基于星载激光雷达数据的层次探测及中国地区垂直气溶胶光学特性研究

摘要

地球大气中的云和气溶胶在大气系统中起重要的作用，不仅影响着地气辐射收支平衡来影响环境和气候变化，而且与人类的身体健康有着紧密的联系。大气中云气溶胶分布对气候环境、辐射传输等的影响，气溶胶浓度及光学特性等成为了当前研究的热点问题。目前，对于大气中云和气溶胶的探测方式较多，主要的探测方式为地基检测和被动遥感探测的手段，前者获取的多为小范围云空间分布而后者获取的多为柱浓度信息，并不能大范围、有效的获取大气中云气溶胶的垂直分布特征及其光学特性。而星载激光雷达能够补足这部分数据资料。本文从CALIPSO数据处理，算法实现等角度入手，实现对大气垂直方向上云及气溶胶特征的查找；并利用CALIOP数据对RAMS-CMAQ模式数据验证的同时，分析了2013-2015年中国地区水平及垂直方向上的气溶胶光学特性。
　　首先，本文实现了基于CALIOP level1B数据的云气溶胶层次查找算法。主要是通过阈值法对云和气溶胶垂直层次特征进行查找，包括单廓线扫描法和选择性迭代边界定位法，其中对于强的特征层使用的是单廓线扫描的方式，将大于阈值的特征定位，利用特征透过率进行阈值更新直至完成廓线特征检索；对于相对较弱的气溶胶特征层通过多条廓线平均的方式弱化背景噪声，在移除已检测到特征，提高移除特征下方信号强度的基础上，使用迭代查找的方式多次扫描查找。所得到的结果与官方的产品进行对比，两者整体匹配度较好，但弱特征查找的精度还有待提高。
　　其次，本文利用2013-2015年的CALIOP数据验证RAMS-CMAQ大气模式数据的垂直特征，并联合两者数据分析中国地区的垂直气溶胶光学特性。具体工作如下：
　　(1)利用地基AERONET站点数据对CALIOP和RAMS-CMAQ数据可靠性进行验证。RAMS-CMAQ与站点数据的相关性较高，相关系数R值达到0.69；CALIOP与AERONET相关系数R值为0.5。
　　(2)验证了在中国地区CALIOP反演与RAMS-CMAQ模拟得到的气溶胶光学厚度的相关性。由于不同地区的相对湿度及水溶性气溶胶粒子浓度的差异，RAMS-CMAQ在中国的西北部的模拟结果出现低估，在东部平原和盆地地区出现高估。
　　(3)对两者垂直气溶胶消光系数廓线及切面进行了对比研究。中国地区消光系数的峰值区集中于0.5km以下的区域，并且随着高度的升高气溶胶消光系数降低。
　　总体来说RAMS-CMAQ的模拟结果可以作为观测数据的补充，应用于中国地区的环境变化和大气污染监测等方面。

目录

第一个书签之前

中文目录

英文目录

1. 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

2. 观测及模式数据介绍

2.1 CALIPSO 数据

2.2 RAMS-CMAQ 数据

2.3 MODIS 数据

2.4 AERONET 数据

3. CALIPSO 层次查找算法研究

3.1 星载激光雷达探测原理

3.2 层次查找的主要方法

3.3 廓线扫描层次查找

3.4 弱特征层选择性迭代边界定位层次查找

3.5 层次查找的结果

3.6 本章小结

4. CALIPSO 二级产品对RAMS-CMAQ 的气溶胶特性验证

4.1 数据处理

4.2 基于AERONET 数据的气溶胶光学厚度验证

4.3 气溶胶光学厚度空间分布

4.4 气溶胶消光特性垂直分布

4.5 本章小结

5. 总结与展望

5.1 总结

5.2 改进与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间主要的成果