沙尘和混合型沙尘气溶胶的大气遥感

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1、分类号：密级：研究生学位论文论文题目（中文）沙尘和混合型沙尘气溶胶的大气遥感Remotesensingoftheatmosphericdust论文题目（外文）andmixeddustaerosols研究生姓名田鹏飞学科、专业大气科学·大气物理学与大气环境研究方向大气辐射与遥感学位级别博士导师姓名、职称张镭教授论文工作起止年月2013年9月至2017年5月论文提交日期2017年5月论文答辩日期2017年5月学位授予日期2017年6月校址：甘肃省兰州市原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用

2、他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：沙尘和混合型沙尘气溶胶的大气遥感摘要大气气溶胶可以通过散射和吸收太阳辐射，直接影响地-气系统辐射平衡；可以作为云凝结核和冰核改变云的形成过程、云反照率、云寿命、降水效率等过程，间接影响天气和气候。迄今对气溶胶过程精确描述存在较多困难，对气溶胶辐射强迫的计算仍存在很大的不确定性，是大气数值模式模拟预报

3、能力的重要制约之一。因此研究气溶胶的光学特性和辐射效应具有重要的科学意义和应用价值。首先利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）的观测，基于经验模态分解方法（EMD）改进了激光雷达数据降噪方法。接着分析SACOL气溶胶非球形的时空分布特征，并基于偏振激光雷达观测和T-matrix模拟给出气溶胶形状参数纵横比。然后基于搭载在CALIPSO（Cloud-AerosolLidarandInfraredPathfinderSatelliteObservations）卫星上的CALIOP（Cloud-AerosolLidarwithOrthogonal

4、Polarization）激光雷达和全球地基气溶胶观测网AERONET（AerosolRoboticNetwork）的观测资料分析了中国典型区域气溶胶的光学特性和垂直分布，并讨论了典型区域沙尘和黑碳气溶胶的混合特点。最后，将气溶胶分成沙尘为主、黑碳为主和混合型气溶胶三类，对比研究混合型气溶胶光学特性和辐射效应。主要结果和结论如下。（1）基于EMD方法，从本征模函数分量（IMF）和被剔除部分的物理意义出发，详细分析激光雷达信号分解和重构过程的特点。提出用典型尺度（TR）和低频比例（LFF）作为客观标准剔除高频IMF的激光雷达信号降噪方法，并基于此建立了

5、批量处理激光雷达信号降噪的自动算法。统计结果表明，本论文的EMD自动降噪方法效果优于小波方法。（2）SACOL气溶胶非球形最明显的是春季，冬季次之，夏、秋季较不明显。春、夏、秋、冬季退偏比的垂直廓线平均值分别为0.13、0.09、0.08和0.10。气溶胶退偏比随高度递减，边界层内气溶胶的退偏比较大，非球形特性明显。在水汽充足的夏季，退偏比随大气柱可降水量的增大而显著减小，可降水量可解释气溶胶退偏比总变差的80.8%。利用T-matrix模拟，结合激光雷达退偏比数据和太I阳光度计数据反演气溶胶纵横比，同时给出SACOL气溶胶纵横比的修正对数正态分布参

6、数化。与电子扫描显微镜观测的纵横比（由于观测原理限制，只能得到干粒子纵横比）相比，本论文反演的纵横比更符合实际大气中气溶胶的形状，可直接用来改善气溶胶模式的输入。（3）虽然对SACOL气溶胶消光系数略有低估，但CALIOP很好地捕捉到气溶胶垂直分布的季节变化。沙尘气溶胶为主的塔克拉玛干和青藏高原区域，主要是粗模态的非球形气溶胶，退偏比和色比都最大；而人为污染为主的华北平原、四川盆地和长三角等区域，主要是细模态的球形气溶胶，退偏比和色比都最小。华北平原春季和黄土高原冬季沙尘气溶胶和人为污染发生混合，气溶胶退偏比和色比介于沙尘和人为污染物中间。珠三角区域

7、的气溶胶退偏比与以人为污染为主的其他区域类似。但由于有粗模态海洋气溶胶的存在，导致其色比略大。（4）北方地区远距离传输的春季沙尘在气溶胶消光系数廓线图上非常明显，能够传输到对流层中高层。季节性的消光系数廓线说明夏季强对流将更多边界层气溶胶输送到自由对流层，而秋冬季的稳定气象条件将气溶胶限制在近地层。除青藏高原外，冬季消光系数递减率达到最大，超过80%的气溶胶被限制在近地面1.5km以内。人为污染严重的区域（四川盆地、华北平原、长三角和珠三角区域）边界层内气溶胶消光系数递减率大于其他区域（塔克拉玛干、青藏高原、黄土高原和华北平原区域）。（5）利用SAC

8、OL偏振激光雷达观测的气溶胶非球形将太阳光度计观测的气溶胶分成球形、非球形和混合型气溶胶三类。SACOL的混