北极地区大气气溶胶遥感定量研究

The Arctic climate is extremely sensitive to small changes in atmospheric composition, expressed in terms of the low amount of aerosol optical depth (AOD) compared with middle/low latitude regions. During the last three decades the Arctic environment has experienced a warming of 1.48 ± 0.28 ◦C and 1.09 ± 0.81 ◦C can be explained by the changes in aerosol forcing. Recently, several insensitive publications on <Nature> and <Science> related to the aerosol in the Arctic region show the importance and urgency of remote sensing of aerosol properties over the Arctic region. This project aims at solving the international difficult aerosol properties retrieval problem over very bright surface, and obtaining full-coverage AOD products for cloudless areas over the Arctic region. The aerosol type can be obtained by the in-situ measurements and simulation data analysis. With the accurate snow/ice bidirectional reflectance distribution function (BRDF) model, the decoupling of surface and aerosol contribution can be achieved by utilizing the high-temporal visiting characteristics of satellite over the Arctic region. And then aerosol retrieval algorithm over the Arctic region can be developed especially for snow/ice underlying surfaces, where there is lack of AOD product retrieved from satellite data. The developed algorithm can theoretically support the aerosol researches over this region. The sharing dataset collected from the international Arctic observation groups will be used for evaluating the AOD data.

虽然北极地区气溶胶含量较中低纬度地区低，但气溶胶导致的气候效应却极其强烈。研究表明，过去三个世纪北极地区升温1.48±0.28°C，其中气溶胶导致的升温效应占1.09±0.81°C。Nature和Science近期密集发表多篇关于北极地区气溶胶研究成果，展示了遥感获取北极地区气溶胶光学特性的重要性和紧迫性。本项目立足北极地区高亮冰雪下垫面气溶胶卫星遥感反演国际难题，着眼获取北极圈无云区气溶胶光学厚度（AOD）全覆盖遥感产品；通过地基观测与模式模拟，获取北极地区气溶胶类型信息；通过对北极地区冰雪下垫面地表二向反射特性的精确表达，利用遥感卫星在北极地区密集重访特性，实现北极地区地表与气溶胶贡献的地气分离，构建冰雪下垫面AOD反演算法，突破冰雪下垫面AOD数据空缺的瓶颈，为北极地区大气气溶胶研究提供理论和算法支撑。通过北极地区国际联合观测实验数据共享，完成遥感反演结果验证分析。

北极地区是对全球气候变化响应最敏感的地区。当前对于北极地区气候变化及影响的研究主要集中在云及温室气体特性变化对于北极气候的影响，而对北极大气中气溶胶特性的变化研究较少。Nature和Science近几年密集发表一系列关于北极地区气溶胶研究成果，展示了遥感获取北极地区气溶胶光学特性的重要性和紧迫性。建立在北极地区的地基AERONET观测站较少（5-7个），且起始观测时间不一致，站点分散稀疏，对于研究气溶胶属性存在着诸多限制。卫星遥感观测提供了与传统地基观测互补的数据。但北极地区由于纬度高，地表反射率高，气溶胶浓度低等因素，被动遥感反演气溶胶光学厚度极其困难。目前北极地区气溶胶属性卫星反演研究较少且精度较低。针对上述一系列问题，本研究分析了已有卫星气溶胶光学厚度产品在北极地区的精度，同时结合AERONET地基观测数据分析了2000-2017年北极地区气溶胶光学厚度的时空分布。在此基础上，从气溶胶光学厚度遥感反演的关键步骤逐个入手，开发适合北极地区气溶胶光学厚度反演新算法并尝试生产北极地区气溶胶光学厚度数据集。具体包括：1）针对传统云检测手段在北极地区失效问题，提出时间序列的思想，大大提高了云、雪分类的精度，更加适用于北极地区气溶胶光学厚度反演；2）分析了北极地区AERONET站点观测的气溶胶粒子谱分布及复折射指数特性，统计出适用于北极地区的气溶胶类型先验知识；3）针对北极地区季节变化造成的“雪/冰”、“雪/植被”下垫面变化特性，设计符合北极地表特性的BRDF混合模型，更精准描述地表特性；4）利用新构建的算法，尝试生产了2006-2009年春季Spitsbergen群岛的气溶胶光学数据集。分析了2006年4月-5月发生的一次有代表性的北极霾事件。分析结果表明，AATSR反演的气溶胶光学厚度产品可以很好捕捉到北极霾的产生和消亡过程，与临近海洋上空MODIS气溶胶光学厚度观测取得一致的结论。同时，通过与AERONET站点比较发现，本项目获取的气溶胶光学厚度数据精度较高，获取的数据可以用于支持其他研究。从时间序列上分析也可以发现，反演的气溶胶光学厚度在北极洁净情况下有略微高估，而在北极霾情况下有低估的趋势。