近地面层大气细颗粒物的干物质质量浓度卫星遥感反演研究

Remote sensing of atmospheric particulate matters by the wide coverage and quick monitoring capabilities of satellite is an important national and society requirement. Therefore, development of remote sensing model of fine particulate matters (PM2.5) and retrieval methods of key parameters are highly significance both in scientific and realistic meanings. Following the international advanced frontiers and future trends, this study aims to establish a pure-physical remote sensing model and method to obtain the near-surface PM2.5 mass concentration rapidly by the satellite observations. By introducing the constraints of a priori knowledge, and based on the multi-spectral, multi-angle and polarized satellite sensor POLDER, the inversion algorithm will be developed to retrieve those parameter including the aerosol optical depth, fine-mode fraction and aerosol layer height; then the remote sensing model can be driven based on the particulate matters vertical distribution model and size-mass conversion model, and thus the spatial coverage of PM2.5 is realized; using the ground-based observation data, the retrieval results of key aerosol parameters and PM2.5 will be further validated and analyzed. This study can be directly applied to the PM2.5 remote sensing based on existed and China planned satellite sensors to obtain multi-year spatial-temporal distribution of PM2.5 over China region, providing key fundamental information for studies of atmospheric pollution mechanism, process and control approaches.

利用具有宽覆盖、快速观测能力的卫星遥感技术对大气颗粒物进行监测是国家和社会重大需求，因此发展细颗粒物（PM2.5）遥感模型及其关键参数的反演方法具有重要的科学和现实意义。本研究结合国际前沿和未来发展趋势，旨在建立一套基于纯物理途径、可获得瞬时近地面PM2.5质量浓度的卫星遥感模型和方法。通过引入先验知识约束，基于多角度偏振POLDER型卫星传感器发展气溶胶光学厚度、细粒子比、层高等参数的最优化反演方法；驱动颗粒物空间垂直分布、体积-质量转换等模型等实现PM2.5的空间覆盖遥感；开展地基观测，对卫星反演关键参数和PM2.5遥感结果进行验证及分析。研究成果可基于已有和我国拟发射的卫星传感器获得中国区域多年的PM2.5时空变化，为中国区域大气环境污染机理、过程和控制等研究提供关键基础资料。

面向治理大气细颗粒物污染的国家重大需求，本项目针对利用卫星进行近地面细颗粒物遥感存在的关键问题，重点研究了大气气溶胶关键参数的卫星偏振遥感反演方法和近地面层大气细颗粒物干物质质量浓度遥感方案，并利用地基观测数据对气溶胶关键参数和PM2.5遥感结果进行验证及分析。在此基础上，建立一套完整的通过卫星观测快速获得地面PM2.5质量浓度的模型和方法，并得到了基于卫星遥感观测的中国区域PM2.5时空分布图。本项目的研究工作主要包括3部分：1）基于地基观测的气溶胶特性和模型研究，2）基于卫星观测的气溶胶反演模型和方法研究，3）PM2.5卫星遥感反演模型和方法研究。针对地基遥感，在突破测量、定标、反演和质控等关键技术的基础上，利用SONET在中国地区的长期观测，开展了“光学–物理–化学–辐射”参数的反演研究和整层大气气溶胶综合特性气候学分析，建立了中国区域本地化的气溶胶“基础模态”模型，为提升卫星遥感反演的精度提供了重要支撑。在卫星遥感方面，发展了可进行气溶胶和地表多参数反演的最优化反演框架，理论上解决了多光谱、多角度标量和偏振遥感地气解耦的难题，并对卫星偏振遥感反演能力进行了利用信息量分析；同时发展了基于多角度标量观测的EOF反演方法以及基于偏振地表光谱不变性的细粒子反演方法，并利用地基数据对气溶胶卫星遥感反演结果进行了系统验证。在PM2.5遥感模型方面，发展了基于融合粒度数浓度谱分布测量的大气细颗粒密度反演方法以及基于激光雷达联合观测的气溶胶边界层高度反演方法，通过改进吸湿增长因子建立了卫星近地面PM2.5浓度遥感模型，并对中国区域卫星遥感PM2.5历史演变进行了分析、对未来趋势进行了预测。该方法已经应用到已发射的新型多角度偏振卫星的PM2.5遥感反演上，为我国大气颗粒物污染的监测提供了有效支撑。