李正強(qiáng)，李東輝，張 瑩，呂 陽(yáng)，謝一凇，李凱濤，李 莉，許 華，伽麗麗，張?jiān)獎(jiǎng)?/p>

1.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，國(guó)家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 1001012.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

基于超級(jí)站多儀器聯(lián)合觀測(cè)的大氣氣溶膠遙感研究

李正強(qiáng)1，李東輝1，張 瑩1，呂 陽(yáng)1，謝一凇1，李凱濤1，李 莉1，許 華1，伽麗麗1，張?jiān)獎(jiǎng)?

1.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，國(guó)家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 1001012.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

大氣氣溶膠在氣候變化、大氣環(huán)境和人體健康等多個(gè)方面產(chǎn)生重要影響。遙感是獲得氣溶膠時(shí)空分布信息的重要手段，并且具有非破壞性、觀測(cè)瞬時(shí)性、可獲取整層大氣信息等特點(diǎn)，因此在環(huán)保、氣象等行業(yè)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。研究介紹了由多種監(jiān)測(cè)儀器構(gòu)成的中國(guó)科學(xué)院(北京)大氣氣溶膠遙感研究超級(jí)站的儀器配置、觀測(cè)指標(biāo)和相關(guān)研究方向，并闡述了其在4方面的具體應(yīng)用：①針對(duì)沙塵、灰霾等典型過(guò)程的多儀器遙感聯(lián)合觀測(cè)；②將光學(xué)遙感拓展到氣溶膠成分信息等前沿應(yīng)用；③遙感獲得近地面PM2.5等環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)的方法；④主被動(dòng)結(jié)合的大氣顆粒物垂直分布特性研究。通過(guò)超級(jí)站多儀器聯(lián)合觀測(cè)，可加強(qiáng)對(duì)大氣氣溶膠的全方位觀測(cè)和分析，為環(huán)境研究提供綜合數(shù)據(jù)支撐。

氣溶膠；超級(jí)站；遙感觀測(cè)；PM2.5；氣溶膠成分

氣溶膠對(duì)地球陸表和大氣圈層輻射能量平衡具有至關(guān)重要的影響，是目前全球氣候變化評(píng)估中最大的不確定因子之一[1]，迫切需要對(duì)其時(shí)空分布、形狀尺寸、成分組成、光學(xué)特性等進(jìn)行深入了解。除了利用理論模型進(jìn)行模式模擬之外，更重要的研究手段是對(duì)氣溶膠進(jìn)行直接的觀測(cè)。因此，可以說(shuō)觀測(cè)是氣溶膠研究的基礎(chǔ)。

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(IPCC)[1]和美國(guó)氣候變化科學(xué)計(jì)劃[2]綜合評(píng)估報(bào)告均認(rèn)為，未來(lái)改進(jìn)氣溶膠氣候效應(yīng)評(píng)估的首要途徑是改進(jìn)和增加觀測(cè)。目前，對(duì)大氣氣溶膠的遙感觀測(cè)手段主要有衛(wèi)星和地基2種。雖然衛(wèi)星遙感具有大時(shí)空范圍覆蓋的優(yōu)點(diǎn)，但是與地基遙感觀測(cè)相比，現(xiàn)有衛(wèi)星遙感反演的氣溶膠參數(shù)還較少、精度偏低。

大多數(shù)衛(wèi)星僅能反演整層氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)[3]，少量的衛(wèi)星能估計(jì)氣溶膠吸收特性[4]。反演獲取氣溶膠粒子尺度以及復(fù)折射指數(shù)等物理參數(shù)的衛(wèi)星還很少[5]，而通過(guò)地基遙感則可以同時(shí)獲取這些參數(shù)。另外，應(yīng)用廣泛的MODIS衛(wèi)星反演AOD的精度約為±(0.05+15%×AOD)[6]，而地基太陽(yáng)輻射計(jì)觀測(cè)的AOD精度可達(dá)到0.01～0.02[7]，因此，地基遙感參數(shù)也可作為衛(wèi)星遙感產(chǎn)品精度驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)。

為了分析和研究氣溶膠來(lái)源、時(shí)空變化及其與氣候變化的相互影響，建立地基氣溶膠遙感超級(jí)站成為氣溶膠多參數(shù)協(xié)同觀測(cè)的一條途徑[8]。美國(guó)從1999年開(kāi)始，陸續(xù)建立了8個(gè)大氣超級(jí)站，主要分布在東部和西部地區(qū)，目的是為了監(jiān)測(cè)非達(dá)標(biāo)區(qū)的空氣質(zhì)量[9]。歐盟通過(guò)其成員國(guó)以及跨國(guó)合作，從2006年開(kāi)始陸續(xù)建立了覆蓋17個(gè)國(guó)家的20個(gè)大氣超級(jí)站[10]。此外，日本、中國(guó)香港、中國(guó)臺(tái)灣等也建有大氣超級(jí)站[11]。2012年，中國(guó)廣東地區(qū)的大氣超級(jí)站——廣東鶴山站正式運(yùn)行[8]。此后，各省(市)環(huán)保部門(mén)及相關(guān)機(jī)構(gòu)開(kāi)始陸續(xù)建立大氣超級(jí)站并投入使用。在大氣顆粒物觀測(cè)方面，超級(jí)站主要是通過(guò)對(duì)顆粒物化學(xué)組成、物理、光學(xué)特征等開(kāi)展在位、采樣測(cè)量，進(jìn)而分析顆粒物的來(lái)源及其影響。近年來(lái)，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，基于遙感儀器對(duì)整層氣溶膠特征進(jìn)行分析研究的大氣顆粒物遙感觀測(cè)超級(jí)站逐步建立。該類超級(jí)站可成為目前綜合型大氣超級(jí)站的有益補(bǔ)充。

研究介紹的大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站位于中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所北京奧運(yùn)園區(qū)(地理坐標(biāo)為40°0′17″N，116°22′43″E)，海拔為59 m。從2010年起，開(kāi)展了太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)、激光雷達(dá)、顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀、黑碳儀、消光儀以及氣象站等設(shè)備的協(xié)同觀測(cè)，進(jìn)行氣溶膠成分、氣溶膠三維空間分布、PM2.5遙感等前沿?zé)狳c(diǎn)研究。本文主要介紹該大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站的設(shè)計(jì)思路、主要儀器設(shè)備以及基于多儀器聯(lián)合觀測(cè)開(kāi)展的相關(guān)氣溶膠遙感研究方法及案例。

1 設(shè)計(jì)思路和主要儀器

1.1設(shè)計(jì)思路

大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站通過(guò)理化、光學(xué)、氣象、衛(wèi)星等多種監(jiān)測(cè)手段聯(lián)用，對(duì)區(qū)域大氣顆粒物特性進(jìn)行不同尺度的監(jiān)測(cè)和分析。大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站從2010年開(kāi)始選址建設(shè)，陸續(xù)配置有太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)、激光雷達(dá)、顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀、黑碳儀、消光儀以及氣象站等地基監(jiān)測(cè)設(shè)備和MODIS、GOCI、CALIPSO、PARASOL等衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，涵蓋了氣象參數(shù)，氣溶膠物理、光學(xué)、化學(xué)性質(zhì)監(jiān)測(cè)及衛(wèi)星遙感觀測(cè)等相關(guān)內(nèi)容(圖1)。

注：實(shí)線表示具有較強(qiáng)觀測(cè)能力，虛線表示具有部分觀測(cè)能力； 氣象站為監(jiān)測(cè)儀器提供輔助氣象參數(shù)；上層為氣溶膠參數(shù)， 中層為觀測(cè)儀器，下層為觀測(cè)空間位置。圖1 氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站觀測(cè)儀器、參數(shù)、范圍示意圖Fig.1 Observation instruments, parameters and capabilities of the aerosol remote sensing supersite

在地基儀器配置過(guò)程中，綜合考慮了設(shè)備可靠性、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和人力維護(hù)成本。首先，配置了開(kāi)展整層大氣氣溶膠遙感監(jiān)測(cè)的太陽(yáng)-天空輻射計(jì)，該儀器是進(jìn)行整層大氣氣溶膠光學(xué)特性觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，同時(shí)也是全球地基氣溶膠觀測(cè)網(wǎng)(AERONET[7])的推薦儀器。儀器可以獲得AOD值、氣溶膠?ngstr?m指數(shù)、單次散射反照率、散射相函數(shù)、復(fù)折射指數(shù)等光學(xué)參數(shù)，粒子譜分布等物理參數(shù)，并可支持反演估算氣溶膠化學(xué)成分。其次，大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站配置了研究氣溶膠空間垂直分布的微脈沖激光雷達(dá)，以及關(guān)注近地面氣溶膠特征的顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀、黑碳儀、消光儀等。最后，鑒于增加夜間觀測(cè)能力的考慮，配置了新型太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)，實(shí)現(xiàn)晝夜氣溶膠光學(xué)特性連續(xù)觀測(cè)。

大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站可以利用單臺(tái)儀器對(duì)大氣氣溶膠進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從單個(gè)參數(shù)尺度對(duì)氣溶膠特性開(kāi)展研究；還可通過(guò)多儀器協(xié)同觀測(cè)，互為參考，綜合分析，并可對(duì)不同儀器獲得的同類氣溶膠參數(shù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。例如，可以基于太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)獲得的AOD作為激光雷達(dá)消光系數(shù)反演的約束條件，提高氣溶膠消光系數(shù)廓線反演精度；或者，基于黑碳儀觀測(cè)，驗(yàn)證太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)反演的化學(xué)成分中的黑碳(BC)成分等。

1.2主要儀器設(shè)備

1.2.1 太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)

全自動(dòng)太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)由法國(guó)某公司生產(chǎn)(型號(hào)為CE318-T)，主要由光學(xué)頭、雙軸步進(jìn)馬達(dá)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3部分組成。儀器在紫外到近紅外波段共設(shè)有9個(gè)光譜通道(340、380、440、500、675、870、936、1 020、1 640 nm)，340、380、1 640 nm波段的帶寬分別為2、4、25 nm，其余波段的帶寬均為10 nm。偏振版本的儀器在每個(gè)通道還帶有偏振觀測(cè)功能(936 nm除外)。儀器的視場(chǎng)角約為1.3°。它既可以自動(dòng)進(jìn)行太陽(yáng)/月亮直射輻射觀測(cè)，也可以進(jìn)行平緯圈和太陽(yáng)主平面天空光掃描觀測(cè)[12]。CE318-T測(cè)得的太陽(yáng)或月亮直射輻射數(shù)據(jù)可以用來(lái)計(jì)算晝夜AOD值和大氣柱水汽總量等信息[7,13-14]，可應(yīng)用于衛(wèi)星氣溶膠產(chǎn)品驗(yàn)證等業(yè)務(wù)[15]。主平面和平緯圈天空掃描數(shù)據(jù)可以用來(lái)反演整層大氣氣溶膠的單次散射反照率、粒子尺度譜分布、散射相函數(shù)、復(fù)折射指數(shù)等光學(xué)和物理參數(shù)[16-17]，根據(jù)這些參數(shù)可以進(jìn)一步估計(jì)氣溶膠化學(xué)成分信息[18-20]。表1給出了全自動(dòng)太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)可反演的主要光學(xué)、物理、化學(xué)成分參數(shù)。

表1 太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)可反演的參數(shù)

1.2.2 激光雷達(dá)

云和氣溶膠激光雷達(dá)是一種主動(dòng)遙感儀器，通過(guò)激光器發(fā)射一束窄光束激光，激光在大氣中傳播時(shí)遇到空氣分子、氣溶膠等成分會(huì)發(fā)生散射、吸收等作用，散射中的小部分能量(后向散射光)作為回波信號(hào)落入接收望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)。將激光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離，從而實(shí)現(xiàn)大氣顆粒物的垂直分布探測(cè)。大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站采用CE370-2微脈沖激光雷達(dá)(法國(guó))。儀器主要由激光器、發(fā)射及接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。儀器通過(guò)光子計(jì)數(shù)提供精確的后向散射信號(hào)探測(cè)，通過(guò)高重復(fù)性激光器(4.7 kHz)、窄視場(chǎng)(55 μrad)和窄帶通濾光片[(20±0.2) nm]優(yōu)化信噪比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣顆粒物的實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)。儀器的主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 CE370-2型微脈沖激光雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)

1.2.3 消光儀

激光光腔衰蕩消光儀(XG-1000型)可對(duì)氣溶膠顆粒物消光系數(shù)進(jìn)行在線高頻觀測(cè)。光腔衰蕩技術(shù)(CRD)是由O’KEEFE在1988年提出的測(cè)量技術(shù)[21]，由于這一技術(shù)將樣品的消光路徑增加到幾十公里，因此與其他傳統(tǒng)的消光光譜技術(shù)相比，光腔衰蕩消光儀有較高的靈敏度。該儀器是由激光器、反光鏡、三通閥、真空泵等組成，脈沖激光(532 nm)從高反鏡一端進(jìn)入光腔，光束在2片高反鏡之間多次反射，在另一側(cè)利用光電倍增管監(jiān)測(cè)激光衰減過(guò)程，并通過(guò)激光光強(qiáng)在腔體內(nèi)的衰減方程推算激光衰蕩時(shí)間。通過(guò)分別測(cè)量環(huán)境空氣和背景氣體(N2)的衰蕩時(shí)間，可計(jì)算出空氣中氣溶膠顆粒物的消光系數(shù)。儀器激光脈沖周期為1 ms，獲得的氣溶膠顆粒物消光系數(shù)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為532 nm，數(shù)據(jù)輸出時(shí)間間隔為1 s。

1.2.4 顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀

顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀(型號(hào)BAM-1020，美國(guó))利用β射線法測(cè)量收集在濾膜上的樣品對(duì)射線的衰減作用，獲得顆粒物的質(zhì)量濃度信息。β射線吸收式監(jiān)測(cè)儀主要由顆粒物捕集、濾紙供給、β射線源、監(jiān)測(cè)單元和計(jì)算控制單元組成。監(jiān)測(cè)器測(cè)量濾紙捕集顆粒物前后β射線衰減程度的差異，之后將監(jiān)測(cè)信號(hào)送入運(yùn)算控制部分進(jìn)行信息處理計(jì)算。儀器以1 h為一次觀測(cè)周期，通過(guò)濾膜帶的初定標(biāo)、樣本采集、樣本測(cè)量等過(guò)程對(duì)氣溶膠顆粒物質(zhì)量濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。儀器可配合撞擊式或旋風(fēng)式切割頭，獲取空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于10、2.5、1 μm的顆粒物的質(zhì)量濃度。在采集樣本的過(guò)程中，儀器利用加熱裝置控制樣本濕度低于40%，這樣可有效去除顆粒物中的水分，提供干粒子質(zhì)量濃度，便于開(kāi)展不同站點(diǎn)、不同環(huán)境下顆粒物濃度的對(duì)比分析。

1.2.5 光學(xué)黑碳儀

便攜式黑碳監(jiān)測(cè)儀(型號(hào)AE51，美國(guó))利用光學(xué)吸收原理，實(shí)時(shí)采樣和計(jì)算BC氣溶膠的質(zhì)量濃度，具有實(shí)效性、高敏感度、寬動(dòng)態(tài)粒徑范圍、便攜(手持)等特點(diǎn)。AE51型便攜式黑碳監(jiān)測(cè)儀通過(guò)塑膠管吸入空氣，將空氣中的氣溶膠顆粒物采集到濾膜的一個(gè)點(diǎn)上(直徑為3 mm)。用880 nm的入射光同時(shí)穿透顆粒物采樣點(diǎn)和參考點(diǎn)(無(wú)顆粒物)，分別測(cè)量光學(xué)衰減?；贏E51型便攜式黑碳監(jiān)測(cè)儀連續(xù)的光學(xué)吸收衰減，即可實(shí)現(xiàn)BC質(zhì)量濃度的實(shí)時(shí)測(cè)量。AE51型便攜式黑碳監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量精度約為±0.1 μg/m3(60 s均值，流量為150 mL/min)。

表3 AE51型便攜式黑碳監(jiān)測(cè)儀技術(shù)參數(shù)

1.2.6 氣象站

大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站配有BLJW-4型自動(dòng)氣象站，用于測(cè)量溫度、濕度、壓強(qiáng)、風(fēng)向、風(fēng)速等多項(xiàng)大氣參數(shù)。自動(dòng)氣象站主要由傳感器、采集器、通訊接口、系統(tǒng)電源等組成。自動(dòng)氣象站具有數(shù)據(jù)采集頻率高，可長(zhǎng)期無(wú)人值守等特點(diǎn)。

表4 BLJW-4型自動(dòng)氣象站主要技術(shù)參數(shù)

2 研究方法

主要介紹利用超級(jí)站觀測(cè)儀器發(fā)展的一些新型氣溶膠遙感反演方法。對(duì)于該領(lǐng)域比較傳統(tǒng)的單儀器氣溶膠參數(shù)遙感方法(如太陽(yáng)-天空輻射計(jì)計(jì)算AOD、激光雷達(dá)反演氣溶膠消光系數(shù)等)，筆者不再贅述。研究主要介紹氣溶膠成分遙感、近地面PM2.5遙感、基于AOD約束的氣溶膠消光系數(shù)廓線反演等相關(guān)內(nèi)容。

2.1氣溶膠成分遙感方法

成分遙感是當(dāng)前氣溶膠遙感研究中具有挑戰(zhàn)性的研究方向。目前基于太陽(yáng)-天空輻射計(jì)反演的復(fù)折射指數(shù)、粒子譜、單次散射反照率等參數(shù)，逐步形成了一些氣溶膠化學(xué)成分遙感估算的方法。例如，利用復(fù)折射指數(shù)虛部區(qū)分光學(xué)吸收(如BC)和非吸收性(如AS等)成分[22]，利用復(fù)折射指數(shù)實(shí)部估算顆粒物含水量[23],利用單次散射反照率光譜信息區(qū)分沙塵類和BrC[18]等。在此基礎(chǔ)上，研究人員建立了一個(gè)基于“干/濕、吸收/非吸收”規(guī)則的氣溶膠成分遙感分類模型，構(gòu)建了一套大氣主要?dú)馊苣z成分(BC、BrC、CM、AS和AW)的遙感分析方法[19]，簡(jiǎn)要介紹如下。

氣溶膠化學(xué)成分反演首先需要假設(shè)每種成分的體積比例(fBC、fBrC、fCM、fAS、fAW)，然后利用Maxwell-Garnett(MG)有效介質(zhì)近似理論，可計(jì)算出440～1 020 nm范圍內(nèi)混合成分的氣溶膠等效復(fù)折射指數(shù)，具體如下：

MG有效介質(zhì)近似理論將氣溶膠看做由溶劑(水)和懸浮在溶劑中的溶質(zhì)(干成分)組成，根據(jù)溶劑和溶質(zhì)的介電常數(shù)和體積比可計(jì)算其等效介電常數(shù)：

(1)

式中：fi為第i種(BC、BrC、CM或AS，共m種)溶質(zhì)的體積比例，εW和εi分別是溶劑(水)和第i種溶質(zhì)的介電常數(shù)。獲得混合氣溶膠的等效介電常數(shù)后，其等效復(fù)折射指數(shù)的計(jì)算如式(2)所示。

(2)

式中：n和k分別為混合氣溶膠的等效復(fù)折射指數(shù)實(shí)部和虛部，εn和εk分別為氣溶膠等效介電常數(shù)的實(shí)部和虛部。

2.2近地面PM2.5遙感方法

大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站可支持開(kāi)展近地面大氣PM2.5遙感研究[24]。近年來(lái)，逐漸形成了近地面PM2.5質(zhì)量濃度遙感(PMRS)模型[25]，該模型可基于超級(jí)站監(jiān)測(cè)的4個(gè)重要參數(shù)驅(qū)動(dòng)：來(lái)自太陽(yáng)-天空輻射計(jì)的AOD和細(xì)粒子比(FMF)，從激光雷達(dá)觀測(cè)獲取的大氣邊界層高度(PBLH)以及自動(dòng)氣象站觀測(cè)的近地面相對(duì)濕度(RH)。在PMRS遙感模型中，通過(guò)對(duì)整層遙感觀測(cè)的AOD進(jìn)行粒子“尺寸約束”、“高度訂正”和“濕度訂正”，以及“體積轉(zhuǎn)換”和“質(zhì)量變換”環(huán)節(jié)，可獲得近地面PM2.5質(zhì)量濃度，具體如式(3)所示：

(3)

式中：VEf是FMF的函數(shù)，ρf,dry是PM2.5干物質(zhì)質(zhì)量密度。

圖2 氣溶膠成分遙感及驗(yàn)證數(shù)據(jù)流程Fig.2 Aerosol component remote sensing and verification data flow

此外，驗(yàn)證PMRS模型所需的關(guān)鍵參數(shù)也可通過(guò)超級(jí)站獲?。喝缃孛娲髿釶M2.5質(zhì)量濃度可由顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀獲取，近地面大氣PM2.5消光系數(shù)可由激光光腔衰蕩消光儀獲取?；赑MRS模型，結(jié)合各訂正、轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)的遙感反演算法，形成了一套基于“粒子大小-光學(xué)體積-垂直分布-吸濕含水-成分含量”P(pán)M2.5瞬時(shí)遙感物理(IRSP)方法。該方法面向衛(wèi)星遙感應(yīng)用，可基于衛(wèi)星遙感瞬時(shí)數(shù)據(jù)獲得PM2.5空間分布，在同類方案中具有較高的PM2.5遙感精度。IRSP方法應(yīng)用于大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站的數(shù)據(jù)處理方面介紹如下(圖3)。

圖3 PMRS方法流程示意圖(修改自文獻(xiàn)[24])Fig.3 Flow diagram of PMRS method (modified from [24])

2.2.1 細(xì)粒子比計(jì)算

FMF可根據(jù)太陽(yáng)-天空輻射計(jì)觀測(cè)獲取的多波段AOD計(jì)算獲得。利用光譜退卷積(SDA)算法[26]可計(jì)算FMF，該方法將AOD分為粗、細(xì)模態(tài)光學(xué)厚度之和(τa=τc+τf)。將氣溶膠光學(xué)厚度譜[τa(λ)]對(duì)波長(zhǎng)求導(dǎo)(即SDA)，可建立與?ngstr?m指數(shù)(α)的如下關(guān)系:

(4)

式中：λ為波長(zhǎng)，αf為細(xì)模態(tài)?ngstr?m指數(shù)，αc為粗模態(tài)?ngstr?m指數(shù)。通常，αc變化較小，其統(tǒng)計(jì)平均值約為-0.15。

令FMF=τf/τc，則有

α=αf·FMF+αc·(1-FMF)

(5)

改寫(xiě)式(5)可得：

FMF=(α-αc)/(αf-αc)

(6)

式中：αf使用多種氣溶膠模型，進(jìn)行約束迭代計(jì)算獲得[26]。

2.2.2 氣溶膠垂直分布訂正

大氣顆粒物通常在邊界層內(nèi)充分混合，形成邊界層以下較為均勻的垂直分布廓線，因此可用PBLH參數(shù)描述邊界層高度訂正過(guò)程，實(shí)現(xiàn)整層和近地面氣溶膠含量的近似轉(zhuǎn)換：

(7)

式中：σ0是0高度(地面)上細(xì)顆粒物的消光系數(shù)。利用式(7)可獲得近地面PM2.5的含量信息。

2.2.3 相對(duì)濕度訂正

遙感觀測(cè)獲得的是自然狀態(tài)下(如含有水分)的氣溶膠特性，而顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀等設(shè)備獲得的是干燥后的氣溶膠質(zhì)量濃度，因此遙感估算的PM2.5需要進(jìn)行相對(duì)濕度訂正。一般認(rèn)為，氣溶膠在不同的相對(duì)濕度條件下，粒子的半徑會(huì)因?yàn)槲蚴l(fā)生變化。假設(shè)自然狀態(tài)下氣溶膠粒子半徑為r，相對(duì)濕度為RH，失水后的粒子半徑為rdry，那么有：

(8)

式中：a和b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，常用氣溶膠類型的數(shù)值如表5所示。

表5 不同氣溶膠類型的RH校正系數(shù)

2.3基于AOD約束的氣溶膠消光系數(shù)廓線反演方法

大氣氣溶膠具有時(shí)空分布變化大的特點(diǎn)，其垂直分布變化程度遠(yuǎn)超過(guò)水平分布變化。激光雷達(dá)通過(guò)回波信號(hào)分析回路上的探測(cè)目標(biāo)信息，是研究大氣氣溶膠垂直分布的有效手段[27]。

氣溶膠消光系數(shù)表示大氣顆粒物對(duì)光的散射和吸收作用的大小，而氣溶膠消光系數(shù)在垂直方向上的積分，代表整層大氣柱上氣溶膠對(duì)光的衰減，即為AOD值：

(9)

式中：σa(z)表示z高度處大氣氣溶膠的消光系數(shù)?？紤]到激光雷達(dá)探測(cè)限(如30 km)之上氣溶膠含量幾乎為零，因此將激光雷達(dá)反演的消光系數(shù)進(jìn)行高度積分后即可得到氣溶膠光學(xué)厚度τLidar。將太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)獲取的氣溶膠光學(xué)厚度τphotometer作為激光雷達(dá)消光系數(shù)反演中的約束值，與τLidar進(jìn)行對(duì)比，可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合反演。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整氣溶膠消光-后向散射比(Sa)，直至τphotometer與τLidar的差異小于給定閾值，即可實(shí)現(xiàn)氣溶膠消光系數(shù)廓線的約束迭代反演。

根據(jù)Fernald后向積分法[27]，高度z處氣溶膠消光系數(shù)為

σa(z)=Sa×βa(z)

(10)

βa(z)=-βm(z)+S(z)exp[2(Sa-

(11)

式中：σa(z)、βa(z)分別為氣溶膠的消光系數(shù)和后向散射系數(shù),zc是參考高度,Sm、Sa分別是大氣分子和氣溶膠的消光-后向散射比(又稱雷達(dá)比)，根據(jù)瑞利散射相函數(shù)可以計(jì)算出Sm=8π/3。

以太陽(yáng)-天空-月亮光度計(jì)觀測(cè)AOD作約束，這種氣溶膠消光系數(shù)求解的方法，避免了激光雷達(dá)反演中Sa固定的假設(shè)(研究中Sa通常設(shè)置為一個(gè)固定值)，提高了氣溶膠消光系數(shù)廓線反演的精度。

3 案例研究及方法驗(yàn)證

大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站的單臺(tái)儀器均可用于氣溶膠觀測(cè)研究，如利用超級(jí)站的太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)驗(yàn)證衛(wèi)星AOD、FMF反演結(jié)果[28-29]等。本文則主要聚焦于多種設(shè)備聯(lián)合觀測(cè)的研究案例，這是氣溶膠遙感研究的熱點(diǎn)和前沿，也體現(xiàn)了超級(jí)站觀測(cè)研究的優(yōu)勢(shì)。

3.1沙塵過(guò)程觀測(cè)

2017年5月10日，蒙古國(guó)東部發(fā)生沙塵天氣，隨著低壓系統(tǒng)東移，5月11日，沙塵影響北京地區(qū)。大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站對(duì)此次沙塵過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。輻射計(jì)、激光雷達(dá)、顆粒物采樣儀、消光儀等儀器的觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 一次沙塵過(guò)程(2017年5月11日)的 氣溶膠遙感綜合監(jiān)測(cè)Fig.4 Synthesized remote sensing measurements of a dust episode (May 11, 2017)

由圖4可見(jiàn)，此次沙塵天氣持續(xù)時(shí)間較短，過(guò)程迅速。顆粒物采樣儀顯示從北京時(shí)間08:30開(kāi)始，近地面處PM10濃度急劇增大，而PM2.5與PM1濃度基本保持不變。下午16:30之后，PM10、PM2.5與PM1的濃度基本穩(wěn)定下來(lái)。值得注意的是，這一沙塵過(guò)程對(duì)消光儀地面在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響不如PM10顯著，這可能表明沙塵的傳輸峰值并不在近地面位置。新型太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)使AOD的監(jiān)測(cè)擴(kuò)展到夜間，基本實(shí)現(xiàn)了全天時(shí)AOD觀測(cè)，解決了夜間AOD數(shù)據(jù)缺乏的問(wèn)題，從其日-夜連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，沙塵過(guò)境時(shí)AOD明顯增大，與PM10監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)非常一致。同時(shí)，從輻射計(jì)獲取的氣溶膠物理特性-粒子譜分布(圖5)可以看出，沙塵過(guò)程中氣溶膠以峰值半徑為5 μm左右的粗模態(tài)顆粒物為主。圖4(b)中18:00左右AOD出現(xiàn)一個(gè)峰值，但是圖4(a)中的PM10濃度曲線上，這一峰值并不明顯。與此對(duì)應(yīng)，激光雷達(dá)距離校正信號(hào)圖上則可以明顯看出，這一時(shí)刻大約1 km高度處有一個(gè)明顯的激光雷達(dá)信號(hào)高值區(qū)，說(shuō)明沙塵的傳輸峰值是在高空1 km附近。

圖5 太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)獲得的沙塵過(guò)程中 氣溶膠粒子體積譜分布(2017年5月11日)Fig.5 Volume particle size distribution retrieved by Sun-sky-moon radiometer during a dust episode (May 11, 2017)

3.2霾污染過(guò)程觀測(cè)

大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站對(duì)2017年2月11—13日(元宵節(jié))期間的大氣污染過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，從激光雷達(dá)[圖6(a)]可以看出，11日17:00開(kāi)始近地面污染逐漸加劇，之后污染過(guò)程持續(xù)約36 h。而太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)[圖6(b)]顯示，2月11日夜間—2月12日夜間的AOD較高，最高達(dá)到1.0左右(440 nm)，并且夜間污染明顯重于白天，與激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果一致，說(shuō)明元宵節(jié)期間夜間污染顆粒物較多。從垂直空間分布上看，氣溶膠主要集中在近地面1 km以內(nèi)。利用太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)污染期間的氣溶膠成分進(jìn)行反演，可以看出霾污染期間(2月12日)AW含量和AS含量明顯增大，非污染期間(2月11、13日)含量明顯減少。從近地面黑碳儀觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，污染期間近地面BC含量有顯著升高，從1～2 μg/m3上升到3～4 μg/m3。近地面顆粒物的濃度也有顯著升高，PM2.5和PM10從2月11日白天約50 μg/m3升高到約300 μg/m3(2月13日凌晨)。

圖6 一次灰霾過(guò)程(2017年2月11—13日)的 氣溶膠遙感監(jiān)測(cè)Fig.6 Aerosol remote sensing monitoring during a haze episode (11—13 February 2013)

氣象站觀測(cè)表明，在11—13日污染過(guò)程中，北京的主導(dǎo)風(fēng)向是偏南風(fēng)，因此，污染源不但包括本地燃放的煙花爆竹，可能還包括南部地區(qū)輸送過(guò)來(lái)的污染物。

3.3氣溶膠成分遙感驗(yàn)證

利用黑碳儀(AE51)在北京站點(diǎn)同步觀測(cè)的數(shù)據(jù)，與太陽(yáng)-天空輻射計(jì)遙感估算的BC含量進(jìn)行對(duì)比分析(圖7)。雖然太陽(yáng)輻射計(jì)反演的是整層大氣BC質(zhì)量濃度(根據(jù)氣溶膠總體積和BC比例計(jì)算BC柱體積濃度，再利用密度將其轉(zhuǎn)換為BC柱質(zhì)量濃度)，黑碳儀(AE51)測(cè)量的是近地面質(zhì)量濃度，但對(duì)比結(jié)果表明，遙感反演和地面在位測(cè)量的BC含量在變化趨勢(shì)上較為一致，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.77。這說(shuō)明大氣中BC成分主要聚集在近地面(如邊界層內(nèi))，同時(shí)表明遙感方法估算的BC含量具有較好的可靠性。

圖7 遙感反演與在位觀測(cè)的BC質(zhì)量濃度對(duì)比 (引自參考文獻(xiàn)[19])Fig.7 Comparison of remote sensing retrieval and in situ measurements of black carbon mass concentration (refer to [19])

3.4PM2.5遙感估算及精度驗(yàn)證

利用2014年12月1—31日在北京超級(jí)站開(kāi)展的地基遙感觀測(cè)，對(duì)近地面PM2.5質(zhì)量濃度的遙感估算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)其誤差進(jìn)行分析。結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 利用PMRS模型估算的近地面PM2.5質(zhì)量濃度與顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀小時(shí)均值對(duì)比Fig.8 Comparison of the retrieved (PMRS) and in situ measurement of the near-surface PM2.5 mass concentration (hourly average)

由圖8可見(jiàn)，利用該模型估計(jì)的近地面PM2.5質(zhì)量濃度與顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀的小時(shí)均值比較，相關(guān)系數(shù)為0.86，誤差約為±(15 μg/m3+35%PM2.5)，主要誤差來(lái)源于“高度訂正”和“濕度訂正”過(guò)程。這些研究可為衛(wèi)星遙感反演瞬時(shí)近地面PM2.5提供理論方法和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證支持。

3.5晝夜連續(xù)氣溶膠垂直分布

利用太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)獲取的白天和夜間AOD觀測(cè)值，可以約束微脈沖激光雷達(dá)獲得高精度的消光系數(shù)垂直廓線反演結(jié)果。對(duì)由于太陽(yáng)、月亮輻照度過(guò)低無(wú)法得到觀測(cè)數(shù)據(jù)的部分時(shí)間段(黎明或傍晚)，可通過(guò)對(duì)前后數(shù)據(jù)進(jìn)行插值估計(jì)AOD的變化，見(jiàn)圖9(a)。然后，利用太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)和微脈沖激光雷達(dá)聯(lián)合反演方法，對(duì)激光雷達(dá)距離校正觀測(cè)信號(hào)[圖9(b)]進(jìn)行約束反演獲得晝夜連續(xù)的氣溶膠消光系數(shù)垂直分布變化情況[圖9(c)]。圖示例子顯示，從午夜至凌晨AOD逐漸降低，上午到夜間AOD逐漸增大，且在午后14：00左右達(dá)到峰值。從圖9(c)看出，絕大部分顆粒物集聚在1 km高度以下，且通常來(lái)說(shuō)越靠近地面，顆粒物濃度越高。

圖9 氣溶膠晝夜連續(xù)觀測(cè)(2014年11月9日)Fig.9 Continously day and night measurements of total columnar and vertical distribution of aerosols (November 9, 2014)

為驗(yàn)證激光雷達(dá)反演的消光系數(shù)廓線結(jié)果，與消光儀測(cè)量的近地面消光系數(shù)(532 nm)開(kāi)展對(duì)比，結(jié)果如圖10所示?？紤]到激光雷達(dá)的測(cè)量盲區(qū)，選取200 m高度處激光雷達(dá)消光系數(shù)與超級(jí)站消光儀測(cè)量的近地面消光系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，從圖中可以看出兩者相關(guān)性很好(相關(guān)系數(shù)為0.968 8)，擬合斜率為0.85，且截距較小，說(shuō)明激光雷達(dá)反演的消光系數(shù)較為準(zhǔn)確，能夠反映氣溶膠空間垂直分布的變化。

圖10 激光雷達(dá)獲取的氣溶膠消光系數(shù)(200 m)與 地面消光儀在線觀測(cè)消光系數(shù)對(duì)比Fig.10 Comparison of aerosol extinction coefficients obtained from Lidar profile (200 m height) and the Extinction meter (ground level)

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站的基本情況和相關(guān)研究案例。從氣溶膠觀測(cè)研究實(shí)際需要的角度闡述了超級(jí)站的儀器配置、觀測(cè)指標(biāo)和相關(guān)研究方向，并對(duì)典型沙塵和灰霾等過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)及分析。從儀器配置角度，大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站主要側(cè)重遙感觀測(cè)儀器，配置了國(guó)內(nèi)首臺(tái)太陽(yáng)-天空-月亮輻射計(jì)，擴(kuò)展了大氣氣溶膠夜間觀測(cè)能力，并可與激光雷達(dá)聯(lián)合使用，提高氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線反演精度。從實(shí)際應(yīng)用角度，大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站具有多儀器協(xié)同觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，有利于從不同尺度、維度、參數(shù)對(duì)大氣氣溶膠進(jìn)行全方位的觀測(cè)和分析，為環(huán)境研究提供數(shù)據(jù)支撐。從科學(xué)研究角度，超級(jí)站對(duì)一個(gè)地點(diǎn)的長(zhǎng)期、綜合觀測(cè)，有利于促進(jìn)方法研究，如在大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站基礎(chǔ)上發(fā)展了大氣氣溶膠5種主要成分的反演方法，拓展了氣溶膠化學(xué)特性的遙感能力，還通過(guò)地基遙感觀測(cè)驗(yàn)證了可應(yīng)用于衛(wèi)星遙感的基于物理途徑的PM2.5遙感模型和方法?？傮w來(lái)說(shuō)，氣溶膠遙感的多儀器綜合觀測(cè)是地基遙感領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)，是開(kāi)展氣溶膠遙感前沿研究的關(guān)鍵工具，也是近地面在位測(cè)量類超級(jí)站的有效補(bǔ)充。今后可繼續(xù)加強(qiáng)在以下方面的研究：

1)主被動(dòng)遙感聯(lián)合觀測(cè)。氣溶膠主、被動(dòng)遙感手段利用各自的優(yōu)勢(shì)，不但可以獲得時(shí)間連續(xù)的氣溶膠參數(shù)，還可有效提高氣溶膠多參數(shù)協(xié)同反演能力(如獲得分層的氣溶膠詳細(xì)參數(shù))。

2)氣溶膠光學(xué)-物理-化學(xué)特性自洽觀測(cè)與驗(yàn)證。氣溶膠的光學(xué)、物理和化學(xué)特性存在內(nèi)在的關(guān)聯(lián)，發(fā)展遙感反演方法和觀測(cè)技術(shù)時(shí)，應(yīng)仔細(xì)考慮此3個(gè)維度的閉合和自洽，同時(shí)通過(guò)其他在線儀器進(jìn)行驗(yàn)證。

3)整層和近地面氣溶膠顆粒物特性的關(guān)聯(lián)。氣候變化經(jīng)常關(guān)注整層大氣氣溶膠特性，而環(huán)境監(jiān)測(cè)更多關(guān)注的是近地面氣溶膠顆粒物參數(shù)，通過(guò)超級(jí)站多儀器聯(lián)合觀測(cè)，可以滿足這些不同遙感應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

目前大氣氣溶膠遙感觀測(cè)超級(jí)站雖然擁有多種氣溶膠遙感及在線觀測(cè)儀器，但部分觀測(cè)能力仍需要補(bǔ)充和提高。如在顆粒物粒子尺寸在線觀測(cè)方面，可考慮增補(bǔ)粒徑譜儀；在氣溶膠化學(xué)成分監(jiān)測(cè)方面，可增加在線成分分析儀；在氣溶膠垂直分布觀測(cè)方面，可考慮增加Raman激光雷達(dá)等。在已有聯(lián)合觀測(cè)的基礎(chǔ)上，未來(lái)可發(fā)展為遙感觀測(cè)與在線測(cè)量協(xié)同的綜合性大氣觀測(cè)超級(jí)站，進(jìn)一步增強(qiáng)在氣溶膠時(shí)空變化、成分特性、來(lái)源解析等方面的綜合觀測(cè)和研究能力。

致謝：感謝合肥工業(yè)大學(xué)李保生教授在顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀觀測(cè)、浙江師范大學(xué)邵杰教授在消光儀觀測(cè)方面提供的協(xié)助和支持。

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ARemoteSensingStudyofAtmosphericAerosolsBasedonJointObservationofSupersiteInstruments

LI Zhengqiang1,LI Donghui1,ZHANG Ying1,LYU Yang1,XIE Yisong1,LI Kaitao1,LI Li1,XU Hua1,QIE Lili1,ZHANG Yuanxun2

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Satellite Remote Sensing, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

Atmospheric aerosol plays key roles in the climate change, atmospheric environment and human health. Remote sensing is an important approach to obtain information of temporal and spatial distribution of aerosols. Due to its non-destructive, instantaneous, entire atmosphere monitoring capacity, aerosol remote sensing has been applied in many fields, like environmental protection and meteorology. This paper introduces the equipment, observation parameters and related studies of the atmospheric aerosol remote sensing study supersite (Beijing) of Chinese Academy of Sciences and illustrate typical applications in four areas. ① Comprehensive remote sensing observation focusing on dust and fog-haze pollution cases.② Extension of optical remote sensing to research frontiers, like aerosol chemical composition estimation. ③ Methods for obtaining key environmental parameters, e.g. PM2.5near the surface. ④ Joint active and passive remote sensing of vertical distribution characteristics of atmospheric particulate matters. The combination of multiple instruments of aerosol remote sensing supersite can reinforce the comprehensive observation and analysis of atmospheric aerosols, providing a synthesized data support for environmental studies.

aerosol;supersite;remote sensing measurement;PM2.5;aerosol composition

X87

A

1002-6002(2017)05- 0064- 11

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.05.10

2017-04-23;

2017-07-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41671367，41401423，41671364)；中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃(STS)區(qū)域重點(diǎn)項(xiàng)目(KFJ-STS-QYZD-022)；中國(guó)科學(xué)院科研裝備研制項(xiàng)目(YZ201664)

李正強(qiáng)(1977-)，男，河南洛陽(yáng)人，博士，研究員。