料,Xia等開展了東亞地區(qū)乃至全球氣溶膠衛(wèi)星遙感產(chǎn)品——MODISAOD(MODIS/AOD)的驗(yàn)證工作。研究結(jié)果表明就東亞地區(qū)而言,由于地表類型復(fù)雜,氣溶膠特性時(shí)空變化很大,而地面氣溶膠觀測(cè)資料相對(duì)歐美地區(qū)而言比較匱乏,MODIS氣溶膠反演算法中對(duì)東亞地區(qū)氣溶膠特性的設(shè)置有待改進(jìn),這些原因?qū)е聳|亞地區(qū)MODIS/AOD反演精度要低于歐美地區(qū);全球陸地上空MODIS氣溶膠版本4產(chǎn)品除非洲和東南亞少數(shù)AERONET站點(diǎn)MODIS/AOD偏低之外,其他站點(diǎn)MODIS均顯著高估了AOD,平均而言,藍(lán)光和紅光波段MODIS/AOD分別比AERONET光學(xué)厚度高0.041和0.090。研究表明紅光波段MODIS/AOD偏高與地表反射率顯著相關(guān),表明MODIS氣溶膠算法中紅光波段地表反射率估算偏低是導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因;基于我國(guó)香河和太湖AERONET資料,對(duì)比研究結(jié)果表明MODIS氣溶膠版本5算法中由于紅外與可見(jiàn)光地表反射率比率不再固定,而是依賴于地表植被指數(shù)和散射角,MODIS新版本AOD反演精度有顯著改進(jìn),MODISAOD與AERONET產(chǎn)品線性擬合斜率和截距分別為1.03和0.02。利用25個(gè)分布在全國(guó)各地的CSHNET手動(dòng)太陽(yáng)輻射計(jì)資料對(duì)比分析MODIS版本4和版本5AOD產(chǎn)品,證實(shí)MODIS版本5無(wú)論是系統(tǒng)誤差還是隨機(jī)誤差都顯著降低,和MODIS版本4產(chǎn)品相比,版本5資料與CSHNET產(chǎn)品線性擬合相關(guān)系數(shù)從0.66上升到0.84,擬合斜率從0.74上升到0.98,而截距從0.179下降到0.047。但由于我國(guó)氣溶膠特性變化很大,因此在衛(wèi)星遙感算法中充分描述這一特點(diǎn)仍然值得進(jìn)一步探索,也需要更多地面觀測(cè)資料支持。王莉莉等對(duì)比結(jié)果表明中國(guó)地區(qū)因地表和氣溶膠特性空間變化很大,導(dǎo)致MODIS氣溶膠反演精度在不同地區(qū)有很大差別,中國(guó)北部干旱和半干旱儀器青藏高原地區(qū)MODIS氣溶膠光學(xué)厚度僅有15%~54%落在預(yù)期誤差范圍內(nèi),而在中南部農(nóng)業(yè)地區(qū)該比例達(dá)到72%。我國(guó)渤海和黃海近海岸水域?yàn)槎愃w,反射率顯著高于深海。董海鷹等研究表明:由于MODIS氣溶膠算法中沒(méi)有考慮這一差別,可導(dǎo)致MODIS的AOD反演值偏高。3.3氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)化和地表太陽(yáng)輻射分配區(qū)分氣溶膠和云輻射強(qiáng)迫的關(guān)鍵步驟是識(shí)別天氣狀況(云天、晴天清潔或污染),這對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題,因?yàn)楫?dāng)氣溶膠含量很大時(shí),很難同云區(qū)分開來(lái)?；诘孛娓邥r(shí)間分辨率太陽(yáng)輻射觀測(cè)資料,發(fā)展了多個(gè)識(shí)別天氣狀況的方法,該方法綜合應(yīng)用直接/散射短波輻射測(cè)量,短波輻射通量的時(shí)間導(dǎo)數(shù),利用云天和晴空天氣太陽(yáng)輻射時(shí)空變化特征的顯著差異區(qū)分天氣狀況,該方法已成功運(yùn)用于我國(guó)東北遼中、華北香河和華東太湖三站?；谌军c(diǎn)氣溶膠和太陽(yáng)輻射觀測(cè)資料,開發(fā)了氣溶膠直接輻射效應(yīng)評(píng)估參數(shù)化方法,該方法首先利用輻射傳輸模式將晴空條件下輻射觀測(cè)資料進(jìn)行水汽訂正,然后利用AOD和太陽(yáng)天頂角參數(shù)化訂正后地表太陽(yáng)輻射。利用該參數(shù)化方法分析了三地區(qū)氣溶膠對(duì)地表和大氣頂輻射收支的影響,以及氣溶膠對(duì)地表太陽(yáng)直接和散射輻射分配的影響。結(jié)果表明高氣溶膠濃度不僅導(dǎo)致地表和大氣頂太陽(yáng)輻射收支顯著變化,也顯著改變了地表太陽(yáng)直接和散射輻射分配。東北遼中地區(qū)春季單位AOD導(dǎo)致瞬時(shí)地表太陽(yáng)直接輻射下降達(dá)404W/m2,其中63.8%的能量轉(zhuǎn)換為太陽(yáng)散射輻射到達(dá)地表,氣溶膠導(dǎo)致地表凈太陽(yáng)能量收支下降超過(guò)30W/m2。華北香河地區(qū)氣溶膠導(dǎo)致地表年平均太陽(yáng)凈輻射下降32.8W/m2,該值接近云直接輻射效應(yīng)(41W/m2),其中光合有效輻射(400~700nm)下降16.6W/m2,氣溶膠導(dǎo)致年平均散射輻射增加37.4W/m2。長(zhǎng)江三角洲地區(qū)氣溶膠導(dǎo)致地表太陽(yáng)凈輻射下降38.4W/m2,其中光合有效輻射下降17.8W/m2,氣溶膠導(dǎo)致地表年平均散射輻射增加67.1W/m2。氣溶膠對(duì)氣候系統(tǒng)的總效應(yīng)是冷卻作用,氣溶膠導(dǎo)致大氣頂太陽(yáng)凈輻射增加,但增加量值僅占地表太陽(yáng)凈輻射下降的1/5~1/10,二者差額被大氣吸收,表明低層大氣被氣溶膠強(qiáng)烈加熱,從而可能影響大氣穩(wěn)定度和降水。利用地基和衛(wèi)星氣溶膠和輻射資料,柳晶等分析了2004年秋季華北地區(qū)一次人為污染過(guò)程氣溶膠光學(xué)特性及輻射強(qiáng)迫,大氣穩(wěn)定和氣溶膠吸濕增長(zhǎng)導(dǎo)致AOD從0.1上升到3.0以上,瞬時(shí)大氣頂和地表輻射強(qiáng)迫分別達(dá)到50W/m2和350W/m2,氣溶膠導(dǎo)致大氣吸收太陽(yáng)輻射300W/m2?；诒本┑貐^(qū)太陽(yáng)光度計(jì)氣溶膠光學(xué)特性反演資料以及輻射傳輸模式,車惠正等計(jì)算了氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫并分析了季節(jié)變化特征。4全宏觀圖像的識(shí)別云是影響地氣系統(tǒng)輻射平衡的重要因子,也是氣候系統(tǒng)中氣候變化反饋機(jī)制最不確定的因子之一,云的參數(shù)化問(wèn)題目前依然是天氣和氣候模式研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn),仍然有賴于大量云物理和輻射特性資料的積累。地基和衛(wèi)星遙感觀測(cè)是獲取全球與區(qū)域云物理和輻射特性的重要手段。如參考文獻(xiàn)所述,IAP自主研制和開發(fā)了全天空可見(jiàn)光成像系統(tǒng),該系統(tǒng)的成功開發(fā)和應(yīng)用為云特性的觀測(cè)提供了一個(gè)新平臺(tái)和方法?；谠撓到y(tǒng)探測(cè)的全天空云圖像資料并結(jié)合模式運(yùn)算,霍娟等建立了一個(gè)優(yōu)化云識(shí)別算法,進(jìn)行云的移動(dòng)軌跡成像模擬及云量變化分析,并利用全天空數(shù)字圖像分析北京上空云況分布特征。主要研究結(jié)果與結(jié)論包括:(1)不同能見(jiàn)度和不同云型分布條件下藍(lán)紅(450nm,650nm)波段輻亮度比值的模擬計(jì)算結(jié)果表明:云識(shí)別輻射比的最優(yōu)閾值藍(lán)紅比為1.30,近地平天空云識(shí)別誤差較大,能見(jiàn)度小于2km時(shí),閾值法不適用于云識(shí)別;(2)相同太陽(yáng)高度角情況下,無(wú)云及有云大氣中藍(lán)紅比值隨能見(jiàn)度的下降呈單調(diào)下降趨勢(shì),在特定的云光學(xué)厚度和能見(jiàn)度情況下,天空色度彼此呈現(xiàn)出類似的分布狀況,全天空?qǐng)D像閾值判斷云識(shí)別自適應(yīng)算法的建立需要與太陽(yáng)高度角、地面能見(jiàn)度聯(lián)系起來(lái);(3)基于近兩年北京全天空數(shù)字圖像資料的分析結(jié)果表明:北京無(wú)云(云量<1)與全天空有云天氣(云量>9)情況各占總量的36%和46%,兩年中北京上空多以晴好天氣(包含薄卷云)和陰天為主,西北天空云的分布略多,頭頂上空云的出現(xiàn)概率較其它位置低,且概率有隨天頂角變大而增大的趨勢(shì)。全天空成像儀工作在可見(jiàn)光波段,僅適合于白天觀測(cè),為此,IAP開發(fā)了工作在紅外波段的紅外云天儀,并依據(jù)天頂亮溫與地表溫度、地表水汽壓和云底高度之間的非線性關(guān)系,從紅外云天儀觀測(cè)的天空亮溫提取天空云量和云底高度兩個(gè)重要云宏觀物理參數(shù)。2005年春季,章文星等對(duì)比了紅外云天儀觀測(cè)的云底高度與微脈沖激光雷達(dá)(MPL)觀測(cè)值,結(jié)果表明兩者有很好的一致性,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.93,但紅外云天儀反演的云底高度系統(tǒng)偏高于MPL觀測(cè),主要原因包括視場(chǎng)角差異、紅外云天儀反演算法中云黑體發(fā)射近似以及氣溶膠影響。云的光學(xué)厚度與有效粒子半徑是云光學(xué)屬性參數(shù)化方案中的重要參數(shù),空基及地基反演是目前獲得這兩個(gè)參數(shù)的主要手段,但對(duì)現(xiàn)行反演方法的驗(yàn)證及完善依然需要開展大量工作。王越等系統(tǒng)分析了云非均勻性對(duì)云光學(xué)厚度和有效粒子半徑衛(wèi)星遙感反演的影響,主要結(jié)論包括:(1)云非均勻性會(huì)造成雙向反射率異常,光學(xué)厚度與有效粒子半徑存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,高估或低估現(xiàn)象成“簇”出現(xiàn);(2)提出了以光學(xué)厚度為權(quán)重來(lái)確定云場(chǎng)的“真實(shí)”有效粒子半徑的方法,確定三維云場(chǎng)各格點(diǎn)真實(shí)有效粒子半徑及對(duì)云場(chǎng)進(jìn)行尺度平均的方法;(3)系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析表明尺度平均對(duì)反演結(jié)果整體高估或低估趨勢(shì)沒(méi)有影響,高估或低估現(xiàn)象成“簇”出現(xiàn),表明即使在較低水平分辨率情況下,云非均勻性也將使反演值系統(tǒng)偏離實(shí)際值,因此,為了獲取更為準(zhǔn)確的衛(wèi)星反演的云產(chǎn)品,對(duì)于現(xiàn)有的衛(wèi)星反演云參數(shù)的算法,包括MODIS算法,必須訂正云的三維非均勻性影響。丁守國(guó)等利用國(guó)際衛(wèi)星云氣候計(jì)劃(ISCCP)D2版云氣候資料集,分析了總云量及高、中、低云在全球的分布特征及近20年間全球不同云類云量的變化趨勢(shì),結(jié)果表明全球平均總云量有下降趨勢(shì),但1987年以前總云量略有增加,此后轉(zhuǎn)為下降,減少量約占全球平均云量的4%。低云和高云量均呈減少態(tài)勢(shì),而中云量稍有增加。不同云量變化趨勢(shì)具有顯著的區(qū)域性,初步分析指出,在全球增溫氣候背景下,云量的變化對(duì)當(dāng)前氣候可能是一個(gè)正反饋過(guò)程,即近年來(lái)云量的減少可能促使全球氣候更加趨于變暖。王旻燕等通過(guò)比較研究2000年地面觀測(cè)總云量和國(guó)際衛(wèi)星云氣候計(jì)劃ISCCP總云量,分析了東亞地區(qū)總云量的空間分布特征及季節(jié)變化特征,并討論地面與衛(wèi)星觀測(cè)獲取云量?jī)商讛?shù)據(jù)集因觀測(cè)方式不同使東亞不同地區(qū)出現(xiàn)云量偏差及偏差產(chǎn)生原因,以及兩種觀測(cè)方式的特點(diǎn)。建立了一個(gè)基于云的光譜屬性物理基礎(chǔ)和圖像模式識(shí)別方法提取強(qiáng)對(duì)流云的方法,研究了1996~2002年?yáng)|亞地區(qū)強(qiáng)對(duì)流云云頂溫度和發(fā)生頻率的空間分布及其季節(jié)變化規(guī)律。結(jié)合分析2000~2004年對(duì)流層頂溫度、對(duì)流層頂氣壓的季節(jié)變化,定量揭示了強(qiáng)對(duì)流云的發(fā)展受對(duì)流層頂?shù)闹萍s作用。5氣體監(jiān)測(cè)的應(yīng)用大氣微量氣體成分對(duì)于氣候和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是極其重要的。世界正在經(jīng)歷全球工業(yè)化進(jìn)程,規(guī)模工業(yè)和現(xiàn)代交通消耗大量的化石燃料,向大氣排放大量的廢氣,如CFCs、NO2、SO2、VOCs等,這些物質(zhì)或直接或作為污染物質(zhì)的前體物間接地嚴(yán)重污染了大氣環(huán)境,同時(shí)影響了氣候。最早受到強(qiáng)烈關(guān)注的是稱為生命保護(hù)傘的大氣臭氧層,自從1985年英國(guó)Farman發(fā)現(xiàn)南極臭氧洞以來(lái),大氣臭氧的變化就成為一個(gè)科學(xué)研究熱點(diǎn)。科學(xué)家為了保護(hù)地球人類賴于生存的大氣臭氧層,從探索臭氧層變薄的原因到如何防止大氣臭氧層進(jìn)一步變薄付出了巨大努力。對(duì)流層大氣微量氣體如O3、NO2、SO2、VOCs是造成大氣環(huán)境污染的重要成分,形成的光化污染造成嚴(yán)重的視線障礙,同時(shí)嚴(yán)重地影響了人們的身體健康。近年來(lái),隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,大氣環(huán)境污染問(wèn)題日益突出,從氣候和環(huán)境兩個(gè)方面,對(duì)大氣微量氣體的監(jiān)測(cè)都受到很大的重視。對(duì)大氣微量氣體的監(jiān)測(cè)主要有兩類方法,一類是先采樣后進(jìn)行化學(xué)或光學(xué)分析的方法,如目前各大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)站采用的O3、NO2和SO2氣體分析儀;一類是測(cè)量光信號(hào)傳輸過(guò)程中的吸收光譜通過(guò)特征分析獲得大氣微量氣體的含量,其中差分吸收光譜分析方法是一種普遍采用的方法。氣體分析儀適合監(jiān)測(cè)儀器附近通常是近地面大氣微量氣體的濃度,而差分吸收光譜方法可廣泛用于測(cè)量近地面一段路徑的污染物平均濃度或大氣路徑總量。早在20世紀(jì)70、80年代,IAP就開展了利用差分吸收技術(shù)反演大氣微量氣體濃度的研究,并研制了多種相關(guān)設(shè)備,包括開放路徑DOAS系統(tǒng),以He-Ne、CO和CO2可調(diào)諧紅外激光器為工作光源的測(cè)量大氣微量氣體成分的實(shí)驗(yàn)DOAS系統(tǒng),以及以鎢燈和氚燈為紫外光源的開放路徑DOAS系統(tǒng)。這些設(shè)備被用來(lái)監(jiān)測(cè)北京近地面大氣微量氣體如CO、NOx、O3、CH4、C2H2等。從2006年起,受北京市2008奧運(yùn)空氣質(zhì)量保障任務(wù)牽引,IAP再次加強(qiáng)了DOAS技術(shù)在大氣微量氣體特別是大氣污染氣體的監(jiān)測(cè)研究。IAP與俄羅斯Obninsk光電技術(shù)研究所和天津大學(xué)三博公司合作研制了兩臺(tái)DOAS-M1系統(tǒng),該系統(tǒng)采用氙燈作為光源,可檢測(cè)到190~540nm從幾百米距離折返的大氣吸收光譜,光譜分辨率可以達(dá)到0.34nm,具有檢測(cè)NO2、SO2、O3等幾十種大氣微量氣體的能力。IAP大氣與環(huán)境遙感研究組把兩臺(tái)DOAS-M1系統(tǒng)分別安置在IAP主樓和香河大氣綜合觀測(cè)試驗(yàn)站內(nèi),對(duì)主要大氣污染氣體濃度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè),獲得了對(duì)華北地區(qū)污染氣體變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)。還特別在2007年8月17~20日北京市機(jī)動(dòng)車單雙號(hào)交通管制期間參與了機(jī)動(dòng)車限行削減污染排放效果評(píng)估監(jiān)測(cè)試驗(yàn),取得了NO2減少、O3反而有所增加的重要觀測(cè)結(jié)果。自從1992年以來(lái),IAP還同俄羅斯科學(xué)院大氣物理所進(jìn)行了長(zhǎng)期合作,利用高分辨率太陽(yáng)分光光譜儀開展了對(duì)北京地區(qū)上空CO、CH4和N2O等大氣微量氣體柱總含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),獲得了北京地區(qū)上空CO、CH4和N2O等氣體柱總量的變化特征和近10年來(lái)的變化趨勢(shì)。我們采用大型古典式紅外光柵光譜儀,跟蹤采集太陽(yáng)直射紅外光譜,通過(guò)分析吸收光譜計(jì)算CO、CH4等氣柱含量。太陽(yáng)紅外光譜儀的觀測(cè)波段范圍為2.7~5.3μm,探測(cè)器采用半導(dǎo)體制冷的PbSe,觀測(cè)采用的光譜分辨率在3.3~4.7μm范圍內(nèi)是0.23~0.30cm-1,觀測(cè)時(shí)每0.2秒記錄一次太陽(yáng)輻射值,得到有效測(cè)量范圍內(nèi)的一條太陽(yáng)光譜約需7分鐘。目前,IAP正在與比利時(shí)高空大氣所合作研制MaxDOAS系統(tǒng),準(zhǔn)備部署在華北地區(qū)香河站或者興隆站,開展大氣NO2、SO2等污染氣體柱總量的觀測(cè),以獲得關(guān)于華北地區(qū)NO2變化規(guī)律的認(rèn)識(shí),對(duì)衛(wèi)星遙感的NO2等產(chǎn)品進(jìn)行有效性驗(yàn)證。IAP也同時(shí)在與美國(guó)威斯康星大學(xué)合作,開發(fā)利用傅里葉變換紅外光譜儀遙感大氣微量氣體(如CO2、CH4等)的相關(guān)技術(shù),為我國(guó)開展衛(wèi)星遙感大氣成分的研究打下重要基礎(chǔ),為追趕發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)遙感水平做出重要貢獻(xiàn)。紫外DOAS技術(shù)與紅外DOAS技術(shù)加一起,將大大促進(jìn)大氣微量氣體的全面發(fā)展。在大氣臭氧遙感研究方面,楊景梅等利用北京地區(qū)1990~2002年Dobson儀器逆轉(zhuǎn)觀測(cè)資料,反演計(jì)算出臭氧垂直分布,結(jié)合Dobson儀器臭氧總量資料,分析了1990~2002年北京地區(qū)臭氧垂直分布特征和變化情況。結(jié)果表明,在1992年秋季和1993年春季,季節(jié)平均臭氧含量在2~4層,即10.3~23.5km范圍內(nèi)有較大幅度降低,同時(shí)月平均臭氧總量比常年明顯偏低;1990年到2002年期間,臭氧總量的變化呈現(xiàn)出緩慢下降趨勢(shì),但不同高度臭氧含量的變化趨勢(shì)有所不同。6氣溶膠光學(xué)厚度反演的數(shù)值試驗(yàn)幾十年來(lái),遙感反演方法研究一直是大氣遙感定量化發(fā)展的重要一環(huán)。近年來(lái),IAP學(xué)者在大氣氣溶膠和云的光學(xué)特性、大氣微量氣體濃度垂直分布等遙感反演方法研究方面取得一些重要研究成果。下面予以介紹。SSA是評(píng)估氣溶膠輻射強(qiáng)迫的關(guān)鍵影響因子之一。幾十年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者致力于發(fā)展SSA的反演方法,其中的一類方法是利用地基探測(cè)的窄帶或?qū)拵?yáng)漫射信息反演SSA?，F(xiàn)在有大量的太陽(yáng)總輻射觀測(cè)資料,可從這些資料提取SSA信息的有效反演方法是有重要應(yīng)用價(jià)值的?；谔?yáng)總輻射信息對(duì)氣溶膠光學(xué)特性的敏感性分析,邱金桓最近發(fā)展了一個(gè)從窄帶或?qū)拵?yáng)總輻射反演氣溶膠折射率虛部和SSA的方法,通過(guò)數(shù)值模擬分析了輻射誤差、AOD和譜分布誤差、水汽含量誤差和和平面大氣假設(shè)所引起的SSA反演誤差,并把從北京氣象臺(tái)站總輻射資料反演的SSA與AERONET北京站的SSA產(chǎn)品進(jìn)行比較。對(duì)4個(gè)AERONET波長(zhǎng),應(yīng)用本方法的SSA平均值對(duì)AERONET結(jié)果的最大偏差為0.032;均方根偏差都在0.052以內(nèi)。兩者有較好的吻合。邱金桓還引入了輻射加權(quán)平均的寬帶氣溶膠一次散射反照率(SSA)和?ngstr?n指數(shù)的定義,發(fā)展了一個(gè)從寬帶的漫射信息反演該SSA的方法,并通過(guò)模擬反演分析了SSA反演的主要誤差因子。陸地上空標(biāo)量輻射對(duì)地表反射率和大氣氣溶膠散射都具有很強(qiáng)的敏感性,而偏振反射只對(duì)大氣氣溶膠敏感,對(duì)地表不敏感。根據(jù)這個(gè)原理并結(jié)合POLDER資料的特點(diǎn),段民征和呂達(dá)仁提出綜合利用標(biāo)量輻射和偏振反射信息來(lái)實(shí)現(xiàn)陸地上空大氣氣溶膠和地表反照率的同時(shí)反演。首先利用多角度偏振輻射觀測(cè)提取大氣氣溶膠光學(xué)參數(shù),再利用標(biāo)量輻射測(cè)量對(duì)偏振反演結(jié)果進(jìn)行作進(jìn)一步篩選和訂正,同時(shí)獲得地表反射率。數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果結(jié)果證明,僅利用偏振信息只能獲取大氣氣溶膠信息,反演誤差也較大,特別是對(duì)于散射作用較強(qiáng)的短波長(zhǎng)通道,但經(jīng)過(guò)標(biāo)量輻射訂正后的結(jié)果得到明顯改善,AOD和地表反射率與真實(shí)值之間相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.99以上。宗雪梅提出了聯(lián)合反演AOD與地表反射率的一個(gè)方法。這一方法應(yīng)用一個(gè)氣溶膠標(biāo)準(zhǔn)高度模式和地面能見(jiàn)度資料,估計(jì)AOD,從中挑選AOD相對(duì)較小的樣本確定地表反射率,再應(yīng)用該反射率反演AOD。國(guó)內(nèi)外通常采用太陽(yáng)入射方向的太陽(yáng)直接輻射反演AOD。但我國(guó)只有少量氣象臺(tái)站有這類探測(cè)資料,大多數(shù)資料為日累積的水平面太陽(yáng)直接輻射。許瀟鋒等發(fā)展了一個(gè)利用水平面太陽(yáng)直接輻射日曝輻量反演大氣AOD的方法,建立一個(gè)“等效”的瞬時(shí)太陽(yáng)天頂角模型,并提出了一個(gè)基于氣溶膠標(biāo)高的云影響甄別方法。對(duì)該光學(xué)厚度反演方法的數(shù)值模擬和誤差分析表明:“等效”瞬時(shí)太陽(yáng)天頂角模型的不穩(wěn)定性引起的光學(xué)厚度反演誤差平均為3.66%;光學(xué)厚度日變化對(duì)一段較長(zhǎng)時(shí)間的平均光學(xué)厚度的影響不顯著;訂正造成的散射輻射誤差≤20%時(shí),光學(xué)厚度平均偏差≤4%。云的光學(xué)厚度與有效粒子半徑是2個(gè)重要的云光學(xué)特性參數(shù),空基及地基反演是目前獲得這兩個(gè)參數(shù)的主要手段。王越等提出了一種利用地基觀測(cè)的太陽(yáng)透射光信息反演云光學(xué)厚度及有效粒子半徑的方法。數(shù)值模擬反演表明:當(dāng)水云光學(xué)厚度大于1、有效粒子半徑大于5μm時(shí),利用0.75和2.13μm的太陽(yáng)透射輻射信息可同時(shí)反演云的光學(xué)厚度及有效粒子半徑;隨著云光學(xué)厚度的增大,光學(xué)厚度和有效半徑的反演誤差均單調(diào)減小;結(jié)合0.75μm和1.65μm的太陽(yáng)透射值也可以反演水云的光學(xué)厚度和有效粒子半徑。王越等還對(duì)積云場(chǎng)與層積云場(chǎng)計(jì)算了0.67μm及2.13μm的天底方向的雙向反射率,探討了云的非均勻性對(duì)雙向反射率(BRDF)的影響。研究結(jié)果表明:隨著太陽(yáng)天頂角的增大,積云場(chǎng)有約6%格點(diǎn)的0.67μm的BRDF值出現(xiàn)>1的異常值;BRDF值異常聚集出現(xiàn)于云頂?shù)木值氐凸?云的非均勻性有可能造成衛(wèi)星的觀測(cè)值出現(xiàn)與平面平行輻射傳輸理論不相符的狀況,提示高分辨率的衛(wèi)星資料的像素點(diǎn)的輻射值可能會(huì)因云非均勻性的影響而被增強(qiáng),對(duì)應(yīng)用其反演的產(chǎn)品要有清醒的認(rèn)識(shí),中高緯度地區(qū)的優(yōu)勢(shì)太陽(yáng)天頂角均較大,云非均勻性對(duì)于這些區(qū)域的反演結(jié)果的影響更大。我國(guó)有90多個(gè)氣象觀測(cè)站,40多年來(lái)進(jìn)行太陽(yáng)總輻射的常規(guī)觀測(cè)。為了應(yīng)用這些寶貴的輻射資料,邱金桓近年來(lái)致力于發(fā)展云光學(xué)厚度的太陽(yáng)總輻射反演方法及其應(yīng)用。當(dāng)云光學(xué)厚度較大時(shí),太陽(yáng)總輻射主要依賴于云光學(xué)厚度的變化?；谠撎匦?邱金桓提出了一個(gè)應(yīng)用太陽(yáng)總輻射和地面能見(jiàn)度資料反演云光學(xué)厚度的方法,分析了影響云光學(xué)厚度反演精度的主要誤差因子、指出AOD與SSA對(duì)反演結(jié)果的重要影響,提出一個(gè)應(yīng)用能見(jiàn)度資料確定云天AOD的方法、并把應(yīng)用這一方法的云光學(xué)厚度反演結(jié)果與ISCCP和MODIS云光學(xué)厚度產(chǎn)品進(jìn)行比較。成都2001年應(yīng)用本方法的年平均光學(xué)厚度為20.56,對(duì)應(yīng)的ISCCP和MODIS光學(xué)厚度為19.01和19.55,偏差在1.55以內(nèi)。邱金桓還應(yīng)用這一方法研究了北京、鄭州兩地云光學(xué)厚度在1960~2000年間變化特征,結(jié)果表明北京云光學(xué)厚度呈增加趨勢(shì)、鄭州呈下降趨勢(shì)。地球紫外臨邊散射輻射大氣探測(cè)技術(shù),具有高時(shí)空覆蓋率和高垂直分辨率等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為中層大氣遙感的重要手段。在該技術(shù)應(yīng)用中,發(fā)展反演中層大氣密度、臭氧等垂直分布的先進(jìn)方法,對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與理解中高層大氣過(guò)程及控制因子等方面都是很重要的。為此,郭霞和呂達(dá)仁多年來(lái)致力于研究基于紫外臨邊技術(shù)的反演方法,建立了從多波長(zhǎng)地球紫外臨邊散射輻射信息綜合反演中層大氣密度(溫度/壓力)和臭氧垂直分布的一個(gè)新算法。在該算法中,大氣密度的反演高度為22~90km,反演精度為1%~2%,臭氧的反演高度比相應(yīng)的單參數(shù)臭氧反演結(jié)果有較大拓展,為20~90km(后者的反演高度為20~70km),反演精度為3%~5%。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)掩星遙感技術(shù)是一種探測(cè)全球大氣與海洋參數(shù)的新手段、新途徑,具有全天候、高垂直分辨率等優(yōu)點(diǎn)。它利用地基、機(jī)載或LEO衛(wèi)星上搭載的接收機(jī),接收穿過(guò)大氣的掩星信號(hào)及來(lái)自海面的反射信號(hào)反演大氣溫度、壓力、濕度等廓線,無(wú)論對(duì)大氣物理、海洋學(xué)、全球氣候變化等研究還是對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、海上交通、海洋開發(fā)等實(shí)際應(yīng)用,都是極為重要的。王鑫等瞄準(zhǔn)國(guó)際研究前沿,在發(fā)展這類遙感的反演方法與應(yīng)用方面取得重要進(jìn)展,主要有如下幾個(gè)方面:(1)發(fā)展了一個(gè)從無(wú)線電掩星探測(cè)數(shù)據(jù)提取對(duì)流層水汽壓廓線的一維非線性反演方法。該方法先定義了一個(gè)一維目標(biāo)函數(shù),以幾何光學(xué)假設(shè)為前提,反演出電波彎曲角,并將電波彎曲角作為掩星探測(cè)量、大氣模式輸出的溫、濕參量作為初始場(chǎng),代入目標(biāo)函數(shù),再對(duì)目標(biāo)函數(shù)求最優(yōu)反演出水汽壓廓線。反演結(jié)果表明:采用非線性方法反演水汽壓對(duì)初始場(chǎng)的精度依賴較小,能夠同時(shí)反演出大氣溫度、