[發(fā)明專利]一種整層大氣氣溶膠棕色碳成分的遙感識別和估計方法

有效

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• 申請日: 2020-05-27
• 公開（公告）號: CN111595801B
• 公開（公告）日: 2022-12-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李正強(qiáng);謝一凇;張瑩;許華;李凱濤;李東輝
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院
• 主分類號: G01N21/3504
• 分類號: G01N21/3504;G01N21/359
• 代理公司: 北京中創(chuàng)陽光知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11003
• 代理人: 張永革

本發(fā)明公開了一種整層大氣氣溶膠棕色碳成分的遙感識別和估計方法，包括遙感反演提取氣溶膠光學(xué)吸收特征；建立棕色碳成分遙感識別和估算方法；光學(xué)吸收閉合計算驗證和判識最優(yōu)氣溶膠成分內(nèi)混合模型。本發(fā)明首次提出分步驟、逐成分反演的方法，能有效避免其他吸收性成分的影響，最終實現(xiàn)棕色碳的識別和定量估計。此外，本發(fā)明提出通過高敏感性參數(shù)分別計算黑碳和沙塵比例，進(jìn)而解算棕色碳比例的方案，大幅減少計算量，并且能夠得到較穩(wěn)定的結(jié)果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及大氣光學(xué)、大氣化學(xué)領(lǐng)域的氣溶膠成分遙感估計方法，特別是棕色碳（光學(xué)吸收性有機(jī)碳）成分的遙感識別和定量估計方法。

背景技術(shù)

全球范圍內(nèi)氣候發(fā)生顯著變化，已經(jīng)成為各國廣泛關(guān)注的重大現(xiàn)實問題和科學(xué)問題。IPCC報告（IPCC, 2013）指出，大氣氣溶膠對氣候變化影響復(fù)雜且巨大（碳質(zhì)成分的增溫效應(yīng)、二次成分的降溫效應(yīng)等），其輻射強(qiáng)迫的不確定性超過溫室氣體等其他因素，是氣候變化評估最大的誤差來源之一。氣溶膠氣候效應(yīng)評估不準(zhǔn)，主要是由于氣溶膠來源廣泛，種類繁多，不同成分在從紫外到近紅外的波譜范圍內(nèi)對太陽輻射有不同程度的吸收和散射作用，并且大氣中復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理過程導(dǎo)致氣溶膠成分組成與混合狀態(tài)隨時空變化顯著。對氣溶膠類型/成分的含量和分布估計不夠準(zhǔn)確，最終導(dǎo)致氣溶膠輻射強(qiáng)迫估計的不確定性較大。大氣氣溶膠中輻射效應(yīng)最顯著的是碳質(zhì)成分，其中黑碳（black carbon, BC）主要來源于煤炭、石油等化石燃料的燃燒排放過程，在可見光-近紅外波段能夠強(qiáng)烈吸收太陽輻射，對整層大氣有顯著的增溫作用（Andreae and Gelencsér, 2006）。近幾年逐步引起關(guān)注的棕色碳（具有光學(xué)吸收性質(zhì)的多種復(fù)雜有機(jī)物的統(tǒng)稱，主要來源于生物質(zhì)燃燒排放），在近紫外波段的強(qiáng)吸收對地氣輻射收支產(chǎn)生重要影響（Feng et al., 2013）。

大氣氣溶膠化學(xué)成分探測的傳統(tǒng)方式是離線采樣、在線化學(xué)分析等技術(shù)，其缺點在于：首先，測量時一般采用抽氣、濾膜采樣等方式，不可避免會影響到氣溶膠的自然狀態(tài)（質(zhì)量損失、含水及老化程度改變等）；其次，采樣方式受限于探測平臺，難以獲得整層大氣、連續(xù)時空范圍的氣溶膠特性，而這正是全球氣候變化研究關(guān)注的重點；第三，采樣觀測存在操作繁瑣、耗時長、易受人為影響，儀器精密昂貴，觀測點位稀疏等不足，難以維持大范圍、長期穩(wěn)定觀測。特別地，對于棕色碳這類構(gòu)成物質(zhì)種類十分復(fù)雜、在化學(xué)上并無明確定義的成分，化學(xué)探測難度尤為顯著。光學(xué)測量是探測棕色碳的首選技術(shù)手段（Olson et al.,2015）。地面光學(xué)測量設(shè)備（多波段黑碳儀等）雖然也能捕捉棕色碳的光學(xué)吸收特性，但往往會被其他具有類似特征的顆粒物所干擾（例如含鐵礦物粒子），去除其影響需要通過其他儀器（粒徑譜儀等）配合聯(lián)測，難以保證多個設(shè)備測量對象的一致性和粒子狀態(tài)的穩(wěn)定性。

遙感技術(shù)采用非接觸的瞬時探測方式，有效克服傳統(tǒng)采樣方式的不足，通過測量和解析多個維度下的氣溶膠輻射信號數(shù)據(jù)（多波段、多角度、輻射、偏振等），實時獲取自然狀態(tài)下整層大氣氣溶膠的高精度光學(xué)特性，進(jìn)而獲得氣溶膠的微物理（粒徑尺寸、粒子形狀等）和成分組成特性，具有自洽性、一致性優(yōu)勢。近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用遙感觀測開展了對黑碳、棕色碳等氣溶膠成分的定量估計，例如Wang et al.（2013）和Li et al.（2013）采用復(fù)折射指數(shù)耦合單次散射反照率（Single Scattering Albedo, SSA）光譜的方法進(jìn)行碳質(zhì)成分的遙感反演。該技術(shù)對氣溶膠復(fù)雜混合狀態(tài)的描述需進(jìn)一步改善，并且涉及到SSA光譜差值信息的提取，對多波段SSA的參數(shù)精度有較高要求，尚難以普遍達(dá)到。如何發(fā)展一套較實用、普適性較好的大氣氣溶膠棕色碳成分的遙感識別和估計方法，是提高氣溶膠輻射效應(yīng)估計、改善氣候變化評估精度等領(lǐng)域亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容