气候变化是当前世界上备受关注的人类赖以生存的地球可持续发展问题,而大气气溶胶对气候变化的影响的认知一直是世界上的科学难题。大气气溶胶 通过散射与吸收短波和长波辐射改变大气和地表的辐射收支,这称为直接气候效应。它还作为水云或冰晶凝结核影响云的形成与发展,带来间接气候 效应。大气气溶胶这些直接和间接气候效应的不确定性直接导致了目前对人为气候影响评估的不确定性。中国是全球大气气溶胶含量较高的区域之一, 目前各气候模式估计我国东部广大地区辐射强迫时的不确定程度比全球其他区域的平均值大一个数量级。因此掌握中国大气气溶胶的时空分布特征并了解它对气候变化 的影响对于提高全球气候变化评估的准确程度有重要科学意义。

大气气溶胶成分的改变对空气污染以及气候变化都有重要影响。遥感能在不破坏气溶胶自然状态的前提下探测气溶胶的成分特性。 基于OPAC(optical properties of aerosols and clouds)模型对黑碳(BC)、水溶成分(WASO)、不可溶成分(INSO)、沙尘(DUST)四种气溶胶成 分的微物理和光学特性的描述,利用太阳-天空辐射计获取的地基遥感观测,对2014年北京APEC会议前、会中、会后的气溶胶各成分含量及 其光学厚度进行定量反演研究。结果显示,APEC会前、会中、会后的光学厚度(440 nm)平均值分别是0.72、0.25、0.57,会中的气溶胶 光学厚度明显小于会前和会后,其中INSO成分的光学厚度贡献占主导地位。APEC会前BC、WASO、INSO、DUST质量浓度分别为0.8 μg/m3、 139.6 μg/m3、184.2 μg/m3、194.3 μg/m3,APEC会中四种成分质量浓度分别为1.1 μg/m3、56.4 μg/m3、 40.3 μg/m3、7.8 μg/m3, APEC会后质量浓度分别为1.0 μg/m3、126.6 μg/m3、157.1 μg/m3、 30.9 μg/m3,除了BC成分在会议期间无显著变化外,会中WASO、INSO、DUST成分的质量浓度数值明显低于会前和会后,这说明APEC会议 期间北京地区采取的保障措施对空气质量提升起到了较好的作用。利用AE-51黑碳仪对反演的BC质量浓度进行验证,发现遥感反 演的BC质量浓度与在位观测具有良好的一致性,相关系数R2=0.68。

AVHRR陆地气溶胶光学厚度(AOD)反演算法的开发对研究长时间气溶胶的变化规律有重要意义。通过建立AVHRR Level 1b的观测量与同时进行观 测的MODIS的AOD产品的对应关系,利用多元回归的数学算法进行AVHRR陆地AOD的反演。以2008～2011年两者的匹配数据作为回归样本获得多 元回归系数,再应用到2003～2007年中国陆地地区AVHRR的观测上得到了AOD的时空分布,结果表明其空间分布特征与MODIS一致。将反演结 果与同期的Aqua/MODIS 及AERONET的AOD对比分析得到, AVHRR和MODIS的AOD的变化趋势具有很好的一致性。北京、香河等AERONET的观测 值与AVHRR反演的AOD相关系数也在0.6以上。以上结果表明,此多元回归方法对历史AVHRR陆地AOD数据集的反演具有巨大潜力。

为了满足在区域尺度上大气气溶胶垂直分布的探测需求,在中国科学院重大科技基础设施项目“航空遥感系统”的资 助下,研制了机载双波长偏振激光雷达。介绍了该机载激光雷达的主要功能和性能参数,以及在华北地区开 展的飞行观测实验,取得的结果表明,该机载激光雷达性能稳定,其探测精度达到设计要求,可以为污染源的识别和 传输路径的探测提供高时空分辨率的数据,为认知大气气溶胶的微物理特性和分类提供了重要的机载遥感平台。

鉴于多角度偏振辐射数据可以有效提升大气气溶胶参数的反演精度,设计了多角度偏振探测航空实验及数据处理流程。将我国自主研制的多角度 偏振成像仪DPC搭载在航空平台上,同时在地面布设太阳辐射计CE318观测站点,设计航线串联地面观测站点,开展了航空飞行实验。对实验获 得的数据进行分析处理,结果表明,多角度偏振探测航空实验可获取高精度的偏振、辐射数据；使用该数据反演大气气溶胶光学厚度,反演误差 小于3%,初步验证了多角度偏振成像仪可为大气气溶胶多参数反演提供有效的数据。

航空大气多角度偏振辐射计(AMPR)可以获取多角度、多波段和偏振辐射观测数据,将AMPR装载于遥感飞机对京津唐地区(工业发达、人口集中)的气溶胶进行观测,经过 数据处理和反演,得到该地区的气溶胶光学厚度。反演过程中,以大气校正后的1640 nm波段观测数据作为下垫面的地表偏振信息,结合查找表的方法,综合利用多 角度光谱偏振辐射信息,反演得到气溶胶的光学厚度。反演结果与同步地基观测数据对比,结果表明AMPR具备观测典型区域大气气溶胶的能力。

视场角(field of view, FOV)是太阳辐射计的基础参数,也是太阳辐射计传递定标方法和室内积分球光源对比定标方法的关键参数,获取高精度的FOV是提高 此类定标方法精度的重要手段。基于矩阵扫描测量方法,针对CE318型太阳辐射计,研制了激光光源测量FOV系统,并将测量结果与传递定标法进行 了对比验证。结果表明:基于激光光源的矩阵扫描测量效果最好,不确定度为0.4%～1.1%;而基于太阳光源矩阵扫描测量受太阳运动的影响,因 此有一定的发散角,导致测量结果比激光光源测量结果小约1.3%～1.4%。此外,在太阳辐射计历史定标系数较多时,激光光源测量结果与传递定 标法计算的FOV结果一致性较好,说明传递定标法在历史数据多时也可以得到较精确的FOV结果。

激光雷达可以获取气溶胶的三维信息。在2010年中国辐射校正场(Chinese Radiometric Calibration Site, CRCS2010)试验中,利用一部米散射激光雷达获取了 敦煌辐射校正场区域15天的观测数据。利用经典的Fernald反演方法得到了这一区域的大气气溶胶消光系数垂直廓线并分析了其对辐射定标的影响。观测结 果表明敦煌地区在从近地面到2～4 km处存在着一层气溶胶浓度高值层。用于辐亮度辐射定标的飞机飞行高度需要大于此高度,以避开 气溶胶高浓度层的影响。并利用MODTRAN(MODerate resolution atmospheric TRANsmission)辐射模式中的气溶胶廓线与实测气溶胶廓线分别 进行辐射模拟,对于FY3/MERSI各可见-近红外通道都有不同程度的差异,其中蓝通道(<500 nm)有4%～5%的辐射差异。

太阳辐射计是全球AERONET站点最重要的观测设备,为获取全球气溶胶时空分布提供了大量的观测数据。研究一种直接溯源于低温绝对辐射计的 高精度定标方法,可以在实验室环境条件下获得太阳辐射计的直射通道和天空漫射通道的定标系数,详细介绍了太阳辐射计实验室定标原理、实验装置, 在太阳辐射计的主要工作波段扫描获得绝对光谱响应度定标曲线,并对测量结果进行了不确定度分析。结果表明,天空漫射通道的定标不确定度低于0.8%, 太阳直射通道的定标不确定度低于2.06%。

通道式偏振遥感器可获取目标光谱辐亮度、偏振度和偏振方位角等多维度信息,是目前最常用的偏振遥感探测的主要仪器类型之一。介绍了通道 式偏振遥感器偏振定标的原理,根据矩阵光学理论和辐射度学理论,构建新的Stokes矩阵,从光谱维建立完善的偏振定标模型,分析了需要定标反 演的参数,并给出了相应的定标方法,可为类似的通道式偏振遥感器的偏振定标工作提供参考。

偏振探测系统定标对于大气探测有着重要意义,是基于偏振探测的大气参数高精度反演的必要基础。中科院安徽光机所研制了星载大气同 步校正仪的航空样机,它是一种多光谱偏振探测设备。利用该仪器可获取多光谱偏振信息,从而反演出与遥感成像时空同步的大气参数,实现 大气校正。该仪器的定标处理对于准确获取大气参数至关重要。针对大气校正仪多通道偏振探测的特点,设计了定标方案。通过光谱定标、辐射 定标和偏振定标,获取探测系统的Muller矩阵,建立仪器各通道探测值DN与斯托克斯参量间的联系,从而为系统的实际应用提供重要基础。