基于星载激光雷达的人为沙尘气溶胶探测研究

发布时间：2016-11-05 20:42

  本文关键词：基于星载激光雷达的人为沙尘气溶胶探测研究，由笔耕文化传播整理发布。

《兰州大学》 2015年

基于星载激光雷达的人为沙尘气溶胶探测研究

刘晶晶  

【摘要】：云和气溶胶的辐射效应是气候系统中最不确定的因素之一,沙尘气溶胶作为主要的气溶胶类型在全球能量平衡中扮演着重要的角色,因此准确区分大气中的云和沙尘气溶胶对于减小气候系统的不确定性具有非常重要的意义。以往的研究大多将沙尘简单的当作自然气溶胶,关于人为沙尘方面的观测研究非常缺乏,其在大气中所占的比例、辐射强迫以及对气候变化的影响等更是存在很大的不确定性。因此迫切需要相关观测资料和识别方法来改进对人为沙尘的认识。近年来,星载激光雷达作为一种先进的主动遥感仪器,具有时空分辨率高,能够实现全球覆盖以及垂直方向探测等独特优势而被广泛应用于各研究领域。因此本文以CALIPSO星载激光雷达为主要研究手段,系统开展了识别人为沙尘气溶胶的相关研究工作：(1)验证CALIPSO卫星沙尘气溶胶识别的准确性。将CALIPSO, CloudSat以及MODIS卫星联合观测的结果作为标准,对比分析结合主被动遥感方法,CALIPSO第三版以及第二版中云和气溶胶的分类算法(分别为CLIM,V3-CAD, V2-CAD)对2007年春季撒哈拉地区云和沙尘气溶胶的识别情况。发现三种方法总的误判率分别为1.16%,2.01%和16.39%。其中,CLIM方法总的沙尘误判率为2.45%,低于V3-CAD方法4.18%,同时低于V2-CAD方法16.58%。因此,不管是总的误判率还是沙尘的误判率,CLIM方法的误判率都是最低的,其次是V3-CAD方法,说明V3-CAD方法在V2-CAD方法的基础上对云和气溶胶的分类有很大的改进。该结果有助于我们验证和评估之前利用V2-CAD数据进行的研究成果,同时也为我们后面章节中使用V3-CAD数据中的沙尘气溶胶类型来识别人为沙尘气溶胶提供了理论支持。(2)利用CALIPSO卫星计算与人类活动密切相关的边界层高度。一般来说,来自于沙漠的沙尘传输一般发生在边界层之上,而人为沙尘气溶胶通过局地湍流、风速等在边界层之内活动。因此,准确反演边界层高度是区分人为沙尘和自然沙尘的一个重要前提。本文改进了最大标准差方法,利用CALIPSO卫星观测的532nm消光后向散射来反演边界层高度,并获得了中国地区边界层高度的季节性分布(仅云量小于5%的情况被反演)。利用兰州大学SACOL站点地面激光雷达反演的边界层高度进行验证,CALIPSO卫星反演的边界层高度与地面激光雷达之间的相关性达到0.73,具有较好的一致性。中国地区边界层高度的高值区全年集中在青藏高原和沿海地区,而低值区主要出现在柴达木盆地和冬季的东北部地区。此外,本文对比评估了在不用地表类型下CALIPSO与ECM WF反演的边界层高度数据。结果表明：在草地和裸露的地表下,ECMWF反演的边界层高度高于CALIPSO, 而ECMWF的低估主要集中在水面和森林地区的春夏季。(3)在上述两个研究工作基础之上提出人为沙尘识别方法。这种方法综合利用CALIPSO卫星获得的边界层高度、人为沙尘与自然沙尘后向散射以及退偏比等光学特性的差异、MODIS地表类型等依据来识别人为沙尘气溶胶的新方法,从而获得了全球人为沙尘的分布及其在全球总沙尘中所占的比例,确定了人为沙尘和自然沙尘区域排放的相对贡献。结果表明：人为沙尘占全球陆地沙尘排放总量的24.8%,其中52.5%来自于半干旱和半湿润地区。其中,中国东部和印度地区的人为沙尘明显高于全球其他区域。印度地区年平均人为沙尘柱含量最高,而北美地区最小。中国东部地区以人类活动产生的沙尘气溶胶为主,人为沙尘贡献高达91.8%,非洲地区人为沙尘(56.8%)和自然沙尘贡献相当。本文对人为沙尘的识别将有助于我们进一步认识人为沙尘气溶胶的气候效应。

【关键词】：
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P412.2
【目录】：

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