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大氣黒碳氣溶膠遙感技術及應用 版權信息
- ISBN:9787030682406
- 條形碼:9787030682406 ; 978-7-03-068240-6
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
大氣黒碳氣溶膠遙感技術及應用 內容簡介
本書系統介紹基于不同遙感平臺的強吸收性黑碳氣溶膠濃度反演方法,使讀者對這些方法從理論基礎到計算機實現都得到全面的了解。書中基于輻射傳輸理論深入探討黑碳氣溶膠的物理特性與其混合方式對光學特征的敏感性,評價黑碳氣溶膠在輻射傳輸過程中對大氣頂層輻射的影響。并利用黑碳氣溶膠粒子對太陽輻射的強吸收特性的可標識性,基于不同遙感數據討論地基遙感與衛星遙感黑碳氣溶膠的具體反演方法,細化反演流程并進行算法驗證,并給出應用的具體實例。
大氣黒碳氣溶膠遙感技術及應用 目錄
前言
第1章大氣黑碳氣溶膠遙感綜述1
1.1大氣黑碳氣溶膠概述1
1.1.1黑碳氣溶膠對氣候變化的影響2
1.1.2黑碳氣溶膠對人體健康的影響2
1.2黑碳氣溶膠濃度探測研究進展概述3
1.2.1大氣黑碳氣溶膠濃度獲取方法概述3
1.2.2氣溶膠類型識別研究進展4
1.2.3基于地基遙感的黑碳氣溶膠濃度反演研究進展5
1.2.4基于衛星遙感的氣溶膠吸收特性反演研究進展6
第2章氣溶膠光學特性與輻射傳輸理論8
2.1大氣氣溶膠光學特性8
2.1.1氣溶膠粒子散射特性8
2.1.2氣溶膠粒子吸收特性11
2.2大氣輻射傳輸12
2.2.1大氣-地表耦合介質中的輻射傳輸方程12
2.2.2氣溶膠多角度偏振散射模擬15
2.3典型大氣輻射傳輸模型18
2.3.1LOWTRAN18
2.3.2MODTRAN18
2.3.36S/6SV19
第3章黑碳氣溶膠的微物理模型21
3.1高濃度氣溶膠模型21
3.1.1高濃度氣溶膠特征聚類21
3.1.2高濃度氣溶膠的微觀形態模型28
3.2黑碳氣溶膠的光學及微物理特性30
3.2.1黑碳氣溶膠的微觀形態30
3.2.2黑碳氣溶膠的復折射指數31
3.3黑碳氣溶膠的微物理模型32
3.3.1有效介質模型32
3.3.2團簇模型35
3.3.3老化過程35
3.3.4吸濕增長38
第4章黑碳氣溶膠光學散射模型及理化光學參量敏感性分析39
4.1黑碳氣溶膠光學散射模型39
4.1.1Mie模型39
4.1.2T矩陣模型40
4.1.3DDA模型47
4.1.4其他模型51
4.2黑碳氣溶膠理化特性對光學特性的敏感性分析54
4.2.1黑碳氣溶膠混合模型對氣溶膠光學特性模擬的影響54
4.2.2非黑碳氣溶膠組分對氣溶膠光學特性模擬的影響55
4.2.3黑碳體積比例對氣溶膠光學特性模擬的影響56
4.3混合氣溶膠吸收特性對大氣頂層輻射敏感性分析59
4.3.1氣溶膠復折射指數對大氣頂層反射率的敏感性59
4.3.2氣溶膠粒子譜分布對大氣頂層反射率的敏感性62
4.3.3黑碳氣溶膠體積比例對大氣頂層反射率的敏感性64
第5章黑碳氣溶膠地基遙感反演技術66
5.1基于地基遙感數據的黑碳氣溶膠濃度反演算法66
5.1.1全球氣溶膠自動觀測網絡AERONET簡介66
5.1.2氣溶膠化學成分反演理論基礎67
5.1.3氣溶膠化學成分優化迭代反演68
5.2黑碳氣溶膠濃度反演結果評價與分析70
5.2.1不同組分假設下黑碳氣溶膠濃度反演結果精度評定71
5.2.2不同氣溶膠混合模型假設下黑碳氣溶膠濃度反演結果精度評定73
5.2.3不同氣溶膠負荷條件下黑碳氣溶膠濃度反演結果精度評定74
第6章黑碳氣溶膠多角度衛星遙感技術76
6.1基于多角度衛星數據的黑碳氣溶膠濃度反演算法76
6.1.1多角度偏振傳感器POLDER/PARASOL簡介77
6.1.2統計優化插值基本原理78
6.1.3結合先驗約束的統計優化插值計算80
6.1.4統計優化插值反演模型的不確定性82
6.2大氣黑碳氣溶膠濃度衛星遙感反演方案85
6.2.1預處理及云檢測85
6.2.2黑碳氣溶膠濃度參數以及氣溶膠光學特性的*優化插值解算86
6.2.3氣溶膠光學厚度及近地面黑碳氣溶膠濃度的估算87
6.3反演結果驗證87
6.3.1氣溶膠光學厚度反演驗證88
6.3.2黑碳氣溶膠濃度反演驗證90
6.4誤差來源分析95
6.4.1均勻的黑碳氣溶膠垂直分布假設對反演結果的影響95
6.4.2忽略其他弱吸收性氣溶膠對反演結果的影響96
6.4.3有效介質模型的應用對反演結果的影響98
第7章黑碳氣溶膠多光譜衛星遙感反演技術100
7.1單一角度多光譜衛星數據的黑碳氣溶膠濃度反演算法100
7.1.1氣溶膠混合模型優化100
7.1.2背景氣溶膠模型分析101
7.1.3算法構建103
7.2反演結果與驗證106
7.2.1氣溶膠吸收特性驗證106
7.2.2近地面黑碳氣溶膠濃度驗證106
7.2.3黑碳氣溶膠柱濃度反演與近地面黑碳氣溶膠濃度的相關性108
7.3誤差來源分析111
7.3.1反演中輸入參數的不確定性對反演結果的影響111
7.3.2反演中假設條件對反演結果的影響113
第8章黑碳氣溶膠遙感監測應用示范115
8.1地基遙感監測應用示范115
8.1.1污染天氣下北京地區黑碳氣溶膠濃度115
8.1.2污染天氣下北京地區黑碳氣溶膠光學特性的變化117
8.1.3全球典型地區站點生物質燃燒氣溶膠的類型與時間變化特征研究118
8.2衛星遙感監測應用示范125
8.2.1中國東部黑碳氣溶膠污染監測應用示范125
8.2.2南亞生物質燃燒監測應用示范130
8.2.3森林火災監測應用示范135
8.2.4區域大氣黑碳氣溶膠時空分布特征137
8.2.5基于長期衛星觀測的南亞生物質燃燒氣溶膠動態變化特性研究140
參考文獻153
大氣黒碳氣溶膠遙感技術及應用 節選
第1章大氣黑碳氣溶膠遙感綜述 大氣氣溶膠是對流層大氣中普遍存在的非恒定化學組分的混合體,是一種分散在大氣環境系統中的固態或液態的多相物質,具有眾多的自然來源以及人為來源(D’Almeida et al., 1991; Mészáros, 1999; Rahn, 1976)。近些年來,分布廣泛、空間變化巨大且化學組成復雜的大氣氣溶膠污染已經成為我國乃至全球面臨的重要問題之一( Akimoto, 2003; Chan and Yao, 2008; Elsom, 1992; Huang et al., 2014; Lelieveld et al., 2015),影響全球及局地氣候,制約國家經濟發展,干擾人類健康生活( Anderson et al., 2012; Kampa and Castanas, 2008; Lave and Seskin, 2013)。因此,氣溶膠已經成為大氣科學領域研究的熱點。作為全球大氣氣溶膠的主要人為來源,以黑碳氣溶膠(常簡稱黑碳)為主的吸收性氣溶膠是影響全球大氣氣候環境重要的因素之一( Bond et al., 2013; Cooke and Wilson, 1996; Haywood and Ramaswamy, 1998; Jacobson, 2001; Menon et al., 2002; Ramanathan and Carmichael, 2008;鄧雪嬌等, 2011; 吳兌等 , 2009)。目前,由于遙感平臺的高覆蓋性、時效性、經濟性等優勢,基于不同平臺遙感數據的氣溶膠反演是實現黑碳氣溶膠觀測的有效方式之一( Bond et al., 2013),因此,深入研究黑碳氣溶膠濃度遙感定量化方法對環境變化評估具有重要的科學意義與研究前景。 1.1 大氣黑碳氣溶膠概述 黑碳主要由含碳化石原料和生物質原料不完全燃燒產生,是大氣氣溶膠的重要組成部分。黑碳氣溶膠的來源可分為自然源和人為源。其中,火山爆發、森林大火等自然現象是黑碳排放的主要自然來源,此類自然現象的發生在區域或全球范圍內具有一定的偶然性,因此對大氣中黑碳濃度的長期背景值變化貢獻較低。相反,人為源排放的黑碳更加具有廣泛性和持續性。自工業革命以來,隨著城市化進程的加快與世界人口數量的激增,大量的煤、石油等化石燃料被使用,進而在全球范圍內造成黑碳排放的持續增加;出于農業目的的生物燃燒活動也逐漸活躍,嚴重影響區域空氣質量;另外由汽車尾氣帶來的黑碳排放也成為城市大氣中黑碳的重要來源。黑碳氣溶膠粒子屬于超細顆粒(PM1),但有別于大氣氣溶膠中其他形式的含碳化合物,黑碳對可見光和部分紅外光譜的強吸收能力是大氣輻射傳輸中的一個顯著特點,遠超其他類型的氣溶膠粒子。黑碳氣溶膠排放至大氣后,會經歷區域甚至洲際的傳輸過程,并通過干濕沉降作用降落到地球表面。盡管這一過程的周期十分短( 1天到 1周左右),但通常會與含有其他物質的大氣氣溶膠粒子發生混合生長,在大氣中發生各種化學和光化學反應、非均相反應以及氣粒轉化過程,造成其粒子大小、化學成分和光學特性的劇烈變化,從而對氣候環境產生直接或間接的影響。 1.1.1 黑碳氣溶膠對氣候變化的影響 大氣氣溶膠是影響全球以及區域氣候變化的重要因素之一(Hansen et al., 1997; Sokolik and Toon, 1996)。不同混合態的氣溶膠顆粒對不同波段光的吸收、散射和反射效應,可對氣候環境產生直接或間接的影響,主要體現在直接輻射強迫和間接輻射強迫兩個方面(Charlson et al., 1992; Haywood and Boucher, 2000; Haywood and Ramaswamy, 1998)。黑碳作為一種強吸收性氣溶膠,在上述兩種效應中均占有重要地位。 在地球表面-大氣系統中,氣溶膠對短波輻射以及長波輻射的直接散射或吸收作用,直接導致地表、大氣層中以及大氣頂層的太陽輻射能的變化,從而影響地氣收支輻射平衡(Bellouin et al., 2005; Bond et al., 2013; Jacobson and Mark, 2001)。大氣中的黑碳氣溶膠含量不高(通常小于 15%),但由于黑碳氣溶膠在整個太陽光譜內具有很強的吸收,是大氣氣溶膠中太陽輻射的主要吸收體。一般認為,黑碳氣溶膠是全球大氣系統中僅次于二氧化碳的增溫成分,約是 CO2增溫能力的三分之一,大大超越了其他溫室氣體和氣溶膠等大氣成分對全球的增溫效應。此外,黑碳氣溶膠粒子與硫酸鹽、硝酸鹽和有機物等氣溶膠粒子混合,產生更加強烈的吸收放大效應,抵消了大部分的氣溶膠致冷效應(Jacobson, 2001; Tripathi et al., 2005; Yang et al., 2017)。現有研究指出,由黑碳氣溶膠造成的直接輻射強迫約為 0.17~1.48W/m2(Bond et al., 2013),其中中國排放的黑碳氣溶膠對全球輻射強迫的影響約占 14%,對全球造成約 +0.09W/m2的輻射強迫( Li et al., 2016),這一輻射強迫已顯著影響全球及區域的氣候、天氣現象以及大氣環境。 高濃度的黑碳氣溶膠對云的特性產生作用,影響云的溫度及云凝結核作用( Sun and Ariya, 2006)。通過改變云微物理以及輻射性質,黑碳氣溶膠影響大氣及地面溫度、云的生命周期以及區域降水,間接影響區域氣候環境(Haywood and Boucher, 2000; Jones et al., 1994; Yang et al., 2017a);高空的黑碳氣溶膠加熱上層大氣溫度形成逆溫,進一步導致氣溶膠在近地面層的堆積,惡化區域空氣質量與環境氣候;此外,當黑碳氣溶膠沉降在冰雪等高反照率表面上時,會降低原有的冰雪反照率,從而增加地表溫度并減少積雪,進一步破壞地氣輻射收支平衡( Flanner et al., 2007; Hadley and Kirchstetter, 2012)。這種效應在南北極及喜馬拉雅冰川上將造成嚴重的氣候環境惡化,加速冰川融化速度,從而導致全球的極端天氣環境以及氣候異常( Ming et al., 2009; Ramanathan and Carmichael, 2008)。 1.1.2 黑碳氣溶膠對人體健康的影響 氣溶膠對人體健康具有嚴重危害,威脅著人類生存與可持續發展。研究表明,自工業革命以來,人類對于煤炭化石燃料的需求增高,黑碳氣溶膠濃度也隨著工業化進程而增長,從而造成嚴重的大氣污染。這種超細顆粒物質對人體的危害極大,特別是直徑小于 5μm的含碳氣溶膠顆粒容易被吸入人體,直接進入支氣管,干擾肺部的氣體交換,引發包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病,對人的呼吸系統產生重要影響( Kampa and Castanas, 2008)。此外,含碳氣溶膠在空氣中具有很強的吸附性,能吸附很多致癌、致畸的有毒有害的重金屬元素外殼。這些有害氣體、重金屬等致癌物質溶解在血液中,直接影響大腦、肝臟心臟等其他人體器官,造成死亡。同時,含碳氣溶膠還會夾雜如細菌、病毒、病菌等一部分具生物活性的氣溶膠,給人體健康帶來巨大的危害( Anenberg et al., 2012; Heinrich et al., 1995; Lelieveld et al., 2015)。 1.2 黑碳氣溶膠濃度探測研究進展概述 快速有效地分析大氣黑碳氣溶膠的時空分布和含量水平,有助于鎖定大氣污染物的來源,提高黑碳氣溶膠輻射效應估計的準確性,掌握氣溶膠成分及區域污染特征,為政府制定合理的大氣污染防治措施提供重要依據。當前獲得黑碳成分含量的幾種常見方法有現場化學采樣、掃描電鏡分析和化學模式模擬等。自 20世紀 60年代以來,遙感技術逐漸興起,通過人造衛星、飛機或地面傳感器對遠距離目標所輻射或者反射的電磁波信號進行成像,根據電磁波與輻射傳輸理論判定地球大氣環境與資源特性。相比傳統實驗室采樣方法,遙感數據獲取相對簡單,可以在不破壞氣溶膠原始狀態下反演整層大氣氣溶膠的瞬時參數信息,在黑碳氣溶膠濃度探測研究中具有很大的應用和發展潛力。目前,利用遙感數據獲取大氣氣溶膠光學特性的方法已趨于成熟,但對于氣溶膠組分濃度反演的相關研究還較為薄弱。針對黑碳氣溶膠的主要研究方向有基于地基遙感手段的黑碳氣溶膠分類研究、基于地基遙感手段的黑碳氣溶膠濃度反演研究與基于衛星遙感手段的氣溶膠吸收特性反演研究等。 1.2.1 大氣黑碳氣溶膠濃度獲取方法概述 傳統的化學采樣利用濾膜進行氣溶膠顆粒物采樣收集和化學分析,獲得氣溶膠顆粒物中的各種氣溶膠化學成分( Jimenez et al., 2003)。而掃描電鏡方法通過對樣品表面材料的物質進行微觀成像,從而對其顯微組織性貌進行觀察和成分分析(Ebert et al., 2002; Kresge et al., 1992; Li and Shao, 2009)。這兩種離線分析技術能夠有效獲取大氣氣溶膠化學成分信息,但存在較大的局限性。一方面,現場采樣方法操作煩瑣,為避免濾膜基體的干擾問題,通常需要長時間采樣收集,并且需要帶回實驗室進行分析,其結果空間覆蓋能力較低;另一方面,被收集的樣品在被分析前的那段時間內通常會發生一些物理或化學性質的變化,如揮發、結晶、發生氣-粒轉化反應等,難以反映氣溶膠粒子初始特性,并且容易受到人為操作的影響,造成化學成分分析的較大誤差。 為了解決傳統氣溶膠化學組分實驗室判定方法的局限性,各種實時的在線顆粒物化學組分監測儀器相繼出現,如氣溶膠質譜儀( aerosol mass spectrometer, AMS),能夠同時測定包括有機組分和無機組分的亞微米級別結果,在大氣顆粒物以及灰霾監測研究中被廣泛應用( DeCarlo et al., 2006; Drewnick et al., 2005; Jayne et al., 2000)。此外,諸如顆粒物化學組分在線檢測儀( aerosol chemical speciation monitor, ACSM)、蒸汽噴射氣溶膠采樣器(steam jet aerosol collector, SJAC)和移動式離子色譜儀(mobile ion chromatograph, 通稱 MOBIC)等氣溶膠在線測量技術,能夠避免傳統采樣方法中由于易揮發物和人為操作造成的化學變化,可以實現氣溶膠組成成分的準實時分析,自動化程度高,采樣效率高,但是相比于傳統采樣方法,其精度相對較低,測量誤差約為 5%~10%(0.05~ 50μg/m3)(Khlystov et al., 1995; Ng et al., 2011; Sun et al., 2012)。 大氣化學傳輸模式模擬是目前獲取大氣黑碳氣溶膠濃度、分析其氣候環境效應的主流方法與手段之一。基于計算機的高性能計算,結合大氣動力學和化學過程來描述大氣過程,通過數值模擬的方法再現黑碳氣溶膠在一維垂直、二維平面甚至三維立體面上的分布與貢獻( Collins et al., 2001; Ginoux et al., 2001; Takemura et al., 2005)。目前,不同尺度的大氣化學傳輸模式可以對區域乃至全球氣溶膠組分濃度的空間分布進行模擬,并開展環境氣候效應評估。大氣化學傳輸模式具有全球及區域尺度大氣氣溶膠成分的源匯評估、歷史過程再現和未來預測等其他手段不具備的優勢。盡管如此,大氣模式的模擬結果精度很大程度上受到氣溶膠源排放清單、氣象數據等輸入資料準確性等因素影響,在實際應用中難以保證模型輸入與真實世界的一致性。 1.2.2 氣溶膠類型識別研究進展 作為大氣氣溶膠的先驗知識及標定驗證數據,基于太陽-天空輻射計觀測的氣溶膠類型遙感在近年來得到了初步開展與應用(李正強等 , 2019)。Dubovik等(2002)利用地基站點觀測
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