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                    其他數據論文 I 區論文(評審中) ? 版本 ZH2
                    下載
                    2016–2017年太湖氣溶膠光學性質數據集
                    ?>>
                    : 2020 - 11 - 20
                    : 2021 - 05 - 11
                    : 2021 - 05 - 11
                    极速快三
                    793 3 0
                    摘要&關鍵詞
                    摘要:氣溶膠光學性質是大氣氣溶膠重要的參數,也是構建II類水體高精度大氣校正模型的重要參數。作為NASA全球自動觀測網(AERONET)站點之一的中國科學院太湖湖泊生態系統研究站,采用太陽分光光度計CE-318,對太湖進行了長時間序列的氣溶膠觀測。本研究通過對氣溶膠數據的長時間序列的標準化收集、處理,得到了太湖2016–2017年氣溶膠光學性質數據。本數據集可為湖泊II類水體高精度大氣校正模型的構建、氣溶膠時間動態變化以及氣溶膠反演產品的校正提供重要參考。
                    關鍵詞:氣溶膠光學性質;水色遙感;大氣校正;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
                    數據庫(集)基本信息簡介
                    數據庫(集)名稱2016–2017年太湖氣溶膠光學性質數據集
                    數據作者馬榮華
                    數據通信作者馬榮華(rhma@niglas.ac.cn)
                    數據時間范圍2016–2017年
                    地理區域儀器架設在中國科學院太湖湖泊生態系統研究站,研究站位于太湖地區(30°55′–31°32N,119°53′–120°36′E)
                    數據量7.83 MB
                    數據格式*.k7, *.k8
                    數據服務系統網址http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00176
                    基金項目中國科學院“十三五”信息化建設專項(XXH-13514、XXH13505-03-201);國家科技基礎條件平臺—國家地球系統科學數據中心湖泊-流域分中心(http://lake.geodata.cn)
                    數據庫(集)組成本數據集共18個字段,包括:年、月、340 nm氣溶膠光學厚度月均值、380 nm氣溶膠光學厚度月均值、440 nm氣溶膠光學厚度月均值、500 nm氣溶膠光學厚度月均值、675 nm氣溶膠光學厚度月均值、870 nm氣溶膠光學厚度月均值、1020 nm氣溶膠光學厚度月均值;340–440 nm ?ngstr?m指數月均值、440–870 nm ?ngstr?m指數月均值、380–500 nm ?ngstr?m指數月均值、440–675 nm ?ngstr?m指數月均值、500–870 nm ?ngstr?m指數月均值;440 nm單次散射反照率月均值、670 nm單次散射反照率月均值、870 nm單次散射反照率月均值、1020 nm單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 ?ngstr?m exponent in 340–440 nm, monthly mean of ?ngstr?m exponent in 440–870 nm, monthly mean of ?ngstr?m exponent in 380–500 nm, monthly mean of ?ngstr?m exponent in 500–870 nm, monthly mean of ?ngstr?m 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
                    大氣氣溶膠是指由自然或人為活動排放的,懸浮在大氣中固態的和液態的、具有穩定性、沉降性、尺度范圍在0.001–100 μm之間的顆粒[1]。大多數的氣溶膠粒子分布在距地面2–3 km以下的區域。氣溶膠通過吸收、散射太陽輻射,不僅對氣候產生直接與間接的輻射脅迫[2];還會使得電磁波在大氣–目標物–遙感器傳輸途徑中發生失真,造成目標地物輻射能量到達遙感器時被衰減[3],給計算地表反射率等關鍵參數帶來較大誤差,尤其對水體信號僅占傳感器接收總信號的10%左右的水色遙感而言,消除大氣(氣溶膠)的效應顯得十分關鍵[4],因此獲取氣溶膠光學性質參數十分重要。運用地基遙感觀測手段獲取的觀測數據揭示II類水體(湖泊)上空氣溶膠光學性質參數的變化規律,不僅能夠精確反演II類水體大氣校正所需的參數,而且能較為準確判斷氣溶膠模型,為湖泊水色遙感大氣校正方法的選擇、發展以及精度的提升提供數據基礎。
                    太湖是我國第三大淡水湖泊,位于我國經濟發展最具活力的長三角地區,近30年來該地區經濟發展迅速,但隨即也帶來一些環境問題。諸如持續不斷地往大氣中排放大量的污染物,導致該地區大氣水平能見度降低[5]、吸收性的黑炭氣溶膠增多[6]等,不僅影響該地區的大氣質量[7],也對局部氣候環境產生影響[8]。然而國內外對于太湖空氣溶膠的研究較少,數據基礎多為空間分辨率與時間分辨率均較低的空基遙感數據,缺乏地基觀測數據、尤其是長時間序列的高精度地基觀測數據的支持。本數據來自位于中國科學院太湖湖泊生態系統研究站內的CE-318地基觀測數據,包括不同波段的氣溶膠光學厚度、?ngstr?m指數、單次散射反照率。
                    1 ? 數據采集和處理方法
                    1.1 ? 數據采集
                    數據采集工具為安裝在中國科學院太湖湖泊生態系統研究站內的CE-318,該儀器共有9個波段通道(參數如表1所示),由一個光學頭、一個控制箱和一個雙軸步進馬達系統組成,光學頭帶有兩個瞄準筒:一個用于測量太陽直射輻射,另一個用于天空輻射測量。步進馬達系統具有方位和測量高度角兩個自由度,由時間方程來控制太陽的初步跟蹤,用四象限探測器系統作精密跟蹤;控制箱內裝有2個微處理器,分別用于數據獲取和步進馬達系統的控制。該儀器以1.5°的視場角每3 min獲取340、380、440、500、675、870、936、1020和1640 nm通道的太陽直射光譜輻射測量值,其中936 nm通道的測量值用來獲取大氣中總的水汽含量,其余通道的測量值用來反演AOT。數據的采集時間為2016年1月至2017年12月。
                    表1 ? CE-318波段配置參數
                    波段配置123456789
                    中心波長/nm34038044050067587093610201640
                    波段寬度/nm4410101010101010
                    1.2 ? 數據處理
                    1.2.1 ? 氣溶膠光學厚度(AOT)
                    假設在340–1640 nm波段內,來自地球-大氣系統的發射輻射貢獻可以略去[9],同時忽略多次散射產生的漫射輻射,根據Beer-Bouguer-Lambert定理,穿過大氣層到達地面的太陽單色直射輻照度E(λ)可以表示為[10]:
                    (1)
                    式中:E0 (λ)為日地平均距離處大氣上界的太陽單色直射輻照度,ds 為日地距離修正因子,M為大氣質量數,τatm (λ)為大氣光學厚度,包括Rayleigh散射光學厚度與經過吸收氣體校正后的氣溶膠光學厚度,tg (λ)為臭氧等吸收氣體透過率的總和。


                    圖1 ? CE-318觀測太陽直射輻射幾何示意圖
                    日地距離修正因子采用如下經驗公式計算[11]
                    (2)
                    J 是儒略日,即一年之中的天數,1月1日時J=0,12月31日時J=364。
                    大氣質量數M采用如下經驗公式計算:
                    (3)
                    式中:P為觀測點在觀測期間的大氣氣壓(單位:hpa),為太陽天頂角(單位:度)。
                    大氣總光學厚度τtotal (λ)可表達為:
                    (4)
                    式中:為大氣分子瑞利散射光學厚度,為氣溶膠光學厚度,為臭氧的光學厚度,是一個相對穩定的量,可由下列經驗公式計算得出,即:
                    (5)
                    為波長,以μm為單位;P為壓強(單位:hpa)。
                    可采用如下公式計算:
                    (6)
                    式中:為臭氧吸收系數,U為臭氧含量(單位:DU)。CE-318各通道的臭氧吸收系數見表2。
                    表2 ? CE-318各個通道的臭氧吸收系數[9]
                    波段/nm34038044050067587093610201640
                    0.030700.00260.03150.04450.001330.0004930.00004910
                    在936 nm波段上考慮水汽吸收,在340–1020 nm之間的波段主要考慮O3吸收;其他如NO2和CO2等,在CE-318所配置的波段上影響非常小,可以忽略相應的影響。
                    不考慮水汽影響,臭氧的透過率服從Beer定律,有:
                    (7)
                    因此,Beer-Bouguer-Lambert定理可以表達為:
                    (8)
                    由于太陽分光光度計的探測元件是線性元件,儀器輸出的DN值與太陽輻射度之間是線性關系的,所以有:
                    (9)
                    (10)
                    氣溶膠光學厚度可表示為:
                    (11)
                    在假設氣溶膠粒子的譜分布滿足Junge分布的情況下(僅適用于描述潔凈大氣中半徑約為0.1–2 μm的氣溶膠粒子分布),氣溶膠的光學厚度跟波長之間的關系可以用式(12)表示:
                    \({\tau }_{a}\left(\lambda \right)=\beta {\lambda }^{-\alpha }\) (12)
                    式中:為?ngstr?m波長指數,反應粒子大??;為大氣渾濁度系數,與氣溶膠粒子總數、粒子譜分布和折射指數有關。
                    設波段,沒有水汽影響(通常利用440和870nm的數據進行計算),可得:
                    (13)
                    (14)
                    (15)
                    從而得到任何波段的氣溶膠光學厚度與?ngstr?m波長指數。
                    1.2.2 ? 單次散射反照率
                    在平面雙行大氣條件下,根據各自的物理貢獻,天空下行輻射可由式(16)、(17)得到:
                    (16)
                    (17)
                    式中:為不同波長、不同散射角的CE-318測量的天空輻射值,為大氣上界太陽輻射,為太陽天頂角,為觀測天頂角,m0 為大氣質量數(),為氣溶膠光學厚度,是氣溶膠單次散射反照率,為散射相函數,表示了多次散射效應〔即:,A、分別為地表反射率和地表觀測天頂角;由于多次散射對反演結果影響不大,故在計算的過程中忽略氣溶膠多次散射的影響〕。
                    在無云的情況下,氣溶膠光學性質參數、、可由式(18)得到:
                    (18)
                    式中:、分別為氣溶膠光學厚度以及散射相函數,為大氣分子散射,為吸收氣體。單次散射反照率可由440、670、870、1020 nm處的氣溶膠光學厚度和對應的天空觀測數據反演得到[12]。
                    2 ? 數據樣本描述
                    本數據集數據實體為rar壓縮包文件,分為“CE-318 Data(2016年)”和“CE-318 Data(2017年)”兩個文件夾,每個文件夾內包含當日的氣溶膠數據文件,分為K7和K8兩種格式文件,該類文件可使用ASTPWin軟件打開進行處理。數據文件有18個字段,分為年、月、氣溶膠光學厚度、?ngstr?m波長指數和單次散射反照率數據。其中氣溶膠光學厚度數據為2016–2017年觀測的所有通道的數據、?ngstr?m波長指數為非水汽吸收波段380、440、500、670、870 nm通道處的數值、單次散射反照率為440、670、870、1020 nm處的數值,具體的字段及示例如表3所示。
                    表3 ? 太湖氣溶膠光學性質數據字段說明
                    字段數據類型示例
                    數值型2016
                    數值型2
                    1020 nm氣溶膠光學厚度月均值數值型0.277
                    870 nm氣溶膠光學厚度月均值數值型0.343
                    675 nm氣溶膠光學厚度月均值數值型0.463
                    500 nm氣溶膠光學厚度月均值數值型0.645
                    440 nm氣溶膠光學厚度月均值數值型0.719
                    380 nm氣溶膠光學厚度月均值數值型0.797
                    340 nm氣溶膠光學厚度月均值數值型0.847
                    440–870 nm ?ngstr?m波長指數月均值數值型1.103
                    380–500 nm ?ngstr?m波長指數月均值數值型0.819
                    440–675 nm ?ngstr?m波長指數月均值數值型1.084
                    500–870 nm ?ngstr?m波長指數月均值數值型1.132
                    340–440 nm ?ngstr?m波長指數月均值數值型0.689
                    440 nm單次散射反照率月均值數值型0.942
                    675 nm單次散射反照率月均值數值型0.961
                    870 nm單次散射反照率月均值數值型0.954
                    1020 nm單次散射反照率月均值數值型0.956
                    3 ? 數據質量控制和評估
                    該儀器于2010年加入Aerosol robotic network(AREONET)組織,每年由National Aeronautics and Space Administration(NASA)組織儀器的定標、數據的處理。
                    數據傳輸方面:有人每天值守,基于無線傳輸技術,實時將觀測到的數據傳輸至AERONET數據處理中心,數據的加工與質量嚴格按照AERONET的標準執行,氣溶膠光學厚度(AOT)的反演精度約為0.01、單次散射反照率為3%以內[13]。
                    4 ? 數據價值
                    從NASA的MODIS氣溶膠產品可用于太湖地區的氣溶膠的研究,但由于其較低的空間分辨率、難以實時的監測以及較差的精度,使得該產品不適用于太湖水色遙感大氣校正的研究。太湖站點作為AERONET全球觀測站點之一,積累了太湖地區寶貴的實測數據,除此之外,無其他長時間連續觀測數據。反演的氣溶膠光學性質可用于研究氣溶膠吸收性、構建高精度湖泊II類水體水色遙感大氣校正模型;其次可作為驗證衛星遙感反演的氣溶膠產品精度的重要數據基礎。
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                    數據引用格式
                    許金朵, 馬榮華, 饒加旺, 等. 2016–2017年太湖氣溶膠光學性質數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2021. (2021-05-11). DOI: 10.11922/sciencedb.j00001.00176.
                    稿件與作者信息
                    論文引用格式
                    許金朵, 馬榮華, 饒加旺, 等. 2016–2017年太湖氣溶膠光學性質數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2020. (2021-03-17). DOI: 10.11922/csdata.2020.0100.zh.
                    許金朵
                    Jinduo Xu
                    主要承擔工作:數據收集、整編與數據庫建設。
                    (1982—),女,江蘇省徐州市人,碩士,高級工程師,研究方向為數據共享與地理信息系統。
                    馬榮華
                    Ronghua Ma
                    主要承擔工作:數據收集。
                    rhma@niglas.ac.cn
                    (1972—),男,山東省臨沂市人,博士,研究員,研究方向為湖泊環境遙感。
                    饒加旺
                    Jiawang Rao
                    主要承擔工作:數據整編、數據質量控制。
                    (1988—),男,安徽省安慶市人,碩士,工程師,研究方向為湖泊環境遙感。
                    王貞
                    Zhen Wang
                    主要承擔工作:數據整編與數據發布。
                    (1983—),女,河北,本科,工程師,研究方向為數據庫建設。
                    出版歷史
                    I區發布時間:2021年5月11日 ( 版本ZH2
                    參考文獻列表中查看
                    中國科學數據
                    csdata