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2016–2017年太湖气溶胶光学性质数据集
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: 2020 - 11 - 20
: 2021 - 05 - 11
: 2021 - 05 - 11
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摘要&关键词
摘要:气溶胶光学性质是大气气溶胶重要的参数,也是构建II类水体高精度大气校正模型的重要参数。作为NASA全球自动观测网(AERONET)站点之一的中国科学院太湖湖泊生态系统研究站,采用太阳分光光度计CE-318,对太湖进行了长时间序列的气溶胶观测。本研究通过对气溶胶数据的长时间序列的标准化收集、处理,得到了太湖2016–2017年气溶胶光学性质数据。本数据集可为湖泊II类水体高精度大气校正模型的构建、气溶胶时间动态变化以及气溶胶反演产品的校正提供重要参考。
关键词:气溶胶光学性质;水色遥感;大气校正;太湖
Abstract & Keywords
Abstract: Aerosol optical properties is the key component of aerosol, and the important parameter using build high precision atmospheric correction in case II waters. Based on the sun spectrophotometer (CE-318) installed on the Taihu Laboratory for Lake Ecosystem Research Chinese Academy of Sciences, aerosol over Taihu lake were observed long timely, the CE-318 was the composion in NASA aeronet. We retrieved the aerosol optical properties over Taihu Lake from 2016 to 2017, through the standardized data collection and processing. This dataset can provide an important reference for the construction of high precision atmospheric correction model, temporal dynamics of aerosol, and correction of aerosol retrieval products in case II waters.
Keywords: aerosol optical properties; lake color remote sensing; atmospheric correction; Taihu Lake
数据库(集)基本信息简介
数据库(集)名称2016–2017年太湖气溶胶光学性质数据集
数据作者马荣华
数据通信作者马荣华(rhma@niglas.ac.cn)
数据时间范围2016–2017年
地理区域仪器架设在中国科学院太湖湖泊生态系统研究站,研究站位于太湖地区(30°55′–31°32N,119°53′–120°36′E)
数据量7.83 MB
数据格式*.k7, *.k8
数据服务系统网址http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00176
基金项目中国科学院“十三五”信息化建设专项(XXH-13514、XXH13505-03-201);国家科技基础条件平台—国家地球系统科学数据中心湖泊-流域分中心(http://lake.geodata.cn)
数据库(集)组成本数据集共18个字段,包括:年、月、340 nm气溶胶光学厚度月均值、380 nm气溶胶光学厚度月均值、440 nm气溶胶光学厚度月均值、500 nm气溶胶光学厚度月均值、675 nm气溶胶光学厚度月均值、870 nm气溶胶光学厚度月均值、1020 nm气溶胶光学厚度月均值;340–440 nm Ångström指数月均值、440–870 nm Ångström指数月均值、380–500 nm Ångström指数月均值、440–675 nm Ångström指数月均值、500–870 nm Ångström指数月均值;440 nm单次散射反照率月均值、670 nm单次散射反照率月均值、870 nm单次散射反照率月均值、1020 nm单次散射反照率月均值。
Dataset Profile
TitleScientific dataset of aerosol optical properties in Taihu lake, 2016-2017
Data corresponding authorMA Ronghua(rhma@niglas.ac.cn)
Data authorMA Ronghua
Time range2016–2017
Geographical scopeThe instrument is erected on the Taihu Laboratory for Lake Ecosystem Research Chinese Academy of Sciences, the research station is located in northern part of Taihu lake (30°55′–31°32N,119°53′–120°36′E).
Data volume7.83 MB
Data format*.k7, *. K8
Data service systemhttp://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00176
Source(s) of fundingNational Natural Science Foundation of China(41171273) and Important directional project knowledge innovation direction of the Chinese Academy of Sciences(KZCX2-YW-QN311); the 13th Five-year Informatization Plan of Chinese Academy of Sciences, Construction of Scientific Data Center System, Grant No. XXH-13514- -0311; Lake-Watershed Science Data Center, National Earth System Science Data Center, National Science & Technology Infrastructure of China Lake-Watershed Science Sub Data Center, National Earth System Science Data Center, National Science & Technology Infrastructure of China (http://lake.geodata.cn).
Dataset compositionThis dataset has 18 fields, which are year, month, monthly mean of aerosol optical depth in 340 nm, monthly mean of aerosol optical depth in 380nm, monthly mean of aerosol optical depth in 440 nm, monthly mean of aerosol optical depth in 500 nm, monthly mean of aerosol optical depth in 675 nm, monthly mean of aerosol optical depth in 870 nm, monthly mean of aerosol optical depth in 1020nm and monthly mean of Ångström exponent in 340–440 nm, monthly mean of Ångström exponent in 440–870 nm, monthly mean of Ångström exponent in 380–500 nm, monthly mean of Ångström exponent in 500–870 nm, monthly mean of Ångström exponent in 340-440nm, and monthly mean single scattering albedo in 440 nm, monthly mean single scattering albedo in 675 nm, monthly mean single scattering albedo in 870 nm, monthly mean single scattering albedo in 1020nm.
引 言
大气气溶胶是指由自然或人为活动排放的,悬浮在大气中固态的和液态的、具有稳定性、沉降性、尺度范围在0.001–100 μm之间的颗粒[1]。大多数的气溶胶粒子分布在距地面2–3 km以下的区域。气溶胶通过吸收、散射太阳辐射,不仅对气候产生直接与间接的辐射胁迫[2];还会使得电磁波在大气–目标物–遥感器传输途径中发生失真,造成目标地物辐射能量到达遥感器时被衰减[3],给计算地表反射率等关键参数带来较大误差,尤其对水体信号仅占传感器接收总信号的10%左右的水色遥感而言,消除大气(气溶胶)的效应显得十分关键[4],因此获取气溶胶光学性质参数十分重要。运用地基遥感观测手段获取的观测数据揭示II类水体(湖泊)上空气溶胶光学性质参数的变化规律,不仅能够精确反演II类水体大气校正所需的参数,而且能较为准确判断气溶胶模型,为湖泊水色遥感大气校正方法的选择、发展以及精度的提升提供数据基础。
太湖是我国第三大淡水湖泊,位于我国经济发展最具活力的长三角地区,近30年来该地区经济发展迅速,但随即也带来一些环境问题。诸如持续不断地往大气中排放大量的污染物,导致该地区大气水平能见度降低[5]、吸收性的黑炭气溶胶增多[6]等,不仅影响该地区的大气质量[7],也对局部气候环境产生影响[8]。然而国内外对于太湖空气溶胶的研究较少,数据基础多为空间分辨率与时间分辨率均较低的空基遥感数据,缺乏地基观测数据、尤其是长时间序列的高精度地基观测数据的支持。本数据来自位于中国科学院太湖湖泊生态系统研究站内的CE-318地基观测数据,包括不同波段的气溶胶光学厚度、Ångström指数、单次散射反照率。
1   数据采集和处理方法
1.1   数据采集
数据采集工具为安装在中国科学院太湖湖泊生态系统研究站内的CE-318,该仪器共有9个波段通道(参数如表1所示),由一个光学头、一个控制箱和一个双轴步进马达系统组成,光学头带有两个瞄准筒:一个用于测量太阳直射辐射,另一个用于天空辐射测量。步进马达系统具有方位和测量高度角两个自由度,由时间方程来控制太阳的初步跟踪,用四象限探测器系统作精密跟踪;控制箱内装有2个微处理器,分别用于数据获取和步进马达系统的控制。该仪器以1.5°的视场角每3 min获取340、380、440、500、675、870、936、1020和1640 nm通道的太阳直射光谱辐射测量值,其中936 nm通道的测量值用来获取大气中总的水汽含量,其余通道的测量值用来反演AOT。数据的采集时间为2016年1月至2017年12月。
表1   CE-318波段配置参数
波段配置123456789
中心波长/nm34038044050067587093610201640
波段宽度/nm4410101010101010
1.2   数据处理
1.2.1   气溶胶光学厚度(AOT)
假设在340–1640 nm波段内,来自地球-大气系统的发射辐射贡献可以略去[9],同时忽略多次散射产生的漫射辐射,根据Beer-Bouguer-Lambert定理,穿过大气层到达地面的太阳单色直射辐照度E(λ)可以表示为[10]:
(1)
式中:E0 (λ)为日地平均距离处大气上界的太阳单色直射辐照度,ds 为日地距离修正因子,M为大气质量数,τatm (λ)为大气光学厚度,包括Rayleigh散射光学厚度与经过吸收气体校正后的气溶胶光学厚度,tg (λ)为臭氧等吸收气体透过率的总和。


图1   CE-318观测太阳直射辐射几何示意图
日地距离修正因子采用如下经验公式计算[11]
(2)
J 是儒略日,即一年之中的天数,1月1日时J=0,12月31日时J=364。
大气质量数M采用如下经验公式计算:
(3)
式中:P为观测点在观测期间的大气气压(单位:hpa),为太阳天顶角(单位:度)。
大气总光学厚度τtotal (λ)可表达为:
(4)
式中:为大气分子瑞利散射光学厚度,为气溶胶光学厚度,为臭氧的光学厚度,是一个相对稳定的量,可由下列经验公式计算得出,即:
(5)
为波长,以μm为单位;P为压强(单位:hpa)。
可采用如下公式计算:
(6)
式中:为臭氧吸收系数,U为臭氧含量(单位:DU)。CE-318各通道的臭氧吸收系数见表2。
表2   CE-318各个通道的臭氧吸收系数[9]
波段/nm34038044050067587093610201640
0.030700.00260.03150.04450.001330.0004930.00004910
在936 nm波段上考虑水汽吸收,在340–1020 nm之间的波段主要考虑O3吸收;其他如NO2和CO2等,在CE-318所配置的波段上影响非常小,可以忽略相应的影响。
不考虑水汽影响,臭氧的透过率服从Beer定律,有:
(7)
因此,Beer-Bouguer-Lambert定理可以表达为:
(8)
由于太阳分光光度计的探测元件是线性元件,仪器输出的DN值与太阳辐射度之间是线性关系的,所以有:
(9)
(10)
气溶胶光学厚度可表示为:
(11)
在假设气溶胶粒子的谱分布满足Junge分布的情况下(仅适用于描述洁净大气中半径约为0.1–2 μm的气溶胶粒子分布),气溶胶的光学厚度跟波长之间的关系可以用式(12)表示:
\({\tau }_{a}\left(\lambda \right)=\beta {\lambda }^{-\alpha }\) (12)
式中:为Ångström波长指数,反应粒子大小;为大气浑浊度系数,与气溶胶粒子总数、粒子谱分布和折射指数有关。
设波段没有水汽影响(通常利用440和870nm的数据进行计算),可得:
(13)
(14)
(15)
从而得到任何波段的气溶胶光学厚度与Ångström波长指数。
1.2.2   单次散射反照率
在平面双行大气条件下,根据各自的物理贡献,天空下行辐射可由式(16)、(17)得到:
(16)
(17)
式中:为不同波长、不同散射角的CE-318测量的天空辐射值,为大气上界太阳辐射,为太阳天顶角,为观测天顶角,m0 为大气质量数(),为气溶胶光学厚度,是气溶胶单次散射反照率,为散射相函数,表示了多次散射效应〔即:,A、分别为地表反射率和地表观测天顶角;由于多次散射对反演结果影响不大,故在计算的过程中忽略气溶胶多次散射的影响〕。
在无云的情况下,气溶胶光学性质参数可由式(18)得到:
(18)
式中:分别为气溶胶光学厚度以及散射相函数,为大气分子散射,为吸收气体。单次散射反照率可由440、670、870、1020 nm处的气溶胶光学厚度和对应的天空观测数据反演得到[12]
2   数据样本描述
本数据集数据实体为rar压缩包文件,分为“CE-318 Data(2016年)”和“CE-318 Data(2017年)”两个文件夹,每个文件夹内包含当日的气溶胶数据文件,分为K7和K8两种格式文件,该类文件可使用ASTPWin软件打开进行处理。数据文件有18个字段,分为年、月、气溶胶光学厚度、Ångström波长指数和单次散射反照率数据。其中气溶胶光学厚度数据为2016–2017年观测的所有通道的数据、Ångström波长指数为非水汽吸收波段380、440、500、670、870 nm通道处的数值、单次散射反照率为440、670、870、1020 nm处的数值,具体的字段及示例如表3所示。
表3   太湖气溶胶光学性质数据字段说明
字段数据类型示例
数值型2016
数值型2
1020 nm气溶胶光学厚度月均值数值型0.277
870 nm气溶胶光学厚度月均值数值型0.343
675 nm气溶胶光学厚度月均值数值型0.463
500 nm气溶胶光学厚度月均值数值型0.645
440 nm气溶胶光学厚度月均值数值型0.719
380 nm气溶胶光学厚度月均值数值型0.797
340 nm气溶胶光学厚度月均值数值型0.847
440–870 nm Ångström波长指数月均值数值型1.103
380–500 nm Ångström波长指数月均值数值型0.819
440–675 nm Ångström波长指数月均值数值型1.084
500–870 nm Ångström波长指数月均值数值型1.132
340–440 nm Ångström波长指数月均值数值型0.689
440 nm单次散射反照率月均值数值型0.942
675 nm单次散射反照率月均值数值型0.961
870 nm单次散射反照率月均值数值型0.954
1020 nm单次散射反照率月均值数值型0.956
3   数据质量控制和评估
该仪器于2010年加入Aerosol robotic network(AREONET)组织,每年由National Aeronautics and Space Administration(NASA)组织仪器的定标、数据的处理。
数据传输方面:有人每天值守,基于无线传输技术,实时将观测到的数据传输至AERONET数据处理中心,数据的加工与质量严格按照AERONET的标准执行,气溶胶光学厚度(AOT)的反演精度约为0.01、单次散射反照率为3%以内[13]
4   数据价值
从NASA的MODIS气溶胶产品可用于太湖地区的气溶胶的研究,但由于其较低的空间分辨率、难以实时的监测以及较差的精度,使得该产品不适用于太湖水色遥感大气校正的研究。太湖站点作为AERONET全球观测站点之一,积累了太湖地区宝贵的实测数据,除此之外,无其他长时间连续观测数据。反演的气溶胶光学性质可用于研究气溶胶吸收性、构建高精度湖泊II类水体水色遥感大气校正模型;其次可作为验证卫星遥感反演的气溶胶产品精度的重要数据基础。
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数据引用格式
许金朵, 马荣华, 饶加旺, 等. 2016–2017年太湖气溶胶光学性质数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2021. (2021-05-11). DOI: 10.11922/sciencedb.j00001.00176.
稿件与作者信息
论文引用格式
许金朵, 马荣华, 饶加旺, 等. 2016–2017年太湖气溶胶光学性质数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2020. (2021-03-17). DOI: 10.11922/csdata.2020.0100.zh.
许金朵
Jinduo Xu
主要承担工作:数据收集、整编与数据库建设。
(1982—),女,江苏省徐州市人,硕士,高级工程师,研究方向为数据共享与地理信息系统。
马荣华
Ronghua Ma
主要承担工作:数据收集。
rhma@niglas.ac.cn
(1972—),男,山东省临沂市人,博士,研究员,研究方向为湖泊环境遥感。
饶加旺
Jiawang Rao
主要承担工作:数据整编、数据质量控制。
(1988—),男,安徽省安庆市人,硕士,工程师,研究方向为湖泊环境遥感。
王贞
Zhen Wang
主要承担工作:数据整编与数据发布。
(1983—),女,河北,本科,工程师,研究方向为数据库建设。
出版历史
I区发布时间:2021年5月11日 ( 版本ZH2
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中国科学数据
csdata