基于偏振和激光雷達遙感的長三角地區(qū)氣溶膠信息提取及其時空變化研究

程 峰

云南師范大學旅游與地理科學學院，云南 昆明 650500

大氣氣溶膠是指由固體和液體顆粒組成的懸浮在空氣中的組合體系。大氣氣溶膠分布范圍廣且具有復雜的化學、物理變化，能對全球氣候和環(huán)境產(chǎn)生重要的影響。近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展及環(huán)境的破壞，人為排放及自然產(chǎn)生的氣溶膠都在不斷增加，氣溶膠研究已經(jīng)成為當前最為關(guān)注的科學問題之一。及時、有效地獲取氣溶膠相關(guān)信息并分析其時空變化，可以為區(qū)域氣溶膠監(jiān)測和污染防治提供科學依據(jù)和技術(shù)支撐。

本文以長三角地區(qū)為研究區(qū)，利用PARASOL偏振衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學厚度及組分數(shù)據(jù)，同時從CALIPSO激光雷達數(shù)據(jù)中提取垂直方向上的氣溶膠參數(shù)信息，分析長三角地區(qū)在三維空間上氣溶膠的變化特征。在反演的光學厚度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上結(jié)合WRF大氣模式模擬的不同高度的氣象數(shù)據(jù)，通過隨機森林模型分析不同高度氣象因子對氣溶膠的影響。最后利用HYSPLIT后向軌跡數(shù)據(jù)分析長三角地區(qū)氣溶膠傳輸軌跡、潛在源分布及外源所占份額。

本文的主要研究工作和成果如下：

(1) 采用了一種自定義氣溶膠類型算法對PARASOL偏振衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行氣溶膠光學參數(shù)反演，不僅獲取了精度較高的氣溶膠光學厚度數(shù)據(jù)，同時又獲取了氣溶膠組分數(shù)據(jù)。另外利用CALIPSO激光雷達數(shù)據(jù)提取了氣溶膠垂直參數(shù)，分析了長三角地區(qū)氣溶膠垂直分布特征。

(2) 利用PARASOL反演的氣溶膠光學厚度數(shù)據(jù)分析了長三角地區(qū)氣溶膠光學厚度時空變化特征：長三角地區(qū)2008—2013年年均氣溶膠光學厚度變化不大，春季氣溶膠光學厚度最大，其次為夏季和秋季，冬季最低，其中春季、夏季和秋季氣溶膠光學厚度有逐年下降趨勢，而冬季則呈逐年上升趨勢。同時對氣溶膠組分數(shù)據(jù)進行了計算，獲取了長三角地區(qū)平均氣溶膠組分數(shù)據(jù)(沙塵性、水溶性、海洋性、煤煙性氣溶膠比例分別為0.482、0.323、0.006和0.189)。

利用激光雷達數(shù)據(jù)提取的氣溶膠垂直參數(shù)進行分析，得出氣溶膠在長三角地區(qū)垂直方向上也存在明顯的分布規(guī)律。春季氣溶膠分布高度最高，氣溶膠粒徑更大，粒子非球形特征顯著，多為沙塵氣溶膠，夏季氣溶膠主要分布在低空，主要為粒徑較小的球形粒子，散射能力強。秋季和冬季高空氣溶膠出現(xiàn)頻率逐步增加。

(3) 利用WRF模擬的不同高度氣象數(shù)據(jù)結(jié)合反演的AOD分析了氣象因子對氣溶膠變化的影響：相對濕度和風速對氣溶膠變化影響最大，且高空氣象因子對氣溶膠影響大于低空。春季風速影響最大，相對濕度其次。夏季則風速影響開始下降，相對濕度影響增大，尤其近地表相對濕度對氣溶膠影響明顯增強。秋季高空相對濕度影響超過風速，但低空相對濕度對氣溶膠影響明顯降低，冬季風速和相對濕度的影響同等重要。

(4) 對模擬獲取的后向軌跡、氣溶膠近地表消光系數(shù)等數(shù)據(jù)進行計算、分析，獲得了不同地區(qū)輸入?yún)^(qū)域強度指數(shù)，并確定了氣溶膠輸入路徑及影響區(qū)域。最后通過計算研究區(qū)外部與內(nèi)部輸入?yún)^(qū)域強度指數(shù)的比值，獲得域外氣溶膠所占份額：春季所占份額最大，其次為冬季和秋季，夏季最小，但四季域外所占份額均小于15%，因此長三角地區(qū)氣溶膠來源以域內(nèi)排放為主。