城市人为沙尘气溶胶的识别及其对我国灰霾天气的影响

Urban anthropogenic dust aerosol is the urban local dust aerosol caused by human activities, and mainly from urban construction, roadway and land-use, etc. With the acceleration of urbanization and city expansion process, human activities have become one of the important driving factors for the emission and enhancement of dust aerosol in urban areas; In turn, urban anthropogenic dust aerosol also has an important impact on regional climate, environment and human society. The project will carry out the urban anthropogenic dust aerosol research by using of satellite data, lidar, ground observation and radiation transmission model, with the active-passive remote sensing technology and multiple statistical analysis methods. The main research contents are as follows: a new urban anthropogenic dust aerosol detection method will be developed; the three-dimensional structure, temporal and spatial distribution, optical characteristics, radiation effects and emission of urban anthropogenic dust aerosol will be obtained; the main source and transportation of urban anthropogenic dust aerosol will be explored; and then the urban anthropogenic dust aerosol relative contribution and effect to the haze weather in China will be estimated. The successful implementation of the project can enrich and improve the research of dust aerosol, make a deepening understanding that the regional climate and atmospheric environment was effected by the urban anthropogenic dust aerosol, and provide scientific basis and research ideas for the environmental policies.

城市人为沙尘气溶胶主要来自城市建筑施工、汽车道路和土地利用等由于人类活动引起的局地沙尘气溶胶。随着城市化进程的加快和城市规模的扩大，人类活动已成为城市沙尘气溶胶产生和增强的重要驱动因子之一；反过来，城市人为沙尘气溶胶也对区域气候和环境以及人类社会产生重要的影响。本项目将利用卫星遥感、激光雷达、地面观测和辐射传输模式等手段，通过主被动遥感技术和多元统计分析等方法，开展城市人为沙尘气溶胶的研究。其主要研究内容如下：发展一套城市人为沙尘气溶胶的识别算法；获得城市人为沙尘气溶胶的三维结构、时空分布、光学特征、辐射特性和排放贡献；探明典型城市人为沙尘气溶胶的主要源地和输送途径；估算城市人为沙尘气溶胶对我国灰霾天气的相对贡献及影响。该项目的顺利实施能进一步丰富和完善沙尘气溶胶的研究，加深对城市人为沙尘气溶胶影响区域气候和大气环境的认识，为制定相关环境政策提供科学依据和研究思路。

随着我国城市化进程的加快和城市规模的扩大，人类活动已成为城市沙尘气溶胶产生和增强的重要驱动因子之一，因此非常有必要开展城市人为沙尘气溶胶识别及其对我国灰霾天气影响的研究。围绕项目的研究内容，得到的主要结果：利用多源卫星数据（CALIPSO、Himawari-8、OMI）和数据集（MERRA-2、AD-NET、EAR-5、太阳光度计和中国地面空气质量数据），比较了纯沙尘和污染沙尘的光学性质，识别了纯沙尘和污染沙尘，结合HYSPLIT后向轨迹模型，分别获取了纯沙尘和污染沙尘的主要来源及传输路径。利用卫星数据分析了沙尘气溶胶的光学特征，三维结构及时空分布研究。发现温差大值区对应层结不稳定，空气湿度较小空气较干，越有利于沙尘天气发生，并对沙尘天气成因进行分析。分离了自然沙尘和人为沙尘，分析了自然沙尘和人为沙尘空间分布及光学特征，研究了每种类型气溶胶对总气溶胶光学厚度的贡献。利用欧氏距离方法，量化了人为排放在新冠疫情发生前后对我国主要城市的贡献；通过气象要素场和输送路径相似分析方法，揭示了人类活动对沙尘输送的光学性质的影响，量化了沙尘气溶胶和人类活动对大气污染物的贡献。基于多种机器学习模型（随机森林、梯度回归树、极端树、深度森林和深度神经网络模型），获取了我国大气颗粒物的时空特征，首次通过卫星获取多年中国区域PM2.5的垂直结构，探讨了影响PM2.5垂直分布的气象因素和模型特征重要性，研究了我国典型城市群颗粒物时空分布，从排放、地形、风场等角度揭示了城市群高污染事件的成因，量化了沙尘和气象综合因素对我国大气污染物浓度的贡献。该项目的顺利实施进一步丰富和完善了沙尘气溶胶的研究，为制定相关环境政策提供科学依据和研究思路。项目资助已发表学术论文12篇（其中SCI论文7篇），实用新型专利5项，软件著作权1项，培养毕业硕士生1名和博士生1名；参加国内会议8人次，其中1次为特邀报告；项目负责人获得了教育部自然科学二等奖（获奖题目：西北沙尘遥感监测及辐射效应的研究，排名第三）。