大气气溶胶光学特性及黑碳浓度卫星遥感反演研究

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1、摘要摘要本文针对卫星遥感定量反演气溶胶光学特性以及黑碳浓度这一国际性前沿问题，在辐射传输模型以及有效介质模型的理论基础上，强化亚洲气溶胶物理光学特性反演的同时，提出黑碳气溶胶浓度反演方案与模型，并进行了初步的验证；探讨了介质模型的选取、气溶胶端元成分以及黑碳浓度对大气气溶胶粒子光学特性的敏感性，与气溶胶理化特性对大气顶层辐射亮度的敏感性，分析了气溶胶光学厚度以及黑碳浓度反演结果的误差来源；并在此基础上，结合近地面风场矢量数据以及地面站数据，利用PARASOL数据对全球生物质燃烧个例进行了应用分析。具体研究内容包括以下几个方面：（1）在辐射传输理论的基础上，将有效介质模型

2、嵌入到前向辐射传输模型中，利用混合模型模拟的混合状态下气溶胶吸收散射特性，作为辐射传输模型的参数输入，建立有效介质-辐射传输耦合传输模型。进而结合统计最优化算法，提出卫星数据统计优化大气粒子光学特性及黑碳体积浓度反演方案。利用有效介质-辐射传输耦合模型通过构造卫星观测表观反射率和反演参数最大似然函数，利用Jacobi矩阵通过数值计算的方法进行迭代插值计算，获取最佳拟合，达到同时反演气溶胶光学厚度以及黑碳浓度的目的。（2）利用PARASOL数据对气溶胶光学厚度以及黑碳浓度进行了反演，并利用地基观测数据，对模型算法以及反演的气溶胶光学厚度以及黑碳浓度结果进行了初步的验证。分

3、别分析了不同气溶胶以及黑碳浓度下卫星遥感定量反演的精度及误差。（3）基于有效介质模型理论、Mie散射理论以及辐射传输模型，正向模拟了不同气溶胶组分混合情况下，大气气溶胶粒子的散射以及吸收特性.并结合验证结果分析了总反射率对各种物理光学特征和地表反照率的敏感性，为进一步研究地表-大气耦合介质系统地表大气参数的卫星气溶胶及组分浓度定量遥感反演提供理论支持以及误差控制。（4）将上述反演算法应用到PARASOL多角度卫星中，在全球范围内进行了案例反演分析。对中国东部以及南亚恒河平原上空的生物质燃烧以及非生物质燃烧污染进行了个例分析，探讨了反演结果的适用性。并对美国西北部五次森林

4、I大气气溶胶光学特性及黑碳浓度卫星遥感反演研究大火进行了个例分析，探讨了卫星反演结果在自然灾害中的应用适用性与优势。并利用全年数据，进一步计算了中国东部以及南亚区域黑碳气溶胶的年排放总量，对其中国东部地区以及南亚地区的时空分布进行了初步的研究和探讨。关键词：卫星定量反演，气溶胶光学特性，黑碳体积浓度，辐射传输方程，有效介质模型，统计优化插值IIAbstractABSTRACTItisachallengetoretrievetheaerosolopticalpropertiesandblackcarbonconcentrationusingthesatelliteremo

5、tesensingdata.Therefore,inthispaper,basedonthetheoryofradiationtransmissionmodelandeffectivemediummodel,weintensifiedtheretrievalofthephysicalandopticalcharacteristicsofaerosols.Theaerosolconcentrationretrievalalgorithmandmodelwerepreliminarilyverifiedatfirst.Moreover,thesensitivityofthe

6、selectedeffectivemodel,theaerosolendmembercomposition,andtheblackcarbonconcentrationtotheatmosphericaerosolparticle'sopticalpropertieswereexplored.Inaddition,thesensitivitiesofaerosolopticalpropertiestotheradianceattopofatmosphereareanalyzedandtheerrorsourcesofaerosolopticaldepthandblack

7、carbonconcentrationretrievalresultsareproposed.Atlast,combinedwithnear-surfacewindfieldvectordataandin-situdata,globalbiomasscombustioncaseswereproposedusingthePARASOLsatelliteobservations.Thespecificresearchcontentincludesthefollowingaspects:(1)Basedonthetheoryofradiatio