主被动遥感在黑碳气溶胶反演与排放校验中的方法研究
批准号:
42071409
项目类别:
面上项目
资助金额:
55.0 万元
负责人:
李莘莘
依托单位:
学科分类:
遥感科学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李莘莘
中文摘要
黑碳气溶胶对气候变化、生态环境和公共健康都有显著影响。但主被动遥感在黑碳光学特性的反演过程中,还存在数据覆盖率低、气溶胶模式固化、缺乏先验知识约束等缺点。本项目首先采用葵花8号静止卫星数据,借鉴MISR多角度思想来构建经验正交函数模拟太阳天顶角的变化,通过求解GEOS-Chem格网尺度的动态气溶胶模式,对黑碳气溶胶光学厚度进行反演。其次,基于地基、卫星和大气化学模式等先验知识,对CALIOP激光雷达的气溶胶分类算法进行分析。重点解决GEOS-Chem与CALIOP气溶胶类型转换、识别阈值评估和尺度融合等问题,进而得到高精度、高覆盖率的黑碳垂直廓线。最后,开展基于“自上而下”遥感观测约束的黑碳排放清单多维校验研究。通过构建比例因子和情景假设法验证黑碳排放与浓度之间的响应关系。在此基础上,通过模式模拟并和观测数据比对,评估伴随模式等不同方法、以及不同遥感产品在黑碳排放校验中的适用性及误差。
英文摘要
Black carbon aerosols have significant effects on climate change, ecological environment and public health. However, when using the active and passive remote sensing technology to retrieve the optical properties of black carbon, there are large limitations such as the low data coverage, the static aerosol model and the lack of prior knowledge constraints. This approach will first refer MISR multi-angle thought into Himawari-8 geostationary satellite data by constructing an empirical orthogonal function to simulate the variation of solar zenith angle. Then the black carbon optical depth will be retrieved by solving the dynamic aerosol model from grid-scale GEOS-Chem simulations. Second, the CALIOP aerosol classification algorithm will be evaluated based on the prior knowledge of the ground-based and satellite-based observations and the atmospheric chemistry model simulations. To derive the high precision and coverage black carbon vertical profiles, we will focus on the aerosol type’s detection threshold settings in CALIOP, the transformation of aerosol model and the scale fusion problems between GEOS-Chem and CALIOP data. Finally, we plan to conduct studies on the multi-dimensional verification technology of black carbon emission inventory by using the top-down remote sensing constraints. The relationship between black carbon emissions and concentrations will be explored by constructing a scale factor method and a scenario hypothesis algorithm. On this basis, the applicability and errors of different approaches (e.g. our methods and GEOS-Chem adjoint model) and satellite products in black carbon emission verification will be evaluated by comparing GEOS-Chem simulations with observation datasets.
卫星遥感在黑碳气溶胶监测和排放反演方面能够发挥重要作用,但目前卫星遥感的研究应用还受地基黑碳观测网络不成体系且不共享、卫星探测信号难以有效区分气溶胶成份、星载探测黑碳廓线尚未与模式数据融合、机器学习算法在黑碳近地面浓度和排放反演应用较少、黑碳排放清单缺少多维校核和时空分布特征评价等一系列问题影响。本项目围绕黑碳气溶胶的地基资料整理、多源数据融合、卫星遥感估算、排放清单计算、时空特征分析等开展了系列研究,主要成果如下:首先,系统整理了1998-2022年间国内外文献中涉及的中国地基黑碳观测资料,共获得2000多个站点月尺度的黑碳观测值,覆盖全国各个省份,并针对不同来源数据制定了严格的清洗和筛选策略。统计显示京津冀、长三角、珠三角、东北和成渝地区的地基数据较为丰富、平均浓度较高、变化趋势呈现一定差异。其次,对比了CALIPSO和GEOS-Chem的气溶胶成份廓线差异。GEOS-Chem的烟尘型气溶胶占比低于CALIPSO约2-4倍,可能与排放清单未能有效反映中国东部小型秸秆燃烧有关。同时,项目致力于开发面向葵花静止卫星的全天候全域覆盖的AOD无缝插补技术,以及实时的近地面PM2.5估算技术,以更好的支撑黑碳等颗粒物质量浓度监测的业务需求。再次,项目分析了黑碳气溶胶相关的大气污染成分和气象参数等敏感性因素,设计了七种不同的输入参数排列组合,并构建了四种主流机器学习模型。验证发现排除PM2.5的全参数组合效果最佳,XGBoost模型表现最为出色,与地基观测相关系数达R2到0.76。项目生产了2013-2022年月尺度、10公里分辨率的近地面黑碳浓度产品,并对其时空分布特征进行了解析。结果显示中国东部地区如华北、华东黑碳浓度较高,西部如新疆、西藏浓度则较低。时间趋势上高浓度区面积逐年缩小,但下降存在阶段性特点。最后,项目构建了基于多源数据、AI模型、传输模式等支撑的黑碳排放反演和清单校核技术体系,计算了自上而下的黑碳排放清单,并与MEIC数据在全国和华北平原等不同区域开展多维度的对比和时空分布特征分析。
卫星遥感在大气细颗粒物组份探测与暴露评价中的应用研究
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批准号:91543128
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项目类别:重大研究计划
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资助金额:74.0万元
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批准年份:2015
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负责人:李莘莘
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依托单位:
基于多角度遥感和大气模式数据的气溶胶组份反演算法研究
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批准号:41471367
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项目类别:面上项目
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资助金额:81.0万元
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批准年份:2014
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负责人:李莘莘
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依托单位:
基于遥感与大气模式数据的霾光学厚度反演算法研究
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批准号:41101400
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:23.0万元
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批准年份:2011
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负责人:李莘莘
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依托单位:
国内基金
海外基金