[发明专利]一种整层大气气溶胶棕色碳成分的遥感识别和估计方法

说明书

本发明公开了一种整层大气气溶胶棕色碳成分的遥感识别和估计方法，包括遥感反演提取气溶胶光学吸收特征；建立棕色碳成分遥感识别和估算方法；光学吸收闭合计算验证和判识最优气溶胶成分内混合模型。本发明首次提出分步骤、逐成分反演的方法，能有效避免其他吸收性成分的影响，最终实现棕色碳的识别和定量估计。此外，本发明提出通过高敏感性参数分别计算黑碳和沙尘比例，进而解算棕色碳比例的方案，大幅减少计算量，并且能够得到较稳定的结果。

技术领域

本发明涉及大气光学、大气化学领域的气溶胶成分遥感估计方法，特别是棕色碳（光学吸收性有机碳）成分的遥感识别和定量估计方法。

背景技术

全球范围内气候发生显著变化，已经成为各国广泛关注的重大现实问题和科学问题。IPCC报告（IPCC, 2013）指出，大气气溶胶对气候变化影响复杂且巨大（碳质成分的增温效应、二次成分的降温效应等），其辐射强迫的不确定性超过温室气体等其他因素，是气候变化评估最大的误差来源之一。气溶胶气候效应评估不准，主要是由于气溶胶来源广泛，种类繁多，不同成分在从紫外到近红外的波谱范围内对太阳辐射有不同程度的吸收和散射作用，并且大气中复杂的化学反应和物理过程导致气溶胶成分组成与混合状态随时空变化显著。对气溶胶类型/成分的含量和分布估计不够准确，最终导致气溶胶辐射强迫估计的不确定性较大。大气气溶胶中辐射效应最显著的是碳质成分，其中黑碳（black carbon, BC）主要来源于煤炭、石油等化石燃料的燃烧排放过程，在可见光-近红外波段能够强烈吸收太阳辐射，对整层大气有显著的增温作用（Andreae and Gelencsér, 2006）。近几年逐步引起关注的棕色碳（具有光学吸收性质的多种复杂有机物的统称，主要来源于生物质燃烧排放），在近紫外波段的强吸收对地气辐射收支产生重要影响（Feng et al., 2013）。

大气气溶胶化学成分探测的传统方式是离线采样、在线化学分析等技术，其缺点在于：首先，测量时一般采用抽气、滤膜采样等方式，不可避免会影响到气溶胶的自然状态（质量损失、含水及老化程度改变等）；其次，采样方式受限于探测平台，难以获得整层大气、连续时空范围的气溶胶特性，而这正是全球气候变化研究关注的重点；第三，采样观测存在操作繁琐、耗时长、易受人为影响，仪器精密昂贵，观测点位稀疏等不足，难以维持大范围、长期稳定观测。特别地，对于棕色碳这类构成物质种类十分复杂、在化学上并无明确定义的成分，化学探测难度尤为显著。光学测量是探测棕色碳的首选技术手段（Olson et al.,2015）。地面光学测量设备（多波段黑碳仪等）虽然也能捕捉棕色碳的光学吸收特性，但往往会被其他具有类似特征的颗粒物所干扰（例如含铁矿物粒子），去除其影响需要通过其他仪器（粒径谱仪等）配合联测，难以保证多个设备测量对象的一致性和粒子状态的稳定性。

遥感技术采用非接触的瞬时探测方式，有效克服传统采样方式的不足，通过测量和解析多个维度下的气溶胶辐射信号数据（多波段、多角度、辐射、偏振等），实时获取自然状态下整层大气气溶胶的高精度光学特性，进而获得气溶胶的微物理（粒径尺寸、粒子形状等）和成分组成特性，具有自洽性、一致性优势。近年来，国内外学者利用遥感观测开展了对黑碳、棕色碳等气溶胶成分的定量估计，例如Wang et al.（2013）和Li et al.（2013）采用复折射指数耦合单次散射反照率（Single Scattering Albedo, SSA）光谱的方法进行碳质成分的遥感反演。该技术对气溶胶复杂混合状态的描述需进一步改善，并且涉及到SSA光谱差值信息的提取，对多波段SSA的参数精度有较高要求，尚难以普遍达到。如何发展一套较实用、普适性较好的大气气溶胶棕色碳成分的遥感识别和估计方法，是提高气溶胶辐射效应估计、改善气候变化评估精度等领域亟待解决的问题。

发明内容