基于国产高分5号卫星观测的气溶胶成分遥感反演研究

Atmospheric aerosols play an important role in global climate change and air quality. Because of the large uncertainty in the observation and estimation of aerosol composition and optical characteristics on a large scale, aerosol radiative forcing remains the most uncertain factor in the climate change assessment. Based on the spectral differences among the absorption and scattering properties of aerosol compositions, this project proposes an aerosol optical-composition conversion module, which is incorporated into the atmospheric radiation transfer model to retrieve aerosol composition and optical parameters from the multi-spectral, multi-angle, and polarized satellite observation using the multi-term least squares method. The analysis of sensitivity and uncertainty, as well as the verification of retrievals are conducted to find the error sources of inversion and to improve the accuracy and reliability of the inversion algorithm. At last, the algorithm is employed to quantitatively evaluate the influence of aerosol composition mixing rules on the inversion of aerosol properties from satellite remote sensing and to reveal the spatial and temporal evolution of aerosol compositions and the key optical parameters. The algorithm can provide basic data for reducing the uncertainty of aerosol effects on the climate change assessments and it also provides more techniques for monitoring of aerosol compositions on regional scale during the occurrence of heavy pollution.

大气气溶胶在气候变化和空气质量等方面发挥着重要作用。当前大气气溶胶的辐射强迫仍是气候变化评估中不确定性最大的因子之一，其中关键的原因之一是大空间尺度上对气溶胶成分含量的观测和反演还存在很大不确定性。本项目拟采用多项最小二乘法对耦合了气溶胶光学-成分模型的大气辐射传输模型进行最优化求解，利用我国多波段、多角度、偏振卫星的观测数据，开展气溶胶成分和关键光学参数的反演研究。首先，基于气溶胶成分吸收和散射特性的光谱特征构建气溶胶光学-成分模型，并通过敏感性和不确定性分析、地面数据验证等手段分析气溶胶特性参数反演的误差来源，提高算法的反演精度。最后，定量评估气溶胶成分混合规则对卫星遥感反演气溶胶特性的影响，揭示气溶胶成分含量及关键光学参数的时空演变规律。项目成果将为减小气溶胶气候效应评估的不确定性提供基础数据，也为我国重污染天气过程的区域尺度监测和分析提供更丰富的研究手段和科学支撑。

大气气溶胶在气候变化和空气质量等方面发挥着重要作用。当前大气气溶胶的辐射强迫仍是气候变化评估中不确定性最大的因子之一，其中关键的原因之一是大空间尺度上对气溶胶成分含量的观测和反演还存在很大不确定性。本研究利用气溶胶主要组分光学吸收-散射特性的光谱差异性，采用气溶胶内混合计算规则，结合地表参数模型、大气辐射传输模型等，构建了气溶胶组分浓度-光学辐射特性定量遥感反演技术体系，基于国产高分五号DPC、POLDER/PARASOL多角度偏振卫星遥感资料和地基太阳光度计遥感资料，对中国典型地区和全球范围内气溶胶组分进行了定量反演研究，共发表项目相关的学术论文8篇。取得研究结果主要包括：1）基于国产高分五号卫星多角度偏振（DPC）观测资料，构建了气溶胶组分浓度-光学辐射特性定量遥感反演技术体系，突破了气溶胶组分卫星遥感无法直接获取的关键技术，从卫星遥感视角拓展了人为源（黑碳、棕碳和有机碳）组分对我国雾-霾污染过程影响机理的新认识；2）研制了在国际上未曾见过的基于卫星遥感观测的全球气溶胶化学组分柱浓度气候学数据集，揭示了全球黑碳、棕碳、沙尘等组分柱浓度时空演变规律，指出了气溶胶老化过程对含碳气溶胶污染的影响；3）定量分析了全球不同气溶胶类型下气溶胶组分含量与光学特性参数的变化规律，揭示了组分含量与吸收-散射能力之间定量关系，量化了气溶胶组分混合规则对光学特性反演的影响，丰富了国际上地基气溶胶遥感参数产品类型和数量。上述成果不仅为进一步准确评估不同组分辐射效应的定量贡献，减小气候变化评估中气溶胶辐射强迫模拟的不确定性等提供重要基础数据支撑，也为我国重污染天气过程的区域尺度监测和分析提供更丰富的研究手段和科学支撑。