关于《基于卫星气溶胶光学厚度反演地面能见度算法的研究》的学术研究报告
一、 研究作者、机构及发表信息
本研究的主要作者为张岩（第一作者）与李婧（通讯作者）。张岩分别来自北京大学物理学院大气与海洋科学系（主要单位）以及92020部队（青岛）；李婧来自北京大学物理学院大气与海洋科学系。研究成果以《基于卫星气溶胶光学厚度反演地面能见度算法的研究》为题，于2020年3月正式发表于《北京大学学报（自然科学版）》第56卷第2期。该研究得到了国家自然科学基金（项目号：41575018）的资助。
二、 学术背景与研究目标
本研究属于大气科学与遥感科学交叉领域，核心研究方向是利用卫星遥感技术反演地面能见度。地面能见度是重要的气象和环境指标，在交通安全、大气污染评估及大气稳定度表征等方面具有关键作用。传统上，地面能见度主要通过人工或仪器在地面站点观测获得，这些方法无法提供大范围、连续的空间分布信息。卫星遥感技术则为获取大范围能见度信息提供了可能。现有的卫星反演方法大多基于气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth, AOD）与地面能见度之间的统计关系，但普遍存在两个主要局限：一是对决定AOD与地面能见度之间转换关系的关键参数——气溶胶标高（Aerosol Scale Height）考虑较为单一或需要预先假定；二是研究多聚焦于局部区域，缺乏针对中国这样大尺度陆地区域的系统性反演研究。
基于此背景，本研究的目标是发展一种新颖的、适用于中国陆地范围的地面能见度卫星反演算法。该算法旨在解决气溶胶标高的准确估计问题，从而将中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS）卫星观测到的AOD更精确地转化为地面能见度的空间分布。
三、 详细研究流程与方法
本研究的工作流程系统而复杂，主要包含以下几个关键环节：
1. 数据与模式准备 首先，研究汇集了多种数据源与模型。地面验证数据来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）资料库的中国346个地面气象观测站2010年至2014年的水平能见度数据。核心遥感数据包括同期MODIS卫星的550纳米陆面气溶胶光学厚度（AOD）产品，以及云-气溶胶激光雷达与红外探测者卫星（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations, CALIPSO）提供的532纳米气溶胶消光系数垂直廓线数据。此外，研究还使用了安装在北京大学的微脉冲激光雷达（Micropulse Lidar, MPL）在2016年至2017年间观测的气溶胶廓线数据，用于验证卫星和模式的结果。
研究所用的核心模型是全球大气化学传输模式（GEOS-Chem）。该模型可以模拟沙尘、黑炭等六种主要气溶胶的全球三维分布。研究使用了两个版本的GEOS-Chem模拟结果：一是使用MERRA气象数据驱动的v10-01版本（1998-2009年），用于计算背景误差协方差矩阵；二是使用MERRA2和GEOS-FP气象数据驱动的v11-02rc版本（2010-2014年），用于提供每日的背景场数据。
2. 两种气溶胶标高来源的获取与对比 气溶胶标高是连接整层AOD与近地面消光系数（进而与能见度）的桥梁。研究从两条路径获取此关键参数： * CALIPSO观测标高：对2006年至2017年间CALIPSO卫星在中国陆地上空的观测廓线进行统计，将每个1°×1°网格内每月的所有标高进行平均，得到多年月平均的气溶胶标高空间分布图（图2）。结果显示，CALIPSO标高呈现出明显的地域和季节差异，例如人口稠密地区（如华北平原）标高较低，夏季标高普遍高于冬季，这与边界层高度变化和人类活动规律相符。 * GEOS-Chem模拟标高：对GEOS-Chem模式1998年至2011年的模拟结果进行统计，计算总气溶胶光学厚度的垂直分布，进而得到多年月平均的模式模拟标高（图3）。模拟结果同样显示了地域（总体上西高东低）和季节变化，但其空间分布比CALIPSO观测结果平滑得多，局地细节差异较小。 * MPL数据对两者的验证：为了评估哪种标高更接近实际情况，研究利用北京大学MPL的局地观测数据（共15条匹配廓线）进行了验证。结果（图4）清晰地表明，CALIPSO观测的标高比GEOS-Chem模拟的标高更接近MPL的实地观测值，尤其是在春夏季。这证明了卫星直接观测在捕捉气溶胶垂直分布局地特征方面的优势，而全球模式由于分辨率限制，在局地尺度上存在较大误差。这一发现为后续将CALIPSO观测同化进模式背景场的必要性提供了直接证据。
3. 开发核心反演算法：数据同化与转换 本研究最大的创新在于开发了一套结合观测与模式、通过资料同化优化气溶胶标高场的反演算法（图5）。 * 数据同化：采用最优插值法（Optimal Interpolation, OI），将CALIPSO观测的标高作为“更新观测值”，将GEOS-Chem模式模拟的标高作为“背景场”。通过计算两者的误差协方差矩阵，并引入基于高斯函数的距离权重系数以使卫星观测的影响局地化，最终生成一个误差更小的“分析场”标高。这个分析场理论上兼具了模式的大尺度合理性和卫星观测的局地准确性。 * AOD转能见度模型：理论基础是Koschmieder公式（能见度与地面消光系数成反比）及AOD是整层大气消光系数垂直积分的定义。在假设气溶胶消光系数随高度呈指数递减的前提下，推导出地面能见度（v）与AOD（τ）和气溶胶标高（h）的关系为：v = k* × h / τ，其中k*为比例系数。研究特别指出，并未直接采用经典Koschmieder常数3.912，而是将其作为一个待定参数，在实际反演中暂设定为1，这主要是考虑到理论常数的严格适用条件及算法的统计反演特性。 * 算法流程集成：首先，利用多年的CALIPSO和GEOS-Chem数据计算OI同化所需的权重系数矩阵。对于某一天的能见度反演，需要获取当日的MODIS AOD数据、CALIPSO廓线数据，并运行GEOS-Chem得到背景场。然后，将CALIPSO观测同化进模式背景场，得到当日的标高分析场。最后，将MODIS AOD像素点的AOD值（加上计算得到的瑞利散射光学厚度）除以对应位置的同化后标高分析值，即得到反演的地面能见度分布。
4. 反演结果验证与误差分析 研究从多个维度对算法反演的能见度结果进行了详尽的验证与分析。 * 点对点对比：将2010年至2014年间符合无云、无降水等筛选条件的站点观测能见度，与时空匹配的卫星反演能见度进行点对点比较（图6）。由于地面观测数据本身存在记录上限（如不超过15公里）和离散化问题，直接的相关性较弱。但通过对大量数据（4422个匹配点）的线性拟合发现，使用同化后分析场反演的能见度，其拟合线斜率比使用同化前背景场反演的更接近1，决定系数R²略有提高，均方根误差（RMSE）有所降低，表明同化过程改善了反演精度。对多年逐月点对点相关系数的统计（图7）显示，最佳月份（如1月、6月、10月）的相关系数可超过0.5，冬季、夏季和秋季的平均相关性均超过0.4。 * 时空分布对比：以2010年为例，将反演能见度与观测能见度分别格点化，进行季节平均的区域分布对比（图8）。结果表明，两者具有高度一致的区域分布形势，格点对格点的季节相关系数在0.74至0.85之间。反演结果不仅弥补了地面站点稀疏区域的空白，而且能见度的数值变化范围比受记录上限限制的观测值更大，更能体现不同区域和季节间的实际差异。 * 分区验证：将中国陆地划分为6个区域（A-F区），分析2010-2014年反演与观测能见度多年月平均序列的变化趋势（图10）。结果显示，除沿海的F区夏季偏差较大外，其他5个区域两者逐月变化趋势的相关系数均大于0.7，表明算法能很好地捕捉不同区域能见度的季节性变化规律。在能见度通常较好的A、B区，反演值出现“高估”，这恰恰可能是由于算法突破了地面观测记录的上限，反映了更真实的能见度高值情况。
四、 主要研究成果
本研究的每一步都取得了关键性结果，并环环相扣支撑了最终结论。首先，通过对CALIPSO和GEOS-Chem的数据统计，成功绘制了中国陆地范围内气溶胶标高的详细时空分布图，证实了标高作为反映气溶胶垂直分布特征参数的有效性。其次，通过MPL数据的独立验证，关键性地证明了CALIPSO卫星观测在表征局地气溶胶垂直结构上优于全球模式模拟，这为采用数据同化方法融合二者优势提供了直接的科学依据。接着，基于理论推导和OI同化技术，成功开发了一套从MODIS AOD反演地面能见度的完整算法。该算法创新性地将卫星直接观测的局地信息与模式模拟的大尺度场相结合，优化了反演中的核心参数——气溶胶标高。最后，利用长达五年的地面观测数据进行的系统性验证表明，该算法反演的地面能见度，在月尺度点对点相关性、区域分布形势以及不同区域的季节变化趋势上，均与地面观测有良好的一致性。特别是区域分布形势的高相关性（>0.74）和分区月序列变化的高一致性（多数区域>0.7），强有力地证明了该算法在中国大范围陆地区域应用的可行性和可靠性。
五、 研究结论与价值
本研究得出结论：通过资料同化方法融合CALIPSO卫星观测与GEOS-Chem模式模拟，可以构建出更准确的气溶胶标高场；以此为基础，将MODIS卫星的AOD产品转化为地面能见度的算法是有效的。该算法能够获得大范围、空间连续的地面能见度分布信息，其反演结果与地面观测在月际变化和空间分布上吻合较好，具有在能见度监测和预报业务中推广应用的科学潜力。
本研究的科学价值在于：提出并验证了一种融合多源观测与模式数据的卫星能见度反演新思路，解决了传统方法中气溶胶标高参数估计不准的难题，推动了大范围能见度遥感反演方法的发展。其应用价值显著：该算法有望生成中国乃至全球陆地区域的地面能见度卫星遥感产品，弥补地面观测站在空间覆盖上的不足，为气象预报、环境监测、交通安全、大气污染研究和公共卫生等领域提供重要的数据支持。
六、 研究亮点
本研究的亮点突出体现在以下几个方面： 1. 方法创新：首创性地将最优插值（OI）资料同化方法应用于卫星能见度反演领域，将CALIPSO激光雷达的直接观测信息与GEOS-Chem化学传输模式的模拟场有机结合，显著提高了气溶胶标高这一关键中间参数的估计精度。 2. 系统性验证：验证工作全面而系统，不仅进行了点对点的统计分析，还从空间分布形势、不同区域季节变化趋势等多个维度进行评估，充分论证了算法在大尺度区域应用的稳定性和可靠性。 3. 目标特殊性：研究明确针对“中国陆地范围”这一大尺度区域进行算法设计与验证，弥补了先前研究多集中于局部地区的不足，研究成果更具实际业务化应用前景。 4. 数据融合：综合利用了多种先进的数据源，包括MODIS（光学特性）、CALIPSO（垂直结构）、地面站点（验证基准）、MPL（独立验证）以及GEOS-Chem（模式背景），体现了多平台、多传感器数据协同解决科学问题的先进思路。
七、 其他有价值内容
研究在误差分析部分（3.3节）坦诚且深入地讨论了算法目前存在的局限性及未来改进方向，体现了严谨的科学态度。主要误差来源包括：地面观测数据本身的质量和记录习惯限制、卫星观测（MODIS AOD和CALIPSO廓线）的不确定性、全球模式分辨率不足导致的局地误差、对气溶胶垂直分布为指数递减的简化假设、以及Koschmieder常数的不确定性等。这些分析为后续研究的深化指明了方向，例如：积累更高质量的地面实测数据、采用更高分辨率的区域模式、考虑更复杂的气溶胶垂直廓线（如受边界层日变化、远距离输送影响的情况）、以及通过大量统计建立更精确的反演系数模型等。这些讨论对于该领域的后续研究者具有重要的参考价值。