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气溶胶光学厚度（AOD）是表征气溶胶含量及大气污染程度的关键因素。利用CALIPSO卫星level 2气溶胶廓线产品，分析2009年至2018年全球范围典型区域内AOD的时空变化特征及其变化趋势。结果表明：全球范围的AOD表现出一定的时空差异性。在空间尺度上，AOD高值中心主要分布在印度、沙特阿拉伯等地区；在时间尺度上，也存在明显的季节差异性。印度、沙特阿拉伯及中国北方等典型地区在MAM和DJF时期达到AOD峰值，巴西则在JJA时期达到AOD峰值。每个典型地区也存在显著的AOD趋势差异，印度地区AOD上升趋势最强。

利用CALIPSO卫星提供的2级气溶胶产品，通过统计分析多个气溶胶光学特性参数（气溶胶光学厚度，粒子退偏振比，色比），研究2009-2018年全球范围典型区域内气溶胶光学特性的空间分布特性及其季节属性。研究结果表明，各典型区域AOD年均值均呈现下降的趋势，沙特阿拉伯地区和印度地区AOD月均值呈单峰型,在6-7月达到峰值。中国和非洲中部地区AOD月均值变化变现为双峰型，最值出现在4-6月和12-1月；各个区域的PDR和CR的区域差异性和季节差异性表现为巴西地区颗粒物不规则程度最大，PDR值在0.5-0.7之间，中国、印度和印度尼西亚等地则主要以细模态粒子为主，CR值变化范围为0.1-0.2。在DJF和MAM时期各区域气溶胶退偏振比差异最大，以沙特地区的气溶胶颗粒物非球形趋势最强，在JJA和SON时期沙特和非洲中部地区的粒子粒径最大，CR值变化范围在0.756-0.829; 同时典型地区气溶胶粒子非规则程度均表现为增强的趋势，以中国和巴西地区则增强趋势最明显，趋势系数变化范围为0.01-0.025，粒子粒径则表现为弱下降趋势，其中沙特阿拉伯和非洲中部地区呈现弱上升的趋势。这为评估气溶胶的污染程度和研究长时间序列气溶胶的空间分布特征提供了更为普遍的规律。

通过匹配星载CALIOP过境合肥时间,筛选Aerosol-lidar的观测数据,选取4个典型天气个例[沙尘天气、多云天气、中度污染(无云)、中度污染(有云)],对合肥地区的气溶胶进行联合观测,并对气溶胶的类型、气溶胶的变化、气溶胶污染的成因及来源进行分析。结果表明,多云天气下,星载激光雷达对底层气溶胶探测时会受到天气的影响,而地基激光雷达的探测效果较佳,可以通过定点连续观测距离的校正信号准确地反映气溶胶含量和变化特点。星-地激光雷达的联合观测可以更好地分析多种复杂天气的气溶胶变化。联合观测结果表明:轻度污染的沙尘型和受污染的浮尘型气溶胶主要集中在0.8~1.6km高度范围内,退偏振比集中在0.18~0.20之间;多云天气的气溶胶主要为污染大陆型,集中在0.4~1.2km高度范围内,其退偏振比在0.015~0.020之间,气溶胶含量很少且为具有球形粒子属性的细颗粒物;中度污染(无云)天气的气溶胶同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.3~1.3km高度范围内,退偏振比在0.08以下,具有明显的球形粒子属性;中度污染(有云)天气的气溶胶也同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.8~1.4km高度范围内,退偏振比在0.075~0.100范围内,为粒径较小的球形粒子。

根据相干测风激光雷达实际探测光路的传输过程和大气分层理论,建立了相干测风激光雷达的全流程系统仿真模型。基于现有系统参数,分别在常风速模型和美国宇航局(NASA)阵风模型下仿真模拟了高脉冲能量-低脉冲重复率(HPE-LPRF)和低脉冲能量-高脉冲重复率(LPE-HPRF)两种系统的探测过程。通过对比反演风速值的均方误差,分析两种系统的探测性能。仿真结果表明:仿真模型给出的系统信噪比与理论值一致;信号的非相干累加平均处理提高了风速测量精度;非相干累加时间为0.1 s时,在常风速模型和NASA阵风模型下,LPE-HPRF探测系统风速的均方误差分别为0.75 m/s和1.03 m/s,均优于HPE-LPRF探测系统(0.93 m/s和1.25 m/s)。

为了解决现有陆地气溶胶光学厚度(AOD)反演算法精度和空间分辨率较低的问题,基于深度学习的思想,使用深度置信神经网络(DBN),实现了具有30 m空间分辨率的陆地气溶胶光学厚度反演。算法的训练样本包括全球长时间序列的AERONET站点数据以及在时空上与之对应的Landsat8 OLI的观测几何数据和表观反射率数据。为了保证反演的精度和稳定性,研究了AERONET站点数据的处理方法、卫星与站点数据的时空匹配方法以及DBN结构的设置。使用独立于训练样本的AERONET站点数据,对不同地表类型的550 nm处的AOD估算结果进行了整体验证,并对研究区域进行小尺度精度验证。结果表明,该方法的均方根误差和平均绝对误差分别为0.11与0.072。该方法打破了现有的气溶胶光学厚度反演方法依赖于其他遥感产品或者其他时相数据的局面,有效提高了气溶胶光学厚度反演的效率和空间分辨率。

基于单颗粒气溶胶吸湿增长模型,分别建立了亲水性和亲疏水性双颗粒凝聚气溶胶的吸湿增长模型,并利用离散偶极子近似方法计算了不同相对湿度时两种凝聚粒子的散射特性。结果表明: 在40%~90%湿度范围内,亲水性双颗粒凝聚气溶胶 [以氯化钠(NaCl)-硝酸钠(NaNO3)颗粒为例]的散射系数存在两次跃变,而散射系数跃变的位置和增幅与NaCl-NaNO3颗粒的体积比密切相关;二次潮解后,不同体积比的亲水性凝聚粒子的散射系数随相对湿度的增加均呈现出指数增长趋势,且NaNO3的体积分数越大,散射系数增长幅度越大。对于不同体积比的亲疏水性双颗粒凝聚粒子 (以NaCl-烟尘颗粒为例),散射系数随相对湿度的增加均呈现指数增长,NaCl的体积比越大,散射系数增长越快,而潮解后亲疏水性粒子的相对位置关系对凝聚粒子散射系数的影响较小。上述结果可为进一步研究多颗粒凝聚气溶胶的吸湿散射特性提供可靠的理论基础。

为了研究黑碳气溶胶对星地量子通信性能及传输质量的影响，本文根据黑碳气溶胶的复折射率及米氏散射理论得到其消光效率因子，分析了黑碳气溶胶粒子数浓度对量子通信链路衰减、信道容量、信道生存函数以及信道误码率的影响并进行了仿真实验。结果表明，传输距离为2km，黑碳气溶胶粒子浓度由1.2 107 m-3增加至3.6 107 m-3时，链路衰减由0.5079dB增加至1.524dB，误码率由0.006增加至0.0101，幅值阻尼信道与退极化信道的信道容量、信道生存函数也呈现出不同程度的衰减，而幅值阻尼信道的衰减更加明显。因此，黑碳气溶胶对星地量子通信链路性能有显著影响。为了保证量子通信顺利进行，提高传输系统可靠性，应适当调整相关策略及参数以减小黑碳气溶胶对量子通信链路产生的影响。

分别以干燥环境下的平均单位质量气溶胶消光系数和湿环境下烘干气溶胶的散射消光系数为基准,提出了与之对应的两种气溶胶消光吸湿增长因子f1(RH)和f2(RH)。基于成都市2017年10—12月浊度仪和黑碳仪的逐时观测资料以及该时段同时次的环境气象监测数据(大气能见度、相对湿度以及NO2和PM10的质量浓度),针对上述两种气溶胶消光吸湿增长因子进行了系统的对比分析。主要结论如下:1)f1(RH)和f2(RH)均能表征气溶胶吸湿性的光学效应,二者的判决系数为0.90(通过了α=0.01的显著性检验);2)多模型的比对结果表明,二次多项式函数较好地拟合了f1(RH)和f2(RH)随相对湿度的变化特征;3)f1(RH)和f2(RH)的均值之比随相对湿度的增加而增大。进一步研究指出,烘干气溶胶的散射消光系数对相对湿度变化的显著响应关系是导致f1(RH)和f2(RH)非一致性演化的根本原因。

利用PARASOL卫星搭载的多角度偏振地球反射率探测仪-3(POLDER-3)的偏振数据,反演了香河地区细粒子气溶胶光学厚度。反演数据与POLDER、MODIS业务化产品及AERONET数据进行对比分析,POLDER的细粒子气溶胶光学厚度反演效果显著优于MODIS产品,相关系数由0.67升至0.93,平均误差由0.32降至0.15。将POLDER偏振数据与神经元网络方法相结合,相关系数升至0.94,平均误差降为0.11。将该神经网络(NN)训练模型应用于杭州和香港地区进行验证,在杭州地区反演精度相似,在香港地区适用性较差。研究表明,利用POLDER偏振数据结合神经网络方法来提取细粒子气溶胶信息是可行的。

京津冀地区的大气颗粒物污染非常严重,对气候环境和人类健康产生直接影响。为了使用遥感技术对京津冀地区的颗粒物污染进行快速、准确的评价,验证了NASA近期发布的全球1 km分辨率的MCD19A2气溶胶光学厚度(AOD)产品在京津冀地区的精度,明确了卫星产品在该区域应用的可靠性,并分析了AOD产品与空气质量指数(AQI)的相关性,探讨其对空气污染的指示作用。获取2014~2018年京津冀地区的MCD19A2 AOD空间分布数据,以及同步的AERONET实测数据,对两类数据进行了时空转化等处理,以实现数据间的精确匹配。验证结果表明,MCD19A2产品在该区域达到较高的精度及稳定性,相关系数、均方根误差、平均绝对误差和期望误差范围分别为0.9504、0.1243、0.0863和82.26%。基于不同尺度AOD结果,与AQI数据进行相关性分析,二者具有较高的相关性,表明MCD19A2数据对空气污染状况具有直接的指示作用。该研究可为气溶胶特性研究、空气质量监测等方面的工作提供一定的参考。