摘 要：遙感技術(shù)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、速度快、成本低,且便于進(jìn)行長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì), 還能發(fā)現(xiàn)有時(shí)用常規(guī)方法難以揭示的污染源及其擴(kuò)散的狀態(tài), 它不但可以快速、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、省時(shí)省力地監(jiān)測(cè)大范圍的大氣環(huán)境變化和大氣環(huán)境污染, 也可以實(shí)時(shí)、快速跟蹤和監(jiān)測(cè)突發(fā)性大氣環(huán)境污染事件的發(fā)生、發(fā)展, 以便及時(shí)制定處理措施, 減少大氣污染造成的損失。因此,遙感監(jiān)測(cè)作為大氣環(huán)境管理和大氣污染控制的重要手段之一, 正發(fā)揮著不可替代的作用。

關(guān)鍵詞：遙感技術(shù) 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)

1 　大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理遙感監(jiān)測(cè)就是用儀器對(duì)一段距離以外的目標(biāo)物或現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè),是一種不直接接觸目標(biāo)物或現(xiàn)象而能收集信息,對(duì)其進(jìn)行識(shí)別、分析、判斷的更高自動(dòng)化程度的監(jiān)測(cè)手段。它最重要的作用是不需要采樣而直接可以進(jìn)行區(qū)域性的跟蹤測(cè)量,快速進(jìn)行污染源的定點(diǎn)定位,污染范圍的核定,污染物在大氣中的分布、擴(kuò)散等,從而獲得全面的綜合信息。根據(jù)所利用的波段, 遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)主要分為紫外、可見(jiàn)光、反射紅外遙感技術(shù);熱紅外遙感技術(shù)和微波遙感技術(shù)三種類(lèi)型。

大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)作為遙感技術(shù)應(yīng)用中較為重要的內(nèi)容之一,在業(yè)務(wù)上不同于常規(guī)氣象要素的監(jiān)測(cè)。常規(guī)氣象要素遙感監(jiān)測(cè)主要是指測(cè)量大氣的垂直溫度剖面、大氣的垂直濕度剖面、降水量及頻度、云覆蓋率(云量和云層厚度) 和長(zhǎng)波輻射、風(fēng)(風(fēng)速和風(fēng)向) 、地球輻射收支的測(cè)量等。而大氣環(huán)境遙感則是監(jiān)測(cè)大氣中的臭氧(O3 ) 、CO2 、SO2 、甲烷(CH4 ) 等痕量氣體成分以及氣溶膠、有害氣體等的三維分布。這些物理量通常不可能用遙感手段直接識(shí)別,但由于水汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等微量氣體成分具有各自分子所固有的輻射
和吸收光譜特征,如影響水汽分布的主要光譜波長(zhǎng)在017μm , O3在0155～0165μm 之間存在一個(gè)明顯的吸收帶等,因此我們實(shí)際上可通過(guò)測(cè)量大氣散射、吸收及輻射的光譜特征值而從中識(shí)別出這些組分來(lái)。研究表明,在衛(wèi)星遙感中,有兩個(gè)非常好的大氣窗可以用來(lái)探測(cè)這些組分,即位于可見(jiàn)光范圍內(nèi)的0140～0175μm 的波段范圍和在近紅外和中紅外的0185μm、1106μm、1122μm、1160μm、2120μm 波段處。

2 　大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)按其工作方式可分為被動(dòng)式遙感監(jiān)測(cè)和主動(dòng)式遙感監(jiān)測(cè),被動(dòng)式遙感監(jiān)測(cè)主要依靠接收大氣自身所發(fā)射的紅外光波或微波等輻射而實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣成分的探測(cè);主動(dòng)式遙感監(jiān)測(cè)是指由遙感探測(cè)儀器發(fā)出波束、次波束與大氣物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生回波,通過(guò)檢測(cè)這種回波而實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣成分的探測(cè)。由于主動(dòng)式大氣探測(cè)儀器既要發(fā)射波束,又要接收回波,通常將這種方式稱(chēng)為雷達(dá)工作方式。根據(jù)遙感平臺(tái)的不同,大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)又可分為天基、空基遙感和地基遙感。天基、空基遙感是以衛(wèi)星、宇宙飛機(jī)、飛機(jī)和高空氣球等為遙感平臺(tái),地基遙感則是以地面為主要遙感平臺(tái)。本文將根據(jù)大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的工作方式和遙感平臺(tái)的不同,從四個(gè)方面來(lái)介紹大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。

2. 1 　大氣環(huán)境的被動(dòng)式空基遙感監(jiān)測(cè)

目前利用被動(dòng)式空基遙感對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)主要包括:對(duì)臭氧層的監(jiān)測(cè),對(duì)大氣氣溶膠和溫室氣體如CO2 、甲烷(CH4 ) 的監(jiān)測(cè),對(duì)大氣主要污染物、大氣熱污染源以及突發(fā)性大氣污染事故如沙塵暴等的監(jiān)測(cè)。大氣環(huán)境污染主要體現(xiàn)在大氣污染物上,大氣污染物的種類(lèi)約有數(shù)千種,已發(fā)現(xiàn)有危害作用而被人們注意到的有一百多種,其中大部分為有機(jī)物。本文為了論述的方便,將大氣污染的主要污染物按污染區(qū)域及污染性質(zhì)分為三大類(lèi),第一類(lèi)為區(qū)域性污染的大氣污染物,主要有二氧化硫、氮氧化物、大氣顆粒物(包括可吸入顆粒物) 、有機(jī)污染物等;第二類(lèi)為災(zāi)害性大氣污染,如沙塵暴、有毒氣體的泄漏等;第三類(lèi)為在全球變化中起著不可忽視作用的污染物,如對(duì)流層氣溶膠、臭氧(O3 ) 、CO2 、甲烷(CH4 ) 等。本文將針對(duì)以上三大類(lèi)污染物來(lái)介紹被動(dòng)式空基遙感在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

21111 　區(qū)域性大氣污染物的被動(dòng)式空基遙感監(jiān)測(cè)

利用遙感對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的其中一個(gè)方面是對(duì)區(qū)域性大氣污染物的監(jiān)測(cè),然而區(qū)域性大氣污染信息是疊加于多變的地面信息之上的微弱信息,這些物理量通常不可能用遙感手段直接識(shí)別,提取非常困難,一般的地物提取方法均不實(shí)用。目前常用的方法主要有兩類(lèi),一類(lèi)是根據(jù)污染地區(qū)地物反射率發(fā)生變化,邊界模糊的情況來(lái)對(duì)大氣污染情況進(jìn)行估計(jì); 另一類(lèi)是間接方法,主要根據(jù)樹(shù)葉中SO2 等污染物含量與遙感數(shù)據(jù)中植被指數(shù)的關(guān)系估計(jì)大氣污染的情況。王雪梅、鄧孺孺等分析了衛(wèi)星遙感像元信息構(gòu)成的物理機(jī)制, 將像元信息概化為土壤、植被、水體等基本信息類(lèi)型的線性集合與污染氣體( SO2 ,NOx) 信息的簡(jiǎn)單疊加,首次從TM 衛(wèi)星數(shù)據(jù)直接定量提取珠江口地區(qū)大氣污染氣體累加濃度信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提取的污染信息滿(mǎn)足精度要求。有學(xué)者用紅外航片資料研究了環(huán)境污染區(qū)與植被的響應(yīng)關(guān)系,指出受污染楊樹(shù)與正常健康的楊樹(shù)相比,光譜發(fā)射率在近紅外波段(017～111) 有較大幅度的下降,而在紅波段(016～017) 則有所增加,葉綠素指數(shù)也迅速減少,因此葉綠素指數(shù)可成為反映大氣污染的一個(gè)重要指標(biāo)。

L. BRUZZONE[8 ] 等利用搭載在ERS - 2 衛(wèi)星上的GOME 和ATSR - 2 傳感器所接收到的數(shù)據(jù),通過(guò)兩種方法對(duì)生物燃燒排放到對(duì)流層中的NO2進(jìn)行了計(jì)算,一種是假設(shè)這兩種傳感器所獲得的數(shù)據(jù)與NO2濃度之間存在線性關(guān)系;另外一種是用基于輻射傳輸方程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性無(wú)參數(shù)方法來(lái)反演NO2 濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這兩種方法在實(shí)際反演NO2 濃度時(shí)效果較好。S. CORRADINI 等人根據(jù)aster 數(shù)據(jù), 利用劈窗算法( the split2window technique) 計(jì)算了意大利Mt Etna 火山排放的SO2 ,試驗(yàn)證明,運(yùn)用該方法可較為準(zhǔn)確地計(jì)算出SO2的分布。

21112 　災(zāi)害性大氣污染———沙塵暴的被動(dòng)式空基遙感監(jiān)測(cè)

利用遙感技術(shù)對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的另一個(gè)方面是對(duì)大氣污染事故的監(jiān)測(cè),如對(duì)沙塵暴的監(jiān)測(cè)。沙塵暴是嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,同時(shí)也是嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題,它突發(fā)性強(qiáng),危害巨大,當(dāng)沙塵暴發(fā)生時(shí),大量沙塵粒子懸浮于空中并隨風(fēng)移動(dòng),對(duì)人畜及環(huán)境造成極大危害。沙塵暴屬于大氣氣溶膠的一種極端情況。在氣象學(xué)中,沙塵暴

是指強(qiáng)風(fēng)從地面卷起大量沙塵,使空氣很渾濁,水平能見(jiàn)度小于110km 的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。周明煜等利用NOAAPAVHRR 資料分析了1993 年4月北京、天津上空沙塵暴特性,得到在沙塵暴發(fā)生時(shí),AVHRR 可見(jiàn)光通道1 和可見(jiàn)光通道2 的反射率都有增加,沙塵暴強(qiáng)度越大,反射率增加越大,但僅給出了反射率增加的大小,而沒(méi)有根據(jù)衛(wèi)星反射率的變化對(duì)沙塵暴進(jìn)行定量研究。目前對(duì)沙塵暴的遙感監(jiān)測(cè)主要是利用GMS 和NOAAPAVHRR 數(shù)據(jù),其研究表明, GMS 的紅外通道數(shù)據(jù)有利于確定沙塵暴的位置,同時(shí)它所具有的高時(shí)間分辨率(1h) ,更有利于大尺度監(jiān)測(cè)沙塵暴的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于NOAAPAVHRR 數(shù)據(jù)不但可以監(jiān)測(cè)到沙塵暴反射輻射特性,而且可以在較大尺度上監(jiān)測(cè)到沙塵暴的時(shí)空分布,因此是目前沙塵暴研究和監(jiān)測(cè)的主要遙感信息源。

21113 　影響全球大氣環(huán)境污染物的被動(dòng)式空基遙感監(jiān)測(cè)在大氣環(huán)境研究方面,世界各國(guó)科學(xué)家、政府及相關(guān)機(jī)構(gòu),不僅關(guān)注于局地性的大氣環(huán)境,而且更注重于全球大氣環(huán)境的質(zhì)量,如溫室氣體效應(yīng)、全球臭氧空洞以及氣溶膠的直接、間接氣候強(qiáng)迫效應(yīng)等導(dǎo)致的全球變化。自1978 年以來(lái),科學(xué)家們利用搭載在Nimbus - 7 衛(wèi)星上的臭氧制圖光譜儀(TOMS) 對(duì)大氣中臭氧進(jìn)行了衛(wèi)星觀測(cè),開(kāi)創(chuàng)了利用遙感手段對(duì)全球變化進(jìn)行研究的先河。

Varotsos 等利用1979～1992 年13 年的Nimbus- 7TOMS 遙感數(shù)據(jù)分析了希臘上空的臭氧衰減,研究結(jié)果表明, 其上空的臭氧衰減率為每年018 %;日本于1996 年發(fā)射的ADEDS - Ⅱ衛(wèi)星上搭載有溫室氣體干涉監(jiān)測(cè)儀,可提供全球大氣中的CO2 、CH4 和CFCS 等溫室氣體的遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。此外,利用ERS - 2 上搭載的全球臭氧監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置(GOMZ) 和大氣制圖學(xué)P化學(xué)掃描成像吸收光譜儀(SCIAMACHY) 可對(duì)CO 和O3體積濃度進(jìn)行全球制圖氣溶膠不僅影響全球變化,而且也是影響區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的主要因素,因此,本文將重點(diǎn)介紹被動(dòng)式空基遙感在氣溶膠監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用以及探測(cè)氣溶膠的衛(wèi)星傳感器的發(fā)展歷程和特點(diǎn)。

在對(duì)氣溶膠的遙感監(jiān)測(cè)方面,高分辨率的衛(wèi)星遙感不但提供了監(jiān)測(cè)大氣氣溶膠的可能性,而且還彌補(bǔ)了一般地面觀測(cè)難以反映氣溶膠空間具體分布和變化趨向不同的缺陷,為全球和區(qū)域氣候的研究以及城市污染的分析提供了豐富的研究資料。氣溶膠是指懸浮在大氣中的各種液態(tài)或固態(tài)微粒,通常所指的煙、霧、塵等都屬于氣溶膠,它對(duì)大氣中發(fā)生的許多物理化學(xué)過(guò)程有著重要的影響。氣溶膠有眾多的自然源和人為源,但基本上可分為陸源氣溶膠和海源氣溶膠兩種。國(guó)際上衛(wèi)星遙感氣溶膠的研究開(kāi)始于二十世紀(jì)70 年代中期,我國(guó)科學(xué)家從80 年代中期開(kāi)始也進(jìn)行了這方面的研究。1986 年趙柏林等利用NOAAPAVHRR 資料,對(duì)海上大氣氣溶膠進(jìn)行了研究,由于是研究的嘗試階段,僅對(duì)渤海上空一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果表明,對(duì)氣溶膠濃度計(jì)算所達(dá)到的精度可以滿(mǎn)足氣候和環(huán)境研究的需要。劉莉利用GMS - 5 可見(jiàn)光通道研究了湖面上空氣溶膠光學(xué)厚度,試驗(yàn)證明了該方法的可行性。毛節(jié)泰、李成才等利用MODIS 資料和地面多波段光度計(jì)資料對(duì)整個(gè)中國(guó)、中國(guó)東部地區(qū)及四川盆地等地的氣溶膠特性做了大量的研究工作,并取得了一定的成果。國(guó)際上在利用衛(wèi)星資料研究氣溶膠方面作了很多的工作,尤其是在利用氣溶膠光學(xué)特性并根據(jù)其路徑散射光譜進(jìn)行反演方面。目前,國(guó)外對(duì)氣溶膠進(jìn)行反演的方法主要有8 種,即單通道反射率反演法、多通道反射率反演法、基于稠密或暗色植被區(qū)的黑體反演法、陸地上空對(duì)比度削減法、熱對(duì)比法、陸地—海洋對(duì)比法、反射率角度分布法及極化方法。Griggs發(fā)現(xiàn)在海洋表面上空垂直反射出去的太陽(yáng)輻射值隨氣溶膠光學(xué)厚度的變化而近于線性增加,基于此線性關(guān)系建立了海上氣溶膠光學(xué)厚度單通道反演方法,但這種方法僅限于用在如海洋等低反射率表面的情況,因?yàn)楫?dāng)?shù)乇矸瓷渎瘦^大時(shí),這種線性關(guān)系不能很好成立。Mekler 等在輻射傳輸方程的基礎(chǔ)上,利用地球資源觀測(cè)衛(wèi)星( ERTS) 反演了氣溶膠含量,效果較好。Yoramj 等提出一種能在地表反射率有變化的區(qū)域(如水陸交界處) 運(yùn)用的反演算法,這種算法對(duì)輻射傳輸方程進(jìn)行了近似,適用于平面平行大氣,可用波長(zhǎng)范圍限于014～018μm;Kaufman等通過(guò)大量飛機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對(duì)于植被密集的具有較低反照率的地表, 2113μm 近紅外通道反照率和0147μm、0166μm 可見(jiàn)光通道反射率相關(guān)較好,此方法已成功地運(yùn)用于MODIS 的氣溶膠反演。

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展,監(jiān)測(cè)氣溶膠屬性用的衛(wèi)星傳感器也在不斷的發(fā)展。過(guò)去(1981～1998年) 對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度的反演使用最多的衛(wèi)星傳感器是搭載在NOAA 衛(wèi)星上的AVHRR ,主要工作是利用它的第一通道(0163μm) 進(jìn)行海洋上空氣溶膠光學(xué)厚度的監(jiān)測(cè)。該傳感器本身具有很多缺點(diǎn),如可見(jiàn)光波段沒(méi)有進(jìn)行星上校正等[29 ] 。為了避免太陽(yáng)光的直射,自1981 年以來(lái),反演海上氣溶膠光學(xué)厚度僅使用午后極軌衛(wèi)星(NOAA - 7 ,NOAA - 9 ,NOAA - 11 ,NOAA - 14) ,且人們對(duì)海洋上空氣溶膠性質(zhì)的了解主要來(lái)自于對(duì)其單通道的反演(Rao etal . 1989 ; Stowe et al . 1997) 。之后人們對(duì)氣溶膠性質(zhì)的研究逐漸轉(zhuǎn)為使用搭載在Nimbus - 7 上的TOMS 傳感器,該傳感器對(duì)氣溶膠吸收特性比較敏感,但是在氣溶膠定量分析和確定氣溶膠層的高度方面具有很大的不確定性(Torres et al . 1998) 。1995 年,歐洲空間局( ESA)發(fā)射了一種新型的多角度傳感器ATSR ,搭載于ERS - 2 衛(wèi)星上,利用這種傳感器可以對(duì)全球的氣溶膠光學(xué)特性進(jìn)行研究,它的波段范圍與AVHRR相似,但是它有兩個(gè)不同的掃描角,因而對(duì)氣溶膠反演精度有了很大的提高。1996 年日本發(fā)射了自己的第一顆地球觀測(cè)衛(wèi)星(Advanced EarthObservation Satellite - ADEOS) ,該衛(wèi)星上搭載的傳感器有由CNES 和法國(guó)空間局提供的輻射偏振探測(cè)器( POLDER) ,這是一種敏感的OCTS 傳感器。

POLDER 輻射偏振探測(cè)器是第一個(gè)針對(duì)海陸氣溶膠進(jìn)行反演而設(shè)計(jì)的傳感器,OCTS 傳感器主要是對(duì)海溫和水色遙感而設(shè)計(jì)的,它可以?xún)A斜,在熱帶地區(qū)可以避免太陽(yáng)光的照射,OCTS 傳感器現(xiàn)在已經(jīng)成功地應(yīng)用于對(duì)海面氣溶膠的反演, 但POLDER和OCTS 傳感器都沒(méi)有進(jìn)行星上校正。1997 年NASA 和OrbImage 發(fā)射了SeaWiFs 傳感器,該傳感器是商業(yè)用的,通過(guò)它可獲得全球的水色數(shù)據(jù),然后提供給全世界的漁民,同時(shí)也可被用來(lái)對(duì)海洋上空氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行反演,該傳感器沒(méi)有熱紅外波段,也沒(méi)有星上校正,其主要缺點(diǎn)是波段較窄,很難穿透云層。1999 年,NASA 成功發(fā)射了地神Terra 衛(wèi)星后,對(duì)對(duì)流層氣溶膠遙感能力有了較大的提高,他們還特別針對(duì)氣溶膠設(shè)計(jì)了兩個(gè)傳感器:MODIS 和MISR。MODIS 是一個(gè)具有中等空間分辨率(250～1000m) ,由36 個(gè)通道成像分光計(jì)構(gòu)成的傳感器,而且進(jìn)行了精確的輻射校正。MODIS 突出的特點(diǎn)之一就是可利用17 個(gè)波段來(lái)區(qū)分出云、陰影、濃氣溶膠和火災(zāi)(Ackerman et al . 1998 ; King etal . 1998) ;MISR 是四通道CCD 陣列,提供了九個(gè)單獨(dú)觀測(cè)角度的傳感器,利用該傳感器獲得的數(shù)據(jù)能夠反演海洋和陸地上空氣溶膠光學(xué)厚度和氣溶膠類(lèi)型。2000 年發(fā)射的Envisat - 1 是歐洲空間局( ESA) 的一顆高級(jí)環(huán)境衛(wèi)星, 上面攜帶的傳感器是AATSR 和MERIS。AATSR 類(lèi)同于ATSR - 2 ,MERIS 傳感器采用的是推掃式儀器,能夠在15 個(gè)波段上收集數(shù)據(jù)。NASDA 于2000 年發(fā)射了ADEOS - Ⅱ衛(wèi)星,上面攜帶的傳感器是POLDER 和GLI ,GLI 傳感器類(lèi)同于MODIS ,利用GLI 的數(shù)據(jù)能夠?qū)Ｑ蠛完?br /> 地上空氣溶膠進(jìn)行反演。2002 年,NASA’S EOSCHEM衛(wèi)星攜帶OMI 升空,該傳感器也被認(rèn)為能用來(lái)反演陸地及海洋上空的氣溶膠,該傳感器類(lèi)同于TOM傳感器,只是空間分辨率有了較大的提高。

212 　大氣環(huán)境的主動(dòng)式空基遙感監(jiān)測(cè)

目前,大氣環(huán)境的主動(dòng)式空基遙感監(jiān)測(cè)主要是星載或機(jī)載的微波雷達(dá)。此外,還有微波高度計(jì)和微波散射計(jì)。主動(dòng)式雷達(dá)是由發(fā)射機(jī)通過(guò)天線在很短的時(shí)間內(nèi)向目標(biāo)物發(fā)射一束很窄的大功率電磁波脈沖,然后用同一天線接受目標(biāo)地物反射的回波信號(hào)而進(jìn)行顯示的一種傳感器。不同物體,回波信號(hào)的振幅、位相不同,故接受處理后,可測(cè)出目標(biāo)地物的方向、距離等數(shù)據(jù)。目前,許多國(guó)家都制定了空間雷達(dá)探測(cè)計(jì)劃, 美國(guó)NASA 于1993 年首先利用機(jī)載的探測(cè)雷達(dá)監(jiān)測(cè)了大氣中氣溶膠的分布,1998 年NASN 再次利用載有雷達(dá)的極軌衛(wèi)星測(cè)量了大氣中的氣溶膠、水汽、臭氧等成分;1994 年,Bourdon. A在希臘雅典利用機(jī)載差分吸收雷達(dá)測(cè)量了該市上空的光化學(xué)霧,獲得了一些大氣污染物空間分布數(shù)據(jù),如SO2 、NO2 、臭氧和氣溶膠等的分布。胡順星等[31 ] 利用激光雷達(dá)對(duì)對(duì)流層2～4km 高度范圍的臭氧分布進(jìn)行了測(cè)量, 結(jié)果表明, 用YAG 激光產(chǎn)生的兩個(gè)波段(266nm 和289nm) ,可以得到比較精確的臭氧分布。劉金濤等采用高光譜分辨率激光雷達(dá)(HSRL) 系統(tǒng),同時(shí)測(cè)量了大氣風(fēng)和氣溶膠的光學(xué)特性,取得了較好的效果。

213 　大氣環(huán)境的被動(dòng)式地基遙感監(jiān)測(cè)

以上介紹的大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)主要是以衛(wèi)星或航天飛機(jī)為遙感平臺(tái)的主動(dòng)、被動(dòng)式遙感監(jiān)測(cè),地面上的遙感監(jiān)測(cè)也是大氣環(huán)境遙感的重要組成部分。目前大氣環(huán)境的被動(dòng)式地基遙感監(jiān)測(cè)主要有:太陽(yáng)直接輻射的寬帶分光輻射遙感、微波輻射計(jì)遙感、多波段光度計(jì)遙感、根據(jù)天空散射亮度分布遙感、全波段太陽(yáng)直接輻射遙感和華蓋計(jì)遙感等。太陽(yáng)直接輻射遙感是利用日光在大氣中的衰減和散射來(lái)測(cè)量大氣組分的,它通過(guò)對(duì)可見(jiàn)光的測(cè)量來(lái)反演氣溶膠,利用紫外線波段來(lái)測(cè)量大氣臭氧、二氧化碳等;由于大氣分子的吸收輻射在很寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生特定的譜線,且不同分子及不同的能級(jí)躍遷產(chǎn)生的譜線不同,微波輻射計(jì)就是通過(guò)接受這些不同的輻射頻率信號(hào)來(lái)反演大氣組分的。利用微波輻射計(jì)可測(cè)量大氣臭氧和氯化物,它測(cè)量的大氣臭氧精度和地基陶普生光譜儀測(cè)量精度相當(dāng);此外微波輻射計(jì)還可測(cè)量大氣衰減,它可以得到精確的大氣消光系數(shù),這在大地測(cè)量、制導(dǎo)和電波通信中是相當(dāng)重要的。多波段光度計(jì)遙感是一種以太陽(yáng)為光源的被動(dòng)式地基遙感手段,自大氣上界入射到地氣系統(tǒng)的太陽(yáng)輻射受到大氣中氣體分子以及大氣氣溶膠粒子的散射和吸收,在地面接收到的太陽(yáng)輻射包含了大氣中氣溶膠信息,通過(guò)測(cè)量接收到的輻射就可以反演出氣溶膠的信息。利用多波段光度計(jì)遙感氣溶膠光學(xué)厚度是目前氣溶膠遙感手段中最準(zhǔn)確的方法,通常被用來(lái)校驗(yàn)衛(wèi)星遙感的結(jié)果,如NOAA為驗(yàn)證利用第一代AVHRR 衛(wèi)星測(cè)量海洋上空氣溶膠方法的準(zhǔn)確性,曾經(jīng)在10 個(gè)沿岸和島嶼觀測(cè)點(diǎn)及觀測(cè)船上利用多波段光度計(jì)對(duì)氣溶膠進(jìn)行了測(cè)量,并通過(guò)比較兩種遙感結(jié)果的一致性來(lái)驗(yàn)證衛(wèi)星遙感的準(zhǔn)確性。毛節(jié)泰等在利用多波段光度計(jì)測(cè)量氣溶膠方面作了一些研究工作,如利用MODIS 衛(wèi)星資料測(cè)量了北京地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度,同時(shí)與利用地面光度計(jì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行了比較,試驗(yàn)證明,兩種方法的測(cè)量結(jié)果比較接近,這說(shuō)明了利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)氣溶膠是一種地基遙感監(jiān)測(cè)較好的替代方法,它可以彌補(bǔ)地基遙感地面觀測(cè)空間覆蓋不足的缺陷。劉桂青等2002 年在浙江臨安進(jìn)行了地面光度計(jì)以及粒子譜的觀測(cè),將觀測(cè)結(jié)果與MODIS 的氣溶膠產(chǎn)品和空氣污染指數(shù)(API) 進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩者間具有很好的相關(guān)性。
214 　大氣環(huán)境的主動(dòng)式地基遙感監(jiān)測(cè)目前,大氣環(huán)境主動(dòng)式遙感監(jiān)測(cè)主要是地基遙感監(jiān)測(cè),典型的主動(dòng)式大氣遙感探測(cè)儀器有二十世紀(jì)40 年代發(fā)明的微波氣象雷達(dá)和60 年代發(fā)明的大氣探測(cè)激光雷達(dá)。用于大氣探測(cè)的激光雷達(dá)是歷史上出現(xiàn)最早的激光雷達(dá),也是目前應(yīng)用最為廣泛的一種激光雷達(dá)(Hinkley et al . , 1976 ;Measures et al . , 1988) 。激光波束的波長(zhǎng),可與大氣中的任何原子、分子發(fā)生共振而產(chǎn)生回波,不存在大氣探測(cè)的盲區(qū),它主要用于測(cè)量大氣的狀態(tài)、大氣污染成分和平流層物質(zhì)等大氣中物質(zhì)的物理性質(zhì)及其空間分布特征等。根據(jù)它測(cè)量的物質(zhì)種類(lèi)和目標(biāo)的不同,可分為米氏激光雷達(dá)、瑞利激光雷達(dá)、熒光雷達(dá)、喇曼激光雷達(dá)、差分光激光雷達(dá)、多普勒雷達(dá)等 。邱金桓等于1982 年5月首次用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)了沙塵暴的消光特性,由于當(dāng)時(shí)所用的激光雷達(dá)功率較小,只探測(cè)到垂直高度大約2km 范圍,結(jié)果表明,沙塵暴發(fā)生時(shí)氣溶膠光學(xué)厚度可以有一個(gè)量級(jí)的變化;他們又對(duì)1988 年4 月發(fā)生的沙塵暴進(jìn)行的激光雷達(dá)探測(cè),垂直高度達(dá)到了6km 以上,揭示出沙塵暴垂直結(jié)構(gòu)依賴(lài)于風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。1986 年,楊舒等從理論上研究了利用多波段激光雷達(dá)反演氣溶膠粒子譜和復(fù)折射率的方法。中國(guó)科學(xué)院安徽光機(jī)所自1995 年起就利用自己研制的523 和1064 nm 雙波長(zhǎng)激光雷達(dá),對(duì)大氣氣溶膠的水平和垂直消光特性進(jìn)行了探測(cè),積累了大量的數(shù)據(jù),并得到了不同大氣條件下典型的氣溶膠垂直分布廓線和氣溶膠指數(shù)的特征。石廣玉等與日本合作在西藏拉薩等地也開(kāi)展了短期激光雷達(dá)測(cè)量氣溶膠的工作。

存在的問(wèn)題及其展望

目前,遙感技術(shù)正從單一遙感資料的分析,向多時(shí)相、多數(shù)據(jù)源(包括非遙感數(shù)據(jù)資料數(shù)據(jù)) 的信息復(fù)合與綜合分析過(guò)渡。從對(duì)各種事物的表面性的描述,向內(nèi)在規(guī)律分析、定量化分析過(guò)渡,就大氣環(huán)境遙感而言,有待于在以下幾方面加強(qiáng)研究:

(1) 大氣環(huán)境遙感的定量化、集成化、系統(tǒng)化和全球化。“定量化”是大氣環(huán)境遙感研究的永恒主題,也是大氣環(huán)境遙感中的關(guān)鍵技術(shù)之一,解決這一問(wèn)題的基本前提是建立起大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的指標(biāo)體系,許多后續(xù)的定量研究工作將依附于所建立的指標(biāo)體系。大氣環(huán)境遙感的定量化對(duì)大氣環(huán)境遙感技術(shù)集成、應(yīng)用及系統(tǒng)化有重要意義。這里的集成有兩方面的意思,一是時(shí)間和空間上不同數(shù)據(jù)源的互補(bǔ)和綜合;二是互為約束或附加

條件的遙感反演技術(shù)。地球觀測(cè)系統(tǒng)( EOS) 是劃時(shí)代的長(zhǎng)期發(fā)展的偉大工程,也是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,該工程對(duì)環(huán)境與氣候變遷、全球變化、可持續(xù)發(fā)展研究等有極其重要的意義。大氣遙感在EOS 中占有重要地位,而現(xiàn)有的大氣遙感尤其是大氣環(huán)境遙感的“定量化”和系統(tǒng)化水平遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足環(huán)境與氣候變遷要求。

(2) 大氣環(huán)境的主動(dòng)和被動(dòng)式衛(wèi)星遙感的一體化。從現(xiàn)有國(guó)外研究資料來(lái)看,衛(wèi)星遙感技術(shù)在大氣環(huán)境保護(hù)、監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用是不可替代的,探測(cè)大氣環(huán)境的遙感器也將隨著衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)的發(fā)展而不斷改進(jìn)。二十世紀(jì)是被動(dòng)式衛(wèi)星遙感時(shí)代,主要以衛(wèi)星為遙感平臺(tái),而二十一世紀(jì)將是主動(dòng)、被動(dòng)式大氣環(huán)境遙感各領(lǐng)風(fēng)騷的時(shí)代,主動(dòng)式遙感有激光雷達(dá)、微波雷達(dá)、GPS 等,這些探測(cè)技術(shù)具有高技術(shù)、多功能、高探測(cè)分辨率和高探測(cè)精度等優(yōu)點(diǎn),可以將它們同衛(wèi)星集成在一起,也可將它們作為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的補(bǔ)充數(shù)據(jù)源或地面校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(3) 高光譜、高時(shí)間、高空間及多角度、多時(shí)相、多偏振等多種數(shù)據(jù)源的綜合應(yīng)用。從國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的研究情況來(lái)看,其對(duì)研究大氣環(huán)境遙感所用的數(shù)據(jù)源的要求很高,不僅僅只局限于使用陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)等單一數(shù)據(jù)源,還需要高光譜分辨率、高空間分辨率或高時(shí)間分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源。

(4) 高性能傳感器的研制。重點(diǎn)發(fā)展能夠選擇監(jiān)測(cè)某種或某類(lèi)優(yōu)先污染物(如氯苯和硝基苯等) 濃度的遙感器。

(5) 建立自己的大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行系統(tǒng),以便更好地為環(huán)境管理決策服務(wù)。

當(dāng)前,大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)依托我國(guó)的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)和對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)劃,同時(shí)充分利用國(guó)際上資源環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng),開(kāi)展廣泛的國(guó)際合作和交流,大力發(fā)展我國(guó)的大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù),并充分利用現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)和常規(guī)監(jiān)測(cè)方法,采用遙感技術(shù)與地面監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法,建立我國(guó)的大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
 

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