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基于多波段气溶胶光学厚度的气溶胶类型快速确定方法研究

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1 绪论

1.1 论文背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容和论文组织

1.4 本章小结

2 气溶胶类型确定的理论基础

2.1 大气气溶胶的物理特性

2.2 气溶胶的光学特性

2.3 Mie散射理论及其计算

2.4 本章小节

3 气溶胶类型确定的原理与方法

3.1 气溶胶类型确定的基本原理

3.2 确定气溶胶类型的查找表方法

3.3 辐射传输计算中的应用

3.4 本章小结

4 气溶胶类型查找表的构建

4.1 查找表构建方法

4.2 查找方法

4.3 本章小结

5 模拟实验结果与分析

5.1 实验过程

5.2 实验结果

5.3 算法稳定性分析

5.4 误差分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要研究成果与创新点

6.2 研究中存在的不足和展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况

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摘要

大气气溶胶在地球辐射收支平衡、气候变化、空气质量以及定量遥感等诸多方面都有重要影响。气溶胶类型确定对于气溶胶光学特性研究特别是气溶胶光学厚度高精度遥感反演具有重要的意义。针对传统气溶胶类型确定方法的局限性以及当前气溶胶类型确定存在的困难，提出一种使用多波段气溶胶光学厚度数据确定气溶胶类型的方法。使用440纳米、670纳米、870纳米及1020纳米4个波段的气溶胶光学厚度，确定沙尘性、水溶性和煤烟三种气溶胶粒子的数量和容积百分比，即确定气溶胶类型。主要的研究工作包括以下几个方面：
　　（1）气溶胶类型确定的原理和方法研究。基于Mie散射理论和气溶胶的物理与光学特性分析确定尺度分布、消光效率因子等参数；根据气溶胶光学厚度的表达式分析不同类型气溶胶粒子数量与多波段光学厚度之间的关系，确定气溶胶类型确定的基本原理。选择440nm、670nm、870nm及1020nm4个波段的气溶胶光学厚度，开展气溶胶类型确定研究，即确定出沙尘性、水溶性和煤烟三种气溶胶粒子的数量；引入气溶胶粒子总数和每种粒子占总数的比例，并引入每个波段光学厚度占四个波段光学厚度总和的比例，通过公式推导确定二者之间的对应关系；基于对应关系，通过正向模拟构建二者之间的查找表实现气溶胶类型确定算法。同时，研究由粒子数量到容积百分比的转化计算，实现算法在辐射传输计算中的应用。
　　（2）从计算结果在辐射传输计算中应用的角度对气溶胶类型查找表构建进行研究。根据气溶胶粒子数量比例和容积百分比之间的转化关系，研究数量比例误差对容积百分比的影响；根据容积百分比应用到辐射传输计算的误差要求，设置相关约束条件进而确定数量比例的取值范围、区间分割以及步长，考虑到了不同组合的气溶胶类型；根据不同气溶胶类型组合，计算对应多波段气溶胶光学厚度，完成查找表构建。在保证一定精度的前提下简化查找表，以提高查找效率和计算速度。
　　（3）为验证该方法的有效性，使用模拟的多波段气溶胶光学厚度数据，开展了气溶胶类型确定的精度验证、稳定性分析和误差分析实验研究并进行分析。设计精度验证实验，结果中RMB、MAE、MRE、RMSE四个指标说明算法的精度较高；设计算法稳定性分析实验，证明算法是稳定的；设计误差分析实验，说明气溶胶光学厚度的精度对气溶胶类型的确定影响较大。实验结果表明本文提出的气溶胶类型确定方法能够以较高精度确定气溶胶粒子数量，较为准确的得出气溶胶类型的组合。

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