东亚沙漠地区气溶胶特性卫星遥感反演算法研究

East Asian desert is one of the largest dust sources of the world, from which large amount of dust particles are emitted into the atmosphere with significant influence on climate change and air quality. However, the current widely used MODIS aerosol products exhibit large retrieval bias and obvious limitations in East Asian desert with special atmospheric and surface properties. In this project, with integrated observations from surface network and multiple satellites and vector radiative transfer simulation, we plan to: 1) investigate forward problems such as accurate Rayleigh scattering correction, aerosol scattering modeling, and surface reflectance determination; 2) establish accurate surface reflectance estimation model over different surface types including deserts, dense vegetation, and mixed surface, and realize satellite aerosol retrieval which can characterize different aerosol properties; 3) validate satellite retrievals, and make reliable long-term aerosol data to analyze temporal and spatial variation as well as transport process of the dust particles. The results of this work can provide basic reference for dust emissions, and related climate and air quality research.

东亚沙漠是全球最大的沙尘源区之一，排放的大量沙尘粒子对气候变化与空气质量具有重要影响；但是目前国际上常用的MODIS气溶胶产品在东亚沙漠地区存在显著的偏差问题和反演缺陷。现有MODIS气溶胶算法模型在东亚西北部独特的大气与地表特性条件下具有很大不确定性，本项目拟利用地面站网和多源卫星观测，基于矢量辐射传输前向模型：1）研究复杂大气与地表条件下瑞利散射精校正、沙尘粒子散射特性、以及地表反射率估算等机理模型问题；2）建立沙漠、沙漠中植被混合区、及沙漠周边的植被区等不同地表类型的地表反射率准确估算模型，实现可约束沙尘粒子光学特性动态变化的气溶胶遥感反演方法；3）基于地面站网观测验证气溶胶反演结果，建立精度可靠的气溶胶时间序列数据集，分析东亚沙漠地区沙尘气溶胶的时空特征与变化规律；为沙尘排放、气候效应与空气质量研究提供基础支持。

东亚地区沙尘气溶胶的来源和时空变化信息是定量认知其对空气质量和气候变化影响的基本前提。以MODIS为代表的多波段传感器不仅具有较高的时空分辨率，而且可以较宽的波谱范围连续、稳定的开展全球观测，MODIS气溶胶产品是目前应用最广泛的气溶胶卫星数据。由于多波段观测信息有限，目前MODIS业务算法主要利用查找表中固定的气溶胶类型、预先计算的地表反射率库或其波段关系等经验假设，在气溶胶和地表复杂的东亚地区代表性存在较大不确定性。本研究系统分析了MODIS 深蓝和MAIAC算法在东亚地区的误差来源，发现基于查找表中特定的气溶胶模型难以实现整个东亚地区气溶胶的精准约束。针对MODIS业务算法仅利用2-3个波段观测且采用固定气溶胶类型的限制，建立了灵活支持从可见光、近红外到短波红外观测的多波段气溶胶光学/微物理参数最优化反演算法框架，利用MODIS数据实现了东亚地区1km分辨率的气溶胶光学厚度(AOD)、粗/细模态AOD、单次散射反照率(SSA)的反演，地基AERONET验证显示反演的AOD和细模态AOD具有较高精度，并且粗模态AOD和SSA与AERONET结果具有显著的一致性。同时，基于多源卫星遥感观测揭示了东亚地区沙尘气溶胶的主要源区和传输规律，发现规模较小但频次较高的传输过程是下游东部地区沙尘气溶胶普遍存在的主要原因；与规模较大的沙尘暴不同，东亚地区的小型沙尘传输经常叠加在本地污染之上，并且受逆温天气影响具有缓慢的沙尘-污染混合过程。本研究为高效利用多波段卫星传感器的观测信息精准反演气溶胶参数提供了技术支持，并且提升了对东亚地区沙尘气溶胶来源和传输过程的认知，有助于更好的理解和评估沙尘气溶胶在空气质量和气候变化中的作用。