沙尘大气的红外辐射特征研究及在沙尘高度卫星遥感中的应用

整理国内外现有实测数据，系统研究沙尘气溶胶基本物理参数（复折射率光谱和粒子谱分布）对沙尘大气散射、消光和发射等光学和辐射特征的非线性影响。依据成熟的散射计算理论对沙尘大气的散射和消光特征进行参数化处理，基于透过率拟合的计算方法，发展一套适用于沙尘大气红外辐射传输计算的高光谱分辨率快速模型，并利用国外IASI和AIRS的实际观测资料进行比较和检验。在此基础上，进行沙尘大气的大气顶红外光谱特征模拟，分析沙尘高度、沙尘红外光学厚度等参数对红外光谱的敏感性，研究卫星红外高光谱资料遥感沙尘层高度的可行性。本项工作有望加强沙尘大气红外辐射传输的理论研究，完善卫星定量遥感沙尘暴的方法，改进卫星遥感沙尘暴产品在沙尘起沙和输送数值模式中的同化应用，提升沙尘气溶胶红外辐射强迫评估的水平。

沙尘粒子是大气气溶胶的一种重要类型，主要源自沙漠源地的沙尘暴。对沙尘暴的卫星识别和定量遥感对于大气物理、大气化学、大气环境、气候和气候变化等领域的研究均具有重要意义。本项目系统开展了卫星红外遥感沙尘的研究工作，在红外沙尘遥感基础理论和应用技术两方面取得了研究成果，已发表SCI论文 2篇，核心期刊论文1篇，合作出版专著1部，参与书籍章节编写1部，获得中国科学院杰出科技成就奖1项，指导博士后出站2名，指导硕士研究生毕业3名，研究成果在国家级和省级业务中取得了应用。. 在遥感基础理论方面，基于申请人2006年提出的红外分裂窗识别和定量遥感沙尘暴方法，本项目增加了沙尘气溶胶的类型（已包括沙尘、火山灰、陨星尘、OPAC沙尘四种类型），拓展了光谱覆盖范围（已覆盖至8-14微米），细化了光谱分辨率（0.1微米），推导并发展了沙尘大气的红外辐射传输方程和线性化计算方法，发展了高光谱分辨率的沙尘气溶胶光学数据库，发展了高光谱分辨率的沙尘大气红外辐射传输计算模型。利用美国红外高光谱大气探测仪AIRS实际观测的塔克拉玛干沙漠上空的沙尘暴资料对本模型进行了验证，验证表明本模型可以完整地模拟出沙尘浓度、沙尘高度、沙尘粒子大小、下垫面温度和发射率、大气温湿度廓线对大气顶出射红外光谱的影响。基于上述模型，本项目提出了沙尘高度的红外定量遥感方法，并利用AIRS卫星观测资料进行了反演试验，结果表明本项目所提方法反演的沙尘高度同星载主动激光雷达CALIOP测量的沙尘高度一致。上述方面研究，发表SCI文章一篇，与他人合著科学出版社出版的专著一部，并获得2011年中国科学院杰出科技成就奖。. 在应用技术方面，本项目系统研究了卫星遥感沙尘暴的识别方法，提出了一种综合了亮温、亮温差、表观反射率、表观反射率比值等12组阈值的沙尘综合判定方法，提高了卫星识别沙尘暴的准确率。本项目还利用多年的卫星红外观测资料，建立了红外沙尘遥感指数同地面能见度的统计关系，提出了卫星遥感同地面观测两类资料的融合方法。上述方面研究，发表SCI文章一篇，核心期刊文章一篇，并且已经应用于申请人主持的国家科技支撑计划课题（2008BAC40B01）所建成的新一代风云卫星沙尘暴遥感监测方法及其业务系统，在国家卫星气象中心开展了业务的沙尘暴卫星遥感监测，并为甘肃省气象局、中国气象科学研究院等单位提供了卫星遥感应用服务。