《环境与生活》杂志|薛勇院士：遥感反演助力大气污染防治( 五 )
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图｜2015年 ， 在俄罗斯莫斯科 ， 薛勇参加国际地理联盟大会并作会议报告 。
“大气边界层”是与地表直接接触的大气底层 ， 是地球-大气之间进行物质和能量交换的桥梁 ， 薛勇院士指出 ， 研究湍流作用（湍流现象在自然界、工业装置和日常生活中比比皆是 ， 如大气中的乱云、河流中的急流、热电厂的浓烟等）导致的能量交换 ， 以及大气成分的垂直变化等 ， 对了解气候和指导人类活动具有重要意义 。
“对全球和区域环境的定性和定量解译是研究一切地球科学的基石 ， 而具有长时序、全覆盖特点的遥感数据更是重中之重 。 海量的遥感数据和模型均离不开高性能计算 ， 特别是现在卫星传感器都向着高光谱、高分辨率发展 ， 针对遥感大数据的计算效率和精度成为‘卡脖子’问题 ， 所以基于遥感数据特点的软硬件开发是解决难题的有效手段 。 此外 ， 获取的数据如何使用、能从中获取什么信息 ， 是地球大数据研究的重要课题 。 ”薛勇在英国写博士论文时 ， 其研究工作需要结合地表反照率、地表温度等计算地表大气边界层能量交换 ， 包括短波辐射、长波辐射、显热通量和潜热通量 。 “在计算短波辐射时 ， 需要大气气溶胶数据 。 我自己创新性地推导出一个定量反演大气气溶胶的算法 。 而在进行遥感数据处理、分析和计算地表物理参数时 ， 我发现普通计算机的计算速度比较慢 ， 于是从2000年开始高性能地学计算的工作 。 ”
这些术语乍一听让人容易云里雾里 ， 但薛勇院士强调 ， 无论在国内还是国外 ， 他从事的研究都基于“人类与大气和谐、可持续发展的需求和挑战” ， 其实同日常生活和生产都密切相关 。 “我们将卫星数据进行处理和展示 ， 公众就可从中直观地了解所需的科学信息 ， 如对气溶胶反演的研究可应用于日常大气污染监测 。 再如 ， 地表能量交换研究与天气预报、农业生产息息相关 。 而地球大数据的研究应用体现在日常的天气预报、快递的地图指示等方面 。 我们目前很多项目都聚焦于我国哪些地方存在大气污染、严重到什么程度 ， 最后的项目成果可以支撑不同领域的需求 ， 如为国家能源产业规划和决策提供大气污染信息、为一个区域内的大气污染协同治理提供数据支持等 。 ”
自主研发我国首个长时间序列气溶胶光学厚度数据集
海洋上的气溶胶反演较为容易 ， 因为人类影响相对小 ， 而陆地地表很复杂 ， 所以薛院士一直专攻陆地气溶胶反演 。 在陆地大气气溶胶反演领域 ， 薛勇的团队已开发出三大创新成果 。
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图｜9月29日 ， 中国矿业大学能源与环境遥感大数据研究中心主任薛勇院士 ， 在用英语给矿大的本科生上专业课 。刘军民 摄
一是创建了我国第一个自主研发的“长时间序列气溶胶光学厚度数据集” 。
薛勇院士强调 ， 大气成分的总量变化是一个长期过程 ， 包括人类活动和污染治理对大气的影响都具有一定的交互过程 。 气溶胶光学厚度是目前可得到的气溶胶数据中覆盖范围最广、较准确的一种数据 ， 同时也是推算气溶胶含量、评估大气污染程度、确定气溶胶气候效应的关键参数 。 长期连续监测气溶胶光学厚度 ， 对研究区域气候特征、环境政策甚至全球变化的应对等有重要意义 。 “国际上已有不少气溶胶光学厚度的数据集 ， 但受各种因素影响 ， 仍存在较大区域性和系统性偏差 ， 尤其是针对中国这种异质（不均匀、复杂）陆地表面 。 ”
据了解 ， 美国的MODIS自2000年开始才产生数据 ， 迄今只有20年左右的数据量 。 而美国国家海洋大气局“NOAA系列气象观测卫星”上搭载的AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer ， 高级甚高分辨率辐射仪）传感器 ， 从1978年开始试运行 ， 其数据具有连续性和时空一致性 。 基于AVHRR的数据 ， 薛勇的团队做了两项创新工作：首先 ， 对NOAA的卫星传感器进行系统性的后验定标 ， 做了一套定标算法 ， 确保所有光谱数据具有一致的精度；另外 ， 基于单波段地气系统耦合反演难题 ， 开发了一套气溶胶反演算法 ， 这套算法经过长期验证和改进 ， 与当下应用最广泛的NASA/MODIS算法精度相当 。 “两个算法相结合产生的创新成果是基于35年以上高分辨率、长时序的遥感数据 ， 反演出陆地大气气溶胶光学厚度 ， 可以把1982年至今陆地上的气溶胶光学厚度变化情况算出来 ， 这为研究全球气候变化和人类活动共同作用下的环境污染效应 ， 提供了科学数据的支撑 。 ”
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