基于频谱滤波理论和经典大气湍流 7 层模型, 通过地表层自适应光学 (GLAO) 系统的理论滤波器模型, 结合有限导星条件下的误差传递函数 (ETF), 探究了不同导星数量与不同导星排布情况下地表层自适应光学系统的性能。研究结果表明 6 颗导星呈中心 1 颗、其余 5 颗在视场边缘均匀环形分布时, 系统校正性能较优。该研究结果对正在研制的一米新真空太阳望远镜多层共轭自适应光学 (MCAO) 系统 (含有 GLAO 系统) 具有重要指导作用和参考价值。

利用北京国家基本气象站内多普勒测风激光雷达和 L 波段探空系统在 2020 年 1 月 1 日至 5 月 31 日期间进行了同步观测试验, 在经过观测数据时间和空间匹配的基础上, 以后者测风数据为参照标准, 从探测风廓线的高度、风向和风速三个方面的一致性分析了激光雷达的测风数据质量。结果显示: 在观测试验期间, 激光雷达 56.5% 的观测时间里最大探测高度不低于 2000 m, 2.9% 的观测时间最大探测高度不足 1000 m; 激光雷达探测获取的水平风向、风速与 L 波段探空系统具有较好的一致性, 针对匹配得到的 8491 组对比观测数据, 其风向和风速数据拟合总相关系数分别为 0.965 和 0.986; 总体风向、风速的平均偏差和均方根误差分别为 -1.3° 和 16.1°、0.21 m·s-1 和 1.06 m·s-1; 在 2000 m 以上高度, 由于激光雷达观测数据的信噪比偏弱, 获得可信的观测数据量减少, 会对风向、风速一致性比对造成不利影响。

为探究环渤海三大城市群空气污染特征及其与气象要素关系的异同, 基于 2015-2019 年空气质量指数日报资料及同期气象要素资料, 利用空间自相关模型和皮尔逊相关系数对其相关性进行了分析。研究表明: (1)对于 PM2.5、PM10 和 O3 这三大被研究的首要污染物, 在冬季主要以 PM2.5、PM10 为主, 夏季以 O3 为主。除 O3 外其余污染物浓度呈现下降趋势。(2) 空气质量指数 (AQI) 呈现秋季最低、冬季最高的变化特点, 年际上空气质量在逐步改善。(3) AQI 存在明显的空间集聚现象, 总体上由沿海向内陆逐渐由空气质量优良区变为空气污染区。(4) AQI、PM2.5、PM10 和 O3 在不同季节与各气象要素的相关性不同, 且相关性强度呈非线性变化。

在打破传统蒙特卡罗方法在光线跟踪计算时各个子过程连贯性的基础上, 发展了灵活的逆正向蒙特卡罗法, 进而利用该方法研究了介质的矢量辐射传输问题。通过建立一维梯度折射率半透明介质模型, 模拟了大气层折射率分布, 得到了考虑偏振时介质自身的 Stokes 矢量。研究结果表明, 梯度折射率介质不同表面的发射率存在一定的区别, 散射性介质在考虑偏振时表面发射率的结果与标量方法存在一定的差异。逆正向蒙特卡罗方法可用以解决矢量辐射传输这类复杂问题。

基于自主研发的气溶胶消光光谱仪, 在安徽省寿县观测站点进行了连续观测, 并对 2016 年 5 月至 12 月期间该地区的大气气溶胶光学特性开展了研究。结合不同大气因素分析了观测结果的时间序列变化及日变化规律, 对比了消光系数与 PM2.5 质量浓度、散射系数的相关性, 并探讨了风速风向对于寿县消光系数变化的影响。结果表明: 寿县地区大气消光系数时间序列变化与日变化特征明显, 且受到不同气象要素的影响。秋季和冬季的大气污染情况较为严重, 与其他季节相比, 污染天气的天数明显增多; 与清洁天气相比, 污染天气的消光系数和 PM2.5 质量浓度、散射系数显著增大。特别在冬季, 污染事件频繁。在 12 月份出现过重度污染天, 其 24 h PM2.5 平均浓度超过 150 μg·m-3, 且该月消光系数和 PM2.5 质量浓度、散射系数均达到观测期间月平均最大值。整个观测期间, 从日变化来看, 消光系数、PM2.5 质量浓度及散射系数均是白天波动较大, 午后出现最低值; 其中消光系数最大值出现于清晨 08:00 左右, 最小值则出现于下午 16:00 左右。此外, 消光光谱仪测得的气溶胶消光系数与 PM2.5 质量浓度和散射系数的相关系数分别为 0.91 和 0.83, 说明研制的消光光谱仪同其他仪器的测量结果具有很好的一致性。

基于被动傅里叶变换红外光谱仪设计开发了一种新的快速气体识别算法, 利用改进的动量梯度下降法对实测的亮温光谱进行快速的光谱拟合。该方法不需要预先测得背景光谱, 能直接从实测光谱中扣除大气气体和天空等背景的干扰, 在提取出污染气体成分以及浓度的同时, 能实时得到大气中主要气体的浓度程长积, 此方法适用于低空背景下弱信号的污染气体识别分析。

利用基于主成分分析 (PCA) 算法的径向基 (RBF) 神经网络对大气中 SO2 浓度进行滚动预测。以北京大兴地区 2019 年 9 月 1 日至 2020 年 10 月 31 日的气象数据和空气质量参数为基础, 结合逐步回归法筛选出与 SO2 线性相关的参数作为输入样本, 构建 PCA-RBF 预测模型。利用该模型预测北京大兴地区某天的 SO2 浓度, 将预测值保留并作为下一天预测模型的输入参数。以此将预测值不断地向前延伸并进行分析和预测, 从而实现 SO2 浓度的滚动预测。对比 RBF 网络和 PCA-RBF 网络两种模型的预测结果, 其中 PCA-RBF 模型期望值和预测值的误差及相关系数分别为 0.03 μg·m-3 和 0.9989。表明 PCA-RBF 网络模型能精准预测 SO2 浓度变化趋势, 为进一步解决大气污染问题提供技术支持。

为了解亚北极太平洋大气对海洋的长期影响, 利用 2003-2018 年 MODIS 卫星遥感数据, 对部分区域 (40° N～50° N, 160° E～160° W) 进行研究。将研究区域按照经度每 10° 划分为 4 个子域进行比较研究, 分析了各区域气溶胶光学厚度 (AOD) 和海洋净初级生产力 (NPP) 的变化特征及相关性。结果表明各区域 AOD 及 NPP 均具有年际周期性, AOD 于 7 月达到峰值, NPP 于 8、9 月达到峰值, 且二者均存在明显的自西向东递减趋势。根据时滞相关性分析发现, 各区域 AOD 均与滞后 1～2 个月的 NPP 有较强相关性, 自西向东四个研究子域的最高 Pearson 相关系数分别为 0.75、0.84、0.79、0.74。利用 7 月 AOD 峰值对气溶胶进行分类, 发现沙尘为影响该区域 NPP 的重要气溶胶类型。对各区域的海表温度 (SST) 和光合有效辐射 (PAR) 的研究发现, 二者均无明显的自西向东变化趋势, 较好地排除了这两种因素对 NPP 自西向东趋势的影响。

星载大气成分临边探测光谱仪在采集高度方向上光信息时需要借助反射镜的反射, 为满足光谱仪扫描需求, 设计了一款扫描摆镜驱动控制系统, 并在地面模拟验证了扫描方向上的光谱数据采集。设计的驱动控制系统基于 STM32 微控制器, 采用 DRV8833C 电机驱动电路和闭环数字 PID 调节器, 利用有限转角直流无刷力矩电机作为光谱仪摆镜控制系统的执行机构, 并使用 18 位单圈绝对值光电编码器作为位置传感器。进而搭建了摆镜控制系统和试验平台, 利用光电自准直仪对摆镜系统性能进行试验验证, 测试了系统的指向精度。结果显示平均指向精度小于 12.15'rime, 最大偏差小于 19.6'', 最小偏差小于 7.46'', 满足工程预研阶段的主要指标要求。