中国遥感卫星辐射校正场气溶胶光学特性观测研究

胡秀清, 张玉香, 张广顺, 黄意玢, 王永宽

胡秀清, 张玉香, 张广顺, 黄意玢, 王永宽. 中国遥感卫星辐射校正场气溶胶光学特性观测研究[J]. 应用气象学报 , 2001, 12(3): 257-266.
引用本文: 胡秀清, 张玉香, 张广顺, 黄意玢, 王永宽. 中国遥感卫星辐射校正场气溶胶光学特性观测研究[J]. 应用气象学报 , 2001, 12(3): 257-266.
Hu Xiuqing, Zhang Yuxiang, Zhang Guangshun, et al. Measurements and study of aerosol optical characteristics in China radiometric calibration sites. J Appl Meteor Sci, 2001, 12(3): 257-266. .
Citation: Hu Xiuqing, Zhang Yuxiang, Zhang Guangshun, et al. Measurements and study of aerosol optical characteristics in China radiometric calibration sites. J Appl Meteor Sci, 2001, 12(3): 257-266. .

中国遥感卫星辐射校正场气溶胶光学特性观测研究

资助项目: 本文得到重点卫星应用项目“中国遥感卫星辐射校正场”资助

MEASUREMENTS AND STUDY OF AEROSOL OPTICAL CHARACTERISTICS IN CHINA RADIOMETRIC CALIBRATION SITES

  • 摘要: 1999年6月28日~7月19日在敦煌场, 7月25日~7月31日在青海湖水面场进行了一次大规模综合野外测量试验, 其中采用3台先进的法国CIMEL太阳辐射计对两个场地大气光学特性进行了系统全面测量, 获得大量晴空天气条件下的大气光学数据。利用Langley法处理气溶胶通道数据得到气溶胶光学厚度及其光谱变化。测量结果显示550 nm波长平均气溶胶光学厚度分别为0.12、0.18, 由气溶胶光学厚度的波长变化得到气溶胶Junge参数分别为2.6、3.0, 并与几种典型气溶胶类型比较。结果表明两地在晴空天气里, 气溶胶含量较小, 符合遥感卫星传感器辐射定标的大气条件。
    Abstract: A field measurement campaign was conducted in Dunhuang and Qinghai Lake sites in July 1999. Three CIMEL sun-photometers were used to measure the optical characteristics of the atmosphere at the two sites, and a great deal of data about atmospheric optical characteristics in the clear condition were obtained. Data from aerosol-bands of sun-photometers are used, by means of the Langley method, to determine aerosol spectral optical depths. The results show that the aerosol optical depth (AOD) at 550 nm at the two sites is 0.125 and 0.18 respectively. ν (Junge aerosol size distribution parameter) derived from spectral variation of AOD is 2.6 and 3.0 respectively. These values are compared with several typical aerosol models. All results show that the aerosol concentration at the two sites is small and suitable for in-flight calibration for remote sensing satellite sensors.
  • 北太平洋 (10°S~50°N, 120°E~80°W) 海表温度取自5°×5°的格点报 (共286个格点)。资料年限为1960年12月~1998年5月共38年, 并取12月至翌年2月为前期海温 (相当于ENSO的成熟位相)、3~5月为同期 (相当于ENSO的峰值位相) 为左场, 西北84个站1961~1998年3~5月 (春季) 降水场为右场, 其中中国西北春季降水的分区采用REOF的结果, 共分为6个敏感区:高原东北区、青海高原区、天山 (新疆北部) 区、河西西部区, 南疆区、沙漠盆地区。

    (1) 同期关系  利用北太平洋春季 (3~5月) 海温与同期 (3~5月) 西北降水计算奇异向量方差占总方差的百分率, 累积方差百分率和相关系数 (表略), 结果发现, 前3对奇异向量解释了总方差的64%, 每对奇异向量间的相关系数均通过α=0.001 (rα=0.001≈0.5013) 的显著性检验和Monte Carlo法检验。因此, 我们认为前3对空间分布型是主要特征。

    第1对奇异向量的空间分布型的左场 (太平洋海温, 图略) 表明:西风漂流区和日界线附近为大片负值, 负值中心在夏威夷岛附近; 在赤道两侧的Nino3区为正值, 伸向加利福尼亚沿岸的加利福尼亚海流区, 中心值为0.48。这与Rasmusson等给出的El Nino生命史中SST距平合成图中的峰值位相相似。与之对应的右场, 西北地区范围内均为负值, 中心位于河西走廊, 中心值在-0.4以上, 通过α=0.01的显著性检验 (rα=0.01≈0.4032)。也就是说, 当西风漂流区、北太平洋海流温度偏低, 而赤道中东部的Nino3区海温偏高, 即ENSO发展到峰值位相时, 同期西北地区的河西走廊区、陇东、陇南地区降水偏少。第2对奇异向量的空间分布型是, 如果黑潮区海温偏低, 而北太平洋中部海温高, 西风漂流区海温较高时, 西北地区的新疆北部 (天山以北) 区和河西走廊区降水偏多。第3对奇异向量的空间分布型解释了总方差的7.4%, 相关系数为0.66。即如果黑潮区海温低、北赤道回流海温高, Nino3区海温低时, 西北地区的沙漠盆地区、河西走廊区、青海高原降水偏少。

    (2) 前后期关系  太平洋海温12月至翌年2月与西北春季降水的奇异向量的方差的百分率, 累积百分率与相关系数 (表略) 表明前3对向量拟合了总方差的67.5%, 对应的奇异向量之间的相关系数均通过α=0.001的显著性检验及Monte Carlo检验。

    在12月至翌年2月海温与西北3~5月降水的第1对空间向量分布型上。在左场上 (图略), 赤道两侧的Nino3区和Nino4区的东部为正值区, 而在西风漂流区、加利福尼亚海流区等区呈负值, 中心值大于-0.6。这种分布类似于Rasmusson等 (1982) 给出的合成位相中的El Nino成熟位相图。对应于右场, 西北地区均降水场为正值, 但主要的大值区在高原东北侧, 中心值大于0.45。也即如El Nino发展到成热位相时, 西北地区次年3~5月的降水偏多。第2对奇异向量解释了总方差的13.5%, 型偶的相关系数为0.66。当黑潮区海温增高, 太平洋中部、加利福尼亚海流区海温较低, 则西北的天山以北的地区降水偏多。第3对型偶的特征和意义为, 当太平洋海温呈东低西高时, 青海高原区降水偏多。

    上述结果表明, 当太平洋赤道附近的海温呈现出一定的形态时, 黑潮区和西风漂流区的海温也是与西北春季降水相关比较好的区域。我们对El Nino年与非El Nino年之间的西北地区用REOF分区得到的时间系数 (RPC) 进行显著性检验。

    (1) t检验  1961~1990年间发生的El Nino事件的年份为: 1963、1965、1968、1969、1972、1976、1982、1983、1986~1987、1988~1989、1991~1992、1993、1994、1995、1998。为了检验El Nino年和非El Nino年西北3~5月份降水差异的显著性, 我们计算了西北春季 (3~5月) 降水在El Nino年与非El Nino年的t检验值。结果表明, 沙漠盆地、河西走廊及新疆北部对El Nino有较强的响应。表征沙漠盆地型的RPC在El Nino与非El Nino年的差异也非常显著。同样的方法计算了El Nino年与次年的西北3~5月降水差异的t检验值。结果表明, 西北地区除新疆南部外, 其余各地的t值均通过α=0.10的检验, 尤其沙漠盆地区的差异尤为显著, 通过α=0.01的显著性检验 (表略)。

    (2) 黑潮、西风漂流区对西北降水的指示意义  黑潮区和西风漂流区的定义范围为20°~30°N, 120°~150°E和35°~45°N, 170°E~175°W, 对比上述两个地区的海温距平的年际变化曲线及2阶趋势曲线和新疆北部及高原东北侧3~5月的降水的RPC年际变化及2阶变化趋势 (图略) 结果发现, 新疆北部的降水与黑潮区的海温呈反相变化, 而与高原东北侧的降水变化基本一致。

    (1) 北太平洋海温异常与西北春季 (3~5月) 的降水有较好的相关。当12月至翌年2月太平洋海温呈El Nino型时, 西北地区降水偏多; 而3~5月的北太平洋海温呈El Nino型时, 西北广大地区降水偏少。如果当北太平洋海温12月至翌年2月呈La Nina型时, 西北地区的青海高原区3~5月降水偏多。

    (2) 除Nino3和Nino4区外, 太平洋海温的西风漂流区、黑潮区、加利福尼亚海流区和北赤道海流区的海温以及以上述地区海温的相对变化与西北地区3~5月的降水耦合特别明显。其中黑潮区的海温与新疆北部的降水呈反相变化, 而与高原东北侧的降水近似同相变化。即如果黑潮区的海温低, 新疆北部降水偏多。

    (3) 西北地区3~5月份的降水对太平洋海温变化的响应区, 主要是新疆北部, 青海高原及其东北侧, 河西走廊等地。

    致谢: 该项测量试验工作在邱康睦和方宗义同志的精心组织和指导下完成, 敦煌气象局的王钟林同志自始至终参加了观测工作, 参加观测的还有陈秀莲、王维和、王萍等同志, 另外本工作还得到敦煌和西宁气象局许多同志后勤支持在此一并表示感谢。
  • 图  1   CE318自动跟踪扫描太阳辐射计主体部分

    图  2   1999年7月7日在敦煌测得各通道Langley曲线

    图  3   敦煌 (DH) 和青海湖 (QL) 1999年7月不同日期气溶胶光学厚度随时间变化

    图  4   敦煌和青海湖气溶胶光学厚度随波长的变化

    图  5   敦煌1999年7月气溶胶光学厚度日际变化

    图  6   青海湖1999年7月气溶胶光学厚度日际变化

    (A为上午, P为下午)

    表  1   CE317手动太阳辐射计和CE318自动跟踪扫描太阳辐射计光谱通道

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    表  2   敦煌、青海湖1999年7月太阳辐射计观测期间大气状况

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    表  3   敦煌1999年7月用CE317太阳辐射计测得的气溶胶光学厚度

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    表  4   青海湖1999年7月用CE318-1太阳辐射计测得的气溶胶光学厚度

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    表  5   1999年7月6~19日敦煌和青海湖两地3台太阳辐射计测得的气溶胶光学厚度及Junge参数平均值

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    表  6   敦煌和青海湖1999年7月卫星过顶前后15 min太阳辐射计测得的气溶胶光学厚度平均值

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  • Biggar S F.In-flight methods for satellite sensor absolute radiometric calibration:[PhD dissertation]. Tucson:the University of Arizona, 1990.

    Holben B N, Eck T F, Slutsker I, et al. AERONET—a federated instrument network and data archive for aerosol characterization. Rem. Sens. of Environ. 1997, 39(1):66. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425798000315

    Biggar S F, Gellman D I, Slater P N. Improved evaluation of optical depth components from Langley plot data. Remote Sens. Environ., 1990, 32:91~101. DOI: 10.1016/0034-4257(90)90010-J

    Wu D, Yin Y, Wang Z, et al. Radiometeric characterisation of Dunhuang satellite calibration test site (China). 7th International Symposium on Physical Measurements and Signatures in Remote Sensing. Courchevel, France, 1997/4.

图(6)  /  表(6)
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出版历程
  • 收稿日期:  2000-10-23
  • 修回日期:  2000-12-26
  • 纸刊出版:  2001-08-30

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