童洁 肖岚 肖诗尧 黄卓禹
娄底市气象局 湖南省娄底市 417000
摘要：大气气溶胶的光学特性大多是通过遥感技术获得，从全球范围来看，近年来，关于收集气溶胶特性资料的卫星数量不断增加，相应的关于大气气溶胶对于气候和环境的研究也在不断加深。基于卫星遥感技术的大气气溶胶对于气候和环境的影响较为深远，同时也对今后全球的气候治理和环境治理提供参考性材料[1]。本文主要从大气气溶胶的卫星遥感技术入手，探讨其在环境和气候研究中的相关作用，文章分为两部分，第一部分论述当前大气气溶胶卫星遥感技术的发展状况；第二部分论述大气气溶胶卫星遥感在环境和气候研究中的实际运用情况。
关键词：大气气溶胶；卫星遥感技术；气候研究；环境研究
大气气溶胶是悬浮在空气中液态或固态微粒的集合体，能够参与地球中的各类化学循环，也是地球中大气不可缺少的一部分，常见的烟、霾、雾等都属于大气气溶胶。从大气气溶胶的影响来看，因其存在于大气中，会对太阳辐射、大气能见度、大气温度等都产生直接的影响，而后会对地球的气候和环境产生间接的影响。伴随着卫星技术的不断进步，卫星遥感技术逐渐可以勘探出更多大气气溶胶的光学特性，对于大气气溶胶的研究也逐渐深入，开始进入到对气候和环境的具体应用中[2]。
一、当前大气气溶胶的卫星遥感技术的发展状况
大气气溶胶主要通过三种机制与方式影响地球气候，主要包括，首先通过吸收与放射长波与短波的辐射对地球的气候产生直接的影响，不同的波长会引发不同的气候，而大气气溶胶会改变大气系统中的辐射能量收支，从而影响气候；其次是通过与云的相互互动与共同作用改变云的性质，造成天气或气候的变化；最后是气溶胶中的粒子会对大气化学过程产生间接的影响，改变温室气体中的结构组成部分，甚至会对空气质量以及人类的呼吸系统产生明显的作用[3]。大气气溶胶的卫星遥感种类分为被动遥感传感器反演、静止卫星平台传感器和星载激光雷达气溶胶遥感。被动遥感传感器反演气溶胶是依托于极轨卫星平台，主要是通过多角度观测、紫外波段及下垫面遥感或多通道跨轨扫描进行观测，使用被动传感器反演气溶胶能够通过卫星开展气溶胶特性的全球性分布。静止卫星平台传感器气溶光学特性遥感的分辨率更高，能够使用气溶胶反演算法获得地表反射率的信息，建立辐射传输模式并结合LUT。但此种方式存在不确定性，已被修正的多角度大气订正算法目前被广泛地应用在GOES上，能够实现气溶胶光学特性。最后是星载激光雷达气溶胶遥感，其最大优势在于能够将气溶胶进行分类，包括陆地洁净、沙土型、陆地污染、洁净海洋型和烟尘气溶胶[4]。但在具体的应用过程中因此种遥感技术信息的获取通常是依靠激光雷达的经验，因此在准确性可能会略逊于前两者。星载激光雷达气溶胶能够获得重要的垂直廓线信息，以此检测全球范围内的自然源和人为源气溶胶，还能够通过三维的时空分布情况展现气溶胶的物理特征，可以为地球辐射的收支提供技术上的支撑。另外星载激光雷达气溶胶遥感技术还能够展示云上存在气溶胶，这也是星载激光雷达气溶胶遥感技术的最大优势[5]。
二、大气气溶胶的卫星遥感在气候和环境研究中的实际运用情况
近年来，随着大气气溶胶卫星遥感技术的蓬勃发展，相关气候研究与环境研究也如雨后春笋搬涌现出现，具体研究包括估算气溶胶的辐射效应、针对不同区域的气溶胶直接辐射的估算、气溶胶对于环境的间接影响、沙尘监测与预警、大气污染物分类等。例如在我国气候条件较为恶劣的西北地区将会开展冰水路径、冰云粒子、云光学厚度等，这些环境问题的研究需要从区域间的气候条件进行考虑。另外利用星载激光雷达气溶胶遥感技术进行观测可以围绕沙尘污染传输过程对后向散射系数、色比和退偏比进行分析以此正式星载激光雷达气溶胶遥感技术对于沙尘天气的有效监测，具体监测内容包括沙尘粒子大小、气溶胶的不规则性以及垂直分布特征。另外还可以通过地面PM2.5与PODER系列卫星传感器的联系建立气溶胶光学厚度信息线性关系以此实现使用气溶胶光学厚度信息对该区域的空气质量等级进行评估，保证信息的即时性，了解到PM2.5浓度的变化[6]。
除去常规的应用外，大气气溶胶卫星遥感技术还能够在颗粒物的监测中发挥较大的作用。此项研究可以结合气溶胶的反演算法计算出相关的治疗和研究成果，利用气溶胶季节和湿度数据与资料对气溶胶光学厚度进行修改，并根据环境变化进行不断校正，而后使用气溶胶消光系数和颗粒物的监测数据，设立回归性数据方程，展现与反演PM10的浓度与空间分布，另外还需要根据地面的具体数据观测最终的加过。在气溶胶光学厚度的反演过程中，关于植被的研究较为复杂且密集，可以通过暗像元法对地表反射的贡献率进行数据处理，再根据大气水平，订正垂直湿度，建设相应的模型与研究[7]。
卫星遥感还可以在沙尘气溶胶的观测中发挥积极的作用，通过星载激光雷达气溶胶遥感技术并结合夜间对云产品数据的夜间观测数据，删除与研究不相关的气溶胶层，以此选取沙漠沙尘与污染沙尘，对于沙尘挑起中的发生频率、消光系数廓线或沙尘气溶胶光学厚度分布与退偏振比扩线都能够有清楚的认知。鉴于此，能够发现沙尘光学厚度最大值出现在春季，而沙尘光学厚度最小值出现在秋季。
此外，对于城市的环境保护来说，卫星遥感还能够对植被覆盖率以及森林面积的监测产生一定的作用。卫星遥感能够对地实现宏观、实时以及动态的观测，同时通过对所获取的信息进行分析，也能够对区域生态环境进行全方位且精确的评价，以此可以解决数据采集与评价结果缺乏可比性的矛盾。卫星遥感技术能够对生态气象业务进行服务，利用高时空分辨率多元卫星遥感数据对城市的植被覆盖率、森林面积覆盖率、水库湿地的变化趋势进行监测。从而提升城市生态环境监测的精确性与客观程度，为今后生态环境的保护提供更加准确的数据支撑，以此加大城市生态承载力，为全人类造福。在城市的植被覆盖率上大致可以提现城市的绿化程度，利用卫星遥感技术以及计算植被覆盖率的公式可以较为准确地了解到城市植物垂直投影面积与该城市的总面积之比即城市植被覆盖率。
结语：
目前，国内外已有较多卫星能够对气溶胶的特性及其分布进行监测，同时还能够对气溶胶吸收特性进行一定的研究，但受限于技术模型，气溶胶辐射强迫的认知水平仍旧处于较低的标准，主要原因在于气溶胶卫星遥感反演还存在诸多的问题，为此在后续的卫星遥感气溶胶特性研究中还需要注意对地面监测网络进行加强，添加海洋上空气溶胶的自动监测以及流动监测以便对气溶胶的特性进行全面地监测，发挥多平台的优势，对气溶胶的模型进行不断的优化与完善，从而提升数值的精确性。综上所述，大气气溶胶卫星遥感技术能够为环境研究和气候研究提供技术支撑，同时除去常规的应用外，被动传感器繁衍气溶胶光学特性、星载激光雷达气溶胶遥感以及静止卫星平台传感器气溶胶光学特性遥感技术能够拓宽其应用面，以便更好地服务环境与气候研究。
参考文献：
[1]高星星,桂海林,潘留杰,王楠,王建鹏.基于卫星遥感和地面观测资料的汾渭平原一次空气污染过程分析[J].沙漠与绿洲气象,2021,15(01):75-83.
[2]毛前军,张恒星,黄春林,陈奇祥,袁远.基于卫星遥感气溶胶产品评估体系的气溶胶时空分布及变化趋势表征[J].环境科学学报,2020,40(09):3131-3145.
[3]高星星,桂海林,潘留杰,王楠,王建鹏.基于卫星遥感和地面观测资料的汾渭平原空气污染分析[J].气象与环境学报,2020,36(04):36-44.
[4]胡斯勒图,施建成,李明,王天星,尚华哲,雷永荟,姬大彬,闻建光,阳坤,陈良富.基于卫星数据的地表下行短波辐射估算:方法、进展及问题[J].中国科学:地球科学,2020,50(07):887-902.
[5]陈辉,厉青,王中挺,马鹏飞,张玉环,刘思含,赵爱梅.利用高分五号卫星遥感反演近地面细颗粒物浓度方法[J].上海航天,2019,36(S2):181-186.
[6]陈斐楠,黄禅,洪津,骆冬根,孙亮,孙晓兵,韦玮.大气气溶胶多角度偏振探测仪在轨辐射精度与真实性验证研究[J].上海航天,2019,36(S2):126-136+172.
[7]杨久春,李正强,陈兴峰,李保生,侯伟真,赵少帅,葛邦宇,马?,张洋.基于高时空分辨率卫星数据的气溶胶光学厚度反演系统[J].大气与环境光学学报,2018,13(02):112-120.