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1. 利用葵花8号卫星资料反演中国东部地区地面PM_2.5浓度

刘喆, 赵威伦, 田晓青, 桑悦洋, 屈永霖, 任静静, 李成才

北京大学学报自然科学版 2022, 58 (3): 443-452. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.032

摘要（433）

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PDF（pc）（2110KB）（202）

为了得到中国东部地区大范围的地面PM_2.5浓度分布, 用机器学习方法建立一个模型, 用2019年葵花8号静止卫星大气顶层反射率数据和欧洲中心气象资料作为输入数据, 地面PM_2.5浓度作为输出数据。验证结果表明, 在不同时间尺度下, 该模型对中国东部地区均有较高的精度。对于小时PM_2.5的浓度反演, 该模型的十折交叉验证的相关系数为0.82, 均方根误差为20.11 μg/m³。将2019全年卫星?气象格点数据放入模型, 得到中国东部地区全年逐小时的PM_2.5格点数据, 利用该格点数据分析中国东部地区PM_2.5浓度的季节变化和空间分布, 取得良好的效果。

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2. 基于激光雷达数据对混合层高度与细颗粒物浓度关系的研究

桑悦洋, 初奕琦, 刘喆, 任静静, 田晓青, 王栖溪, 李成才

北京大学学报自然科学版 2022, 58 (3): 412-420. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2022.022

摘要（806）

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PDF（pc）（1259KB）（137）

利用微脉冲激光雷达观测资料, 运用人工辅助算法, 获得2016―2019年白天混合层高度(MLH), 并分析其变化特征及其与空气污染物PM_2.5浓度的关系。结果表明, 混合层高度表现出明显的季节变化和日变化, 春季高度明显大于其他季节, 最大值均发生在 5月。混合层高度在08:00―15:00 BJT的变化趋势与PM_2.5浓度负相关。线性拟合结果表明, 当考虑风速的影响时, 通风指数与 PM_2.5具有更强的负相关关系; 当考虑风向的影响时, 西南风情况下, 混合层高度与PM_2.5具有更强的负相关关系。对天气分型后, 每个天气类型的PM_2.5浓度与混合层高度的相关性更加显著。

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3. 利用探空秒数据估算北京地区日最大混合层高度

王越昊, 李成才, 初奕琦, 檀望舒, 任静静

北京大学学报自然科学版 2020, 56 (2): 223-230. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2019.129

摘要（1131）

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PDF（pc）（807KB）（144）

研究利用北京地区L波段探空秒数据和地面日最大位温, 采用气块法反演北京地区日最大混合层高度(MMH)的可行性。将08时探空秒数据以及常规探空数据反演结果分别与对应的微脉冲激光雷达反演结果相比较, 发现前者与激光雷达反演结果的一致性好于后者, 常规探空数据垂直空间分辨率低可能是导致其反演结果误差较大的原因。分别用春夏秋冬的探空秒数据反演结果与激光雷达反演结果相比较, 发现春夏秋反演结果的一致性较好, 而冬季较差。利用08时探空秒数据结合地面日最大位温, 采用气块法反演北京地区2010—2017年的MMH, 发现MMH 每年均表现出春夏秋冬逐次递减的分布特征。通过对长期资料的统计分析发现, 北京地区日地面最高气温与850 hPa温度差定义的热力稳定度与MMH之间存在较强的正相关性。

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4. 利用微脉冲激光雷达识别过冷水云层

宋继烨, 檀望舒, 李成才, 于营丽, 李建, 初奕琦

北京大学学报自然科学版 2018, 54 (5): 961-969. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2018.022

摘要（1328）

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PDF（pc）（5225KB）（147）

在已有的云识别算法基础上, 利用微脉冲激光雷达后向散射信号区分云和气溶胶。按照云粒子的退偏振比, 区分冰云、水云、混合云以及水平导向的冰晶云。结合大气温度廓线, 对过冷水云层进行有效的识别。利用观测点上空持续一年的观测资料, 统计各种云出现的高度及比例的逐月变化, 结果显示, 过冷水云出现的时间占有云时间的9.84%, 对于0~−40℃的云层, 过冷水云出现的时间占11.99%。

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5. 结合激光雷达评估常规探空资料反演青藏高原混合层高度的适用性

王存贵, 李成才, 贺千山, 檀望舒, 初奕琦, 李建

北京大学学报自然科学版 2017, 53 (3): 579-587. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2016.102

摘要（879）

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PDF（pc）（1119KB）（413）

利用微脉冲激光雷达探测资料, 采用梯度法获取那曲地区夏季的混合层高度序列及日最大混合层高度; 利用每日两次(08:00 和 20:00)的探空资料结合地面最大位温, 采用气块法得到雷达探测对应日期的日最大混合层高度(MMH)。通过对比从不同资料得到的 MMH, 发现 08:00 探空反演结果与激光雷达结果有较好的一致性(相关系数R为0.85, 均方根误差RMSE为0.30 km, 平均绝对误差 MAE 为 0.25 km, 并通过显著性水平为 0.95 的 t 检验); 20:00探空反演结果则与激光雷达结果偏差相对较大(R 为 0.84, RMSE 为 0.67 km, MAE为0.54 km, 未通过 t 检验)。分析产生偏差的原因发现, 探空时刻的残余层、前期的天气变化过程以及对流泡活动或强卷夹过程引起的混合层高度时空变化等都可能是导致20:00高度结果与激光雷达结果不一致的原因, 使得 20:00 探空资料不适合进行最大混合高度的反演。位温廓线的日变化特征也会影响反演结果的准确性, 导致08:00探空结果偏高, 但可以通过统计订正做修正。

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6. 利用卫星遥感大气气溶胶进行待建环境监测站点位评估

李成才,周寅亮,李莹,刘启汉,贺千山,杨复沫

北京大学学报（自然科学版）

摘要（747）

PDF（pc）（3085KB）（420）

利用MTSAT-1R卫星资料中的红外1、红外2和水汽通道亮温数据, 在目标云块识别对比的基础上计算对流初生(CI)预报的8个指标值。根据京津地区的实际情况, 给出修正后的预报指标阈值, 并对2006-2007年京津地区进行17日次对流初生预报实验。实验结果表明, 该预报方法能够对1小时内的对流初生现象进行有效预报。结合云导风矢量给出检验预报结果的方法, 对该预报方法的预报效果进行量化统计。统计结果表明, 该方法预报对流初生的TS (threat score) 评分为0.545, 检测概率(POD)为0.654, 空报率(FAR)为0.435。

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7. 江苏环港风电场风能资源特征分析

王烨芳,李成才,石光明,李建,李五生,李树勇,王威

北京大学学报（自然科学版）

摘要（638）

PDF（pc）（776KB）（341）

利用江苏环港风电场一座测风塔2010年12月至2011年11月的逐10 min实时观测数据, 对该地区风能资源特征进行综合分析, 得到该站点10, 50, 70和80 m高度的年平均风速为4.0~6.1 m/s, 年平均风功率密度为80.4~238.4 W/m2, 年有效风功率密度为116.5~262.5 W/m2, 年有效风速小时数为5777~7845 h, 年有效风能密度为679.3~2041.5 (kW?h)/m2。全年主导风向为NNE, N和NE, 三者之和接近全年风向的三成, 主导风向的风能密度接近全年的五成, 风速主要集中在3~8 m/s, 约占全年的80%。总体来看, 该地区风能资源丰富, 特别是已建设风机的轮毂高度年有效风功率密度达到250 W/m2以上, 有效风速小时数接近全年的90%, 具有很高的开发利用价值。

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8. 利用激光雷达和卫星遥感获得城市地面大气悬浮颗粒物浓度分布

李倩,李成才,王烨芳,林常青,杨东伟,李莹

北京大学学报（自然科学版）

摘要（811）

PDF（pc）（1025KB）（832）

使用香港元朗地区2008年MODIS卫星遥感的气溶胶光学厚度(AOD)产品、激光雷达气溶胶消光系数垂直分布、地面相对湿度和地面气溶胶浓度观测资料等数据, 通过激光雷达数据建立地面消光系数和激光雷达AOD与气溶胶标高的关系, 利用这一关系和卫星AOD进行地面消光系数的反演估计, 并进行湿度订正; 通过建立地面气溶胶浓度和地面消光系数的关系, 进行卫星AOD产品和激光雷达气溶胶探测反演地面大气颗粒物质量浓度的研究及应用。结果表明, 卫星估计的地面消光系数与小时平均的颗粒物质量浓度观测值的相关系数为0.57~0.86 (PM2.5)和0.59~0.78 (PM10), 估计的质量浓度与小时平均的观测值对比的均方根偏差分别为11.64~25.34 g/m³ (PM2.5)和24.64~91.64 g/m³ (PM10), 表明可以通过卫星遥感进行大气悬浮颗粒物污染的监测应用。其中1 km分辨率的AOD产品, 因其更高的空间分辨率, 更适合反映具有复杂地形的城市地区大气悬浮颗粒物污染。

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9. MODIS卫星监测中国东部地区地面颗粒物的样本时间代表性分析

李倩,李成才, 杨东伟,石光明,高玲,李莹,毛节泰

北京大学学报（自然科学版）

摘要（670）

PDF（pc）（673KB）（314）

选取2011年中国东部地区428个测站的PM10质量浓度资料, 用Terra和Aqua MODIS AOD产品的时间分布作为指示数据, 检验日、月、季、年时间尺度下, 卫星过境时刻地面PM数据(SATPM)对地面所有时刻数据平均值(ALLPM)的代表性。结果发现, 在东部大部分地区, SATPM与ALLPM的相对误差在±20%以内, 且Aqua-MODIS代表性更好。此外, 结合两颗卫星的数据, 经拟合订正获得了新的日、年时间尺度上PM10质量浓度数据, 将其与ALLPM的相关系数从0.87和0.83提高到0.90。此检验结果对于检验卫星数据反演的PM2.5的代表性也有一定指导意义。

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10. 北京地区大气气溶胶的激光雷达观测及反演算法研究

林常青,杨东伟,李成才,李倩,石光明,王烨芳,周寅亮,刘梦娟

北京大学学报（自然科学版）

摘要（949）

PDF（pc）（1879KB）（744）

利用微脉冲激光雷达在北京地区的观测, 研究两种避开利用高空信号的反演算法。算法一，根据Fernald的反演算法把边界取在混合层中间某处, 并结合太阳光度计的观测进行反演。通过激光雷达与同一地点自动气象站的地面观测比较验证了反演结果, 表明该方案用于激光雷达的气溶胶消光系数反演是可行的。算法二，由于激光雷达近端处的信号和地面气溶胶消光系数线性相关, 从而利用地面气溶胶观测数据反演雷达常数和观测期间气溶胶平均后向散射比, 结果与第一种方案一致, 表明利用该方法反演是可行的。最后利用这次激光雷达的观测, 分析北京地区冬季一次西伯利亚高压过境时的气溶胶演变过程, 将激光雷达观测与南郊观测站地面观测进行比较, 并验证了激光雷达的反演结果和算法的可靠性。

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11. 多波段光度计定标及误差分析

高玲,赵春雷,李成才,任通,李倩

北京大学学报（自然科学版）

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12. 利用风云2C静止卫星可见光资料反演气溶胶光学厚度

任通,高玲,李成才,毛节泰,李万彪,石光明,杨东伟,王磊

北京大学学报（自然科学版）

摘要（743）

探讨利用中国风云2C静止卫星可见光资料反演气溶胶光学厚度(AOD)的数值方法。通过计算一个月中每日同一时刻平均地表反射率来降低地表反射率估计的随机性, 讨论了该方法中对清洁天AOD值的不同假设对结果的影响。将2008年5月由风云2C可见光资料反演得到的AOD产品分别与东亚6个AERONET站点的AOD产品和MODIS的AOD产品进行了比较, 分析了风云2C卫星的AOD产品算法的误差来源和降低误差影响以及改善产品质量的方案。结果对比表明, 在东亚地区利用风云2C可见光资料反演的AOD产品可以展示气溶胶的分布样式, 但是目前的算法高估了中国西南部地区和低纬度一些地区的AOD值而低估了中国东部地区的AOD值。

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13. 东亚高空大气气溶胶的分布及沙尘输送特征研究

钱胜利,李成才,张庆红

北京大学学报（自然科学版）

摘要（594）

利用长达20 年的SAGEⅡ(stratospheric aerosol and gas experimentⅡ) 资料, 研究了东亚地区5.0 ～15.0 km 高空气溶胶多年时空分布特征和变化趋势, 并研究了东亚沙尘活动对高空及下游的气溶胶输送。发现东亚高空气溶胶水平分布呈现上中下3 层不同的分布特征, 下层 5. 0 ～8. 5 km 高值区对应气溶胶源区青藏高原和西北沙漠地区;中层 9. 0 ～10. 0 km 高值区对应温带气旋高发的中纬度地区;上层 10. 5 ～15. 0 km 表现为低纬气溶胶含量显著高于高纬地区。高空各层气溶胶的空间分布受天气系统的影响具有明显的季节变化。近10 年来东亚高空气溶胶呈减少趋势, 平均光学厚度约下降了0. 016。另外还发现沙尘活动与 5. 0 ～11. 5 km 范围内的气溶胶显著相关, 反映沙尘活动影响的高度范围可以达到整个对流层。定义沙尘暴高空影响指数, 用来分析东亚沙尘暴对下游地区的影响, 发现随着时间推移沙尘逐渐向东移动, 在约 12 天之后可以到达大西洋。

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14. 我国中、东部主要地区气溶胶光学厚度的分布和变化

关佳欣,李成才

北京大学学报（自然科学版）

摘要（651）

利用2000年3月至2009年2月MODIS遥感气溶胶光学厚度( AOD) 产品, 分析并对比了我国中、东部的华北、四川盆地、长江三角洲和珠江三角洲4 个地区AOD 的季节分布及其变化。发现这 9 年各地区平均 AOD 呈显著增长趋势, 除四川盆地秋季有下降外, 其他各个地区各个季节均有上升趋势。长江三角洲具有最大的年平均和季节平均 AOD, 年平均增长率高达 1. 82% ;四川盆地次之; 华北和珠江三角洲较小。4 个地区AOD 的季节分布及变化特点有共性又各有不同。总体看来, 夏季 AOD 增长最快, 夏季与春季的差距在变小, 其中华北地区夏季一般高于春季; 冬季 AOD 最小, 增长也最慢, 与其他季节的差距在增大。一些地区的部分季节, 如华北地区的夏、秋季, 四川盆地的春、夏、秋季, 珠江三角洲的秋季, 在2006?2008 年有明显的连续下降趋势。这些结果有助于这些地区的区域气候变化研究和空气质量研究。

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15. MODIS气溶胶光学厚度产品在地面PM₁₀ 监测方面的应用研究

何秀,邓兆泽,李成才,刘启汉,王美华,刘晓阳,毛节泰

北京大学学报（自然科学版）

摘要（860）

利用MODIS(中分辨率成像光谱仪) 两年的气溶胶光学厚度(AOD)产品与北京地区API转化得到的PM₁₀ 质量浓度、北京大学站点直接监测的PM₁₀ 质量浓度以及香港元朗站点监测的PM₁₀ 质量浓度做相关性分析, 发现二者的直接相关程度较低。将AOD除以气溶胶季节标高, 得到地面消光系数, 与地面 PM₁₀ 质量浓度相关性提高。对地面消光系数进行相对湿度订正, 得到计算的质量浓度, 与地面实际观测的PM₁₀ 质量浓度相关性进一步提高。经过两年时间资料的对比分析, 证实气溶胶遥感光学厚度经过垂直和湿度影响订正后, 可以应用于地面 PM₁₀ 监测。

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16. 利用GMS5红外分裂窗数据反演水汽的应用研究

李成才,朱元竞

北京大学学报（自然科学版）

摘要（688）

从辐射传输方程出发，参照Dennis Chesters等提出的方法，推导了利用水汽在分裂窗两通道吸收的差异来反演水汽总量的一般公式，研究了以探空数据或微波辐射计取得“地面真值”来校准反演公式参数的可行性方法，利用得到的参数反演了同时刻的水汽场。

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