星载激光雷达CALIPSO探测气溶胶层高度及其在PM2.5监测中的应用

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cmfu2008
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随着社会经济快速发展和人民生活水平显著提高,大气环境问题日益凸显,灰霾天气频繁发生。灰霾的主要成分是大气中大量存在的气溶胶颗粒物,它对人类生产生活以及全球气候变化产生着重要影响。遥感手段监测近地面颗粒物浓度需要从整层气溶胶光学信息中剥离近地面气溶胶信息。因此,了解气溶胶垂直分布特性是很有必要的。  目前,激光雷达是获取气溶胶垂直分布特性的重要手段。地基激光雷达可以在位监测气溶胶垂直分布的时间连续变化,但由于其存在成本高、仪器维护困难和不便于移动等问题,并不能用于获取区域范围的气溶胶垂直分布特征。而星载激光雷达具有区域覆盖和时间连续的特点,可以很好的监测气溶胶垂直分布的区域连续性变化。本文旨在结合地基与星载激光雷达观测手段获取并分析气溶胶光学特性的垂直分布特征,研究整层气溶胶光学特性与近地面气溶胶光学特性间的关系,并将研究结果运用到近地面颗粒物浓度(PM2.5)监测研究中。本文主要研究内容和结论如下:  (1)星载激光雷达CALIPSO目前还没有边界层高度(Plantery Boundary LayerHeight,PBLH)官方产品。本文将地基激光雷达探测边界层高度的基本算法扩展到星载激光雷达CALIPSO的探测,并针对星载激光雷达数据特点,采取一系列数据质量控制措施,建立基于边界层高度变化特征的综合评价优选方案,获取边界层高度。利用探空资料对激光雷达获取的边界层高度进行验证,结果显示地基激光雷达获取边界层高度与探空资料探测结果基本接近,平均绝对误差86 m。而星载和地基激光雷达探测边界层高度对比显示绝对误差为190 m,并且星载探测结果略高于地基结果。  (2)利用北京站和金华站的观测数据对近地面消光系数垂直高度订正模型(指数模型和两层模型)进行对比,分析两种模型的可行性和适用性。结果显示模型在北京地区估计效果较好。同时,订正效果与气溶胶光学厚度(AOD,AerosolOptical Depth)大小有关,当AOD增大时,两种估计模型的系统误差都增大,但两层模型相关系数变好,因此,两层模型更适用于AOD较大(即污染天气)的情况。最后,利用金华试验数据给出遥感估计PM2.5结果,相关系数R为0.67。  (3)区域尺度的边界层高度多以模式模拟的方式获取,而星载激光雷达提供。了以观测手段获取区域边界层高度的可能,本研究利用CALIPSO数据提取2011-2013年中国区域边界层高度,统计分析其季节变化、区域变化及时序变化特征。分析结果如下:中国区大气边界层高度春夏季高,冬秋季低,西南部高,东部低,这一点与人口密度及地区发达程度相吻合。典型城市时间序列分析结果显示边界层高度全年在1-2 km间变化,且最高值均出现在3-9月。该研究结果可为气候模式模拟研究提供参考。
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