气溶胶遥感反演研究

.1b气溶胶遥感反演研究余涛20150714.22卫星大气气溶胶监测的意义气溶胶特性获取分析及卫星监测现状3SART说明6内容提纲卫星大气气溶胶参数反演5中国气溶胶特性分析4大气气溶胶特性1.大气中悬浮着的各种固体和液体微粒，尺度在10-4微米到100微米之间。PM2.5是气溶胶。PM，英文全称为particulatematter(颗粒物），是评价某一地方空气质量的重要指标。PM包括PM2.5（大气中直径小于2.5微米的可入肺颗粒物，2013年2月28日，“PM2.5”规范中文名，正式命名为“细颗粒物”。），PM10（直径小于10微米的可吸入颗粒物）。PM的单位一般为（即每立方米多少毫克）。3/gm1.大气气溶胶特性1.1气溶胶定义和来源.自然：尘粒、烟粒、海洋中浪花飞溅的盐粒、花粉、流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃等；人为：煤、油及其他矿物燃料的燃烧物质，以及车辆产生的废气排放至空气中的大量烟粒等。自然界产生的气溶胶人类制造的气溶胶1.1气溶胶定义和来源1.大气气溶胶特性.5汽车尾气（数十米）森林火灾（蔓延数百平方公里）工厂排放（几公里到几十公里）火山爆发（漂浮达数百公里）大规模霾（数十万平方公里）1.2气溶胶几何特性-宏观1.大气气溶胶特性.6EN中文直径（纳米）Soot煤烟10-100SulfuricAcid硫磺酸CrystalBio-organic水晶有机物AmmoniumSulfate硫酸铵100-1000MarineOrganic海洋有机物BiomassSmoke生物质烟Dust沙尘1000-10000SeaSalt海盐Pollen花粉直径：纳米1.2气溶胶几何特性-微观1.大气气溶胶特性.大气中的气溶胶粒子来源较多，大小不同，形状各异。在实际研究中宏观上分析时需要有一个粒子尺度分布函数来描述气溶胶粒子群。常用的三种尺度分布函数：数量谱分布，面积谱分布，体积谱分布1.2气溶胶几何特性-微观形态特性1.大气气溶胶特性.1.2气溶胶几何特性-典型气溶胶类型的尺度分布函数1.大气气溶胶特性.1.3气溶胶化学特性-气溶胶组成1.大气气溶胶特性.1.3气溶胶化学特性-气溶胶组成1.大气气溶胶特性.太阳光在大气气溶胶粒子中传播时，会发生散射和吸收，其中散射又分为反射和投射。1.4气溶胶光学特性-散射和吸收1.大气气溶胶特性.散射相函数用来描述电磁波被介质散射后在各个方向上的强度分布比例。对于球形粒子，可以利用著名的MIE（米散射）理论来计算单个粒子的散射相函数。对于非球形粒子，常用T-Matrix和几何光学理论来计算相函数，或者直接利用仪器观测来得到。MIE计算得到的相函数采用T-Matrix计算的不同形状的非球形粒子相函数1.4气溶胶光学特性-散射相函数1.大气气溶胶特性.光波是一种横波，也是一种电磁波。电磁波的波动性质由Maxwell方程组来描述，其基本研究对象是矢量波，分别是电场矢量E和磁场矢量H，完整描述它们需要四个参量：波的振幅、波长、位相和偏振。当电场矢量E的振动集中在某一方向时，称光在这一方向是偏振的。1.4气溶胶光学特性-偏振特性1.大气气溶胶特性.当电场振动的轨迹是一条直线时，称为线偏振。当电场振动的轨迹是一个圆时，称为圆偏振。1.4气溶胶光学特性-偏振特性1.大气气溶胶特性.不论是非偏和偏振，当不同波段的入射光线经过气溶胶粒子散射后，在不同方向上的散射分量是不同的。因此当卫星从不同角度观测气溶胶粒子时，得到的不同波段的辐射值是不同的。用AirMISR得到的不同波段，不同角度得到的非偏辐射值用国产多角度偏振设备（DPC）得到的不同波段的偏振辐射值及其彩色合成图490nm665nm865nm合成图1.4气溶胶光学特性-多角度特性和多光谱特性：1.大气气溶胶特性.几何特性化学特性卫星监测气溶胶光学特性卫星与载荷设计气溶胶的特性分析为卫星载荷的设计和反演提供了理论依据1.5.气溶胶特性分析的意义气溶胶物质特性遥感采样特性空间分辨率光谱分辨率时间分辨率角度分辨率极化分辨率技术应用.172卫星大气气溶胶监测的意义气溶胶特性获取分析及卫星监测现状3SART说明6内容提纲卫星大气气溶胶参数反演5中国气溶胶特性分析4大气气溶胶特性1.182.卫星监测气溶胶参数的意义气候系统是一个极其复杂的多圈、多层次系统。在诸多影响气候变化的因子中，气溶胶是一个既重要却又不确定的影响因子。2.1气溶胶的影响-气候系统.192.卫星监测气溶胶参数的意义•直接、间接辐射强迫作用•通过云影响降水•与雪、冰的相互作用影响大气辐射平衡，严重影响区域和全球变化！！！2.1气溶胶的影响-气候系统.20环境：大气能见度下降，阻碍空中、水面和路面交通健康：显著提高呼吸道、肺心病以及癌症等疾病的发病率2.卫星监测气溶胶参数的意义2.1气溶胶的影响-人居环境.212.卫星监测气溶胶参数的意义晴空、污染天气对比图晴空、沙尘天气对比图2.1气溶胶的影响-人居环境.222008年：我国三分之二城市空气气溶胶细粒子浓度超标。2.卫星监测气溶胶参数的意义2.1气溶胶的影响-人居环境.23大气校正后的图像效果2.卫星监测气溶胶参数的意义如何利用卫星对大气气溶胶进行有效监测？中国地区气溶胶如何？如何利用卫星反演气溶胶参数信息？获得真实的地面信息？……气溶胶的存在会显著改变地气辐射传输过程！2.1气溶胶的影响-对地观测.242.卫星监测气溶胶参数的意义大气气溶胶通过散射与吸收阳光对地球系统辐射平衡有重要的影响；气溶胶粒子在很多生物地球化学循环中起着重要的作用；气溶胶构成大气污染源，如沙尘暴、烟尘等；气溶胶影响对地观测研究和监测大气气溶胶具有重要意义！2.1气溶胶的影响.25？如何评价气溶胶对于区域和全球气候变化的影响？如何获得区域气溶胶的时空分布？对人们生活的影响？如何减小对地观测中的噪声影响？2.卫星监测气溶胶参数的意义2.2卫星监测气溶胶.传统对大颗粒沙尘气溶胶的观测主要依靠地基观测为主，如：AERONET地基站点。但是由于站点密度低且分布离散，因此，利用这种方式对大气污染的监测会受到极大限制。地基监测卫星遥感在对大尺度、连续观测方面具有自身得天独厚的优势，因此非常适合对气溶胶有效监测。卫星监测地基观测站点离散卫星观测全球尺度连续观测2.卫星监测气溶胶参数的意义2.2卫星监测气溶胶.卫星遥感在大气环境质量变化的连续性、空间性和趋势性监测方面具有明显优点。在不同尺度上反映大气污染物的宏观分布趋势、源汇分布和传输路径，为大气污染的全方位立体监测提供了重要的信息来源。全球PM2.5卫星遥感反演分布图全球沙尘气溶胶卫星遥感反演分布图3.气溶胶特性获取分析及卫星监测现状2.2卫星监测气溶胶.28Huangetal.利用星载激光雷达Calipso产品研究了2007年的一次沙尘暴事件。沙尘从Sahara沙漠传输到墨西哥！2.卫星监测气溶胶参数的意义2.2卫星监测气溶胶.292.卫星监测气溶胶参数的意义2.2卫星监测气溶胶卫星观测气溶胶的传输与扩散.灰霾侵袭灰霾扩散灰霾渐渐消散灰霾积聚1月10号1月12号1月14号1月16号基于不同时间的卫星图像，可以清楚地看到灰霾气溶胶的变化趋势北京地区2012年冬季灰霾态势变化实例PM2.5=248μg/cm3AQI=289PM2.5=568μg/cm3AQI=500PM2.5=299μg/cm3AQI=293PM2.5=112μg/cm3AQI=1222.卫星监测气溶胶参数的意义2.2卫星监测气溶胶.312卫星大气气溶胶监测的意义气溶胶特性获取分析及卫星监测现状3SART说明6内容提纲卫星大气气溶胶参数反演5中国气溶胶特性分析4大气气溶胶特性1.323.气溶胶特性获取分析及卫星监测现状遥感是一种非接触式的、无损的探测，是人类开展信息获取、认识与理解自然界、服务其自身发展的有效手段。获取目标特性是发现、识别、确认、理解、判断、预测的过程，遥感目标特性的分析是从外到内、由表及内确定目标的存在状态，其根本就是目标特征场，场是一系列遥感要素的集合，信息量则是构成目标场的各要素的函数。()YfX,b属性：光谱、时间、空间、角度、极化…信息量目标特性“场”：由五个属性相互耦合，获取的可用于描述目标特性的信息量的特征分布。3.1场概念.3.气溶胶特性获取分析及卫星监测现状气溶胶垂直分布场气溶胶场大气卫星地表遥感目标场具有时空连续特性，不同遥感目标变量在时间、空间上都具有不同的异质性，同时与地物目标场的时空变异特征有关。气溶胶场是通过遥感无损探测手段获取其特性。其场的分布特征与大气、地表及卫星性能指标相关。3.2气溶胶场局部区域气溶胶光学厚度场全球气溶胶光学厚度场.343.气溶胶特性获取分析及卫星监测现状3.3遥感目标信息量分析-模型空间信息量精度信息量其中C为一景图像所对应的地面面积，G为地面分辨率（即空间分辨率），n为像元数，K为波段数（光谱分辨率），m为量化基数（辐射分辨率）。.351.多波段影像提供更对信息。但因波段间相关性，多波段影像的实际信息量要小于多波段影像总信息量。2.分辨率越高，信息量越大。然而，上述计算信息量公式，面对不同传感器影像，不同地物等因素，信息量大小不具有普适性，没有一个统一的标准来描述信息量与目标之间的关系。3.几何场分布信息量与辐射信息量互秩。3.气溶胶特性获取分析及卫星监测现状3.3遥感目标的信息量分析-模型.363.气溶胶特性获取分析及卫星监测现状3.3遥感目标的信息量分析-模型应用层次-多星组网（例）.航天遥感技术是面向自然界的、无损的、全程的、全面的探测技术。航天遥感技术本质上是面向目标特性的时空采样过程，通过在波段、偏振度、时间、空间、角度等维度上的采样，将无限的信息转化成为有限的信息，求解病态方程利用先验知识在有限信息里进行信息获取。航天遥感是人类认知世界、理解世界的工具，利用航天遥感对自然界的认知经历了发现、识别、确认、理解、评价和预测的过程。3.气溶胶特性获取分析及卫星监测现状3.3遥感目标的信息量分析-规模度量.所需的空间分辨率逐层递进3.气溶胶特性获取分析及卫星监测现状3.3遥感目标的信息量分析-规模度量.发现（1-2个像元，1000mMODIS）秸秆焚烧的发现、识别、确认、理解过程3.气溶胶特性获取分析及卫星监测现状3.3遥感目标的信息量分析-规模度量.识别（10个像元，30mHJ-1A）秸秆焚烧的发现、识别、确认、理解过程3.气溶胶特性获取分析及卫星监测现状3.3遥感目标的信息量分析-规模度量.确认（20个像元，16mGF）秸秆焚烧的发现、识别、确认、理解过程3.气溶胶特性获取分析及卫星监测现状3.3遥感目标的信息量分析-规模度量.理解（25个像元，无人机）秸秆焚烧的发现、识别、确认、理解过程3.气溶胶特性获取分析及卫星监测现状3.3遥感目标的信息量分析-规模度量.43在对地物目标发现、识别、确认、理解基础上，对地物目标进行深度理解、判断及预测，揭示地物目标的物理特性及专题特性。3.气溶胶特性获取分析及卫星监测现状3.3遥感目标的信息量分析-规模度量.443.气溶胶特性获取分析及卫星监测现状发现、识别、确认、理解、判断、预测目标的特性，根本是在研究遥感目标在空间、时间抑或时空域上的特征量度，而这些指标的时空变异性特征都具有尺度依赖性，研究尺度的不同会产生不同的研究结果，满足不同的目标需求，是卫星最优采样标准的依据。空间时间站点1-10km2区域100km2陆地/海洋104-105km2全球107-108km2时天周月季年年代世纪国家100-103km2对全球气候变化影响长时间序列、趋势、预测分析组分分析；变化规律分析污染监测、源汇分析点源面源3.4气溶胶场特性的尺度特征.453.气溶胶特性获取分析及卫星监测现状获取气溶胶特性，分析和研究其目标特性要进行遥感采样，包括时空采样、光谱采样和辐射采样，即将目标特性时间域、空间域、光谱和辐射上的连续信息量转化为离散信息量。利用卫星遥感监测气溶胶，面临的就是如何选择最优采样的问题？•气溶胶人为排放源的搜索——空间分辨