上海海洋大学常亮教授团队在IEEE TGRS发表北极气溶胶遥感研究最新成果

近日，上海海洋大学海洋科学与生态环境学院常亮教授团队利用多源卫星遥感技术，在北极多源大气气溶胶光学厚度数据融合方面取得重要研究进展。该研究成果以“Fusion of the Arctic Aerosol Optical Depth Based on Improved Bayesian Maximum Entropy”为题，发表于地球科学与遥感领域国际顶级期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing（IEEE TGRS）（最新IF=8.6）。上海海洋大学为唯一完成单位，海洋科学与生态环境学院硕士研究生韩玉莉为论文第一作者，常亮教授为通讯作者，合作作者还包括海洋科学与生态环境学院博士研究生陈芳霖和硕士研究生丁雪瑶。该研究得到了国家自然科学基金项目（42174016）的资助。

北极作为全球气候变化的敏感区，其显著的“增暖放大效应”与气溶胶辐射强迫密切相关。气溶胶光学厚度（AOD）是表征大气气溶胶消光特性的关键参量，对解析气溶胶在环境和气候系统中的作用具有重要意义。然而，受限于北极下垫面的高冰雪反照率等背景因素的影响，单一的卫星遥感AOD观测在北极地区存在显著的时空缺失，限制了对北极气溶胶辐射效应的深刻认识。

多源数据融合是全面获取北极AOD时空分布的重要手段。但是，传统的贝叶斯最大熵法（BME）在构建协方差函数时，难以有效处理高维参数空间的复杂性与非平稳性。针对这一难题，团队重点攻克了多源数据融合中的算法瓶颈，引入了具备全局搜索能力的粒子群优化算法（PSO）改进协方差建模过程，构建了PSO-BME融合框架，有效提升了数据融合的稳定性与精度。此外，考虑到格陵兰岛及北极中心常年冰雪覆盖区域的数据缺失特征，研究设定了严格的融合边界以避免引入不确定性。为了进一步优化融合效果，研究设计了包含四个关键参数的24种实验组合，通过多轮迭代融合与敏感性分析，采用逼近理想解排序法（TOPSIS）确定了最优参数配置，最终成功生成了兼具精度提升与高覆盖度的北极AOD融合数据产品。

图1. 基于PSO-BME方法的多源卫星AOD产品融合框架示意图

研究结果表明，PSO-BME方法成功实现了MODIS与MISR卫星气溶胶产品的有效融合与优势互补。验证数据显示，该方法不仅能在卫星重叠观测区域维持AOD的高精度估计，还能在无原始卫星观测的空白区域生成可靠精度的AOD融合结果。最终，该研究将北极地区的AOD年平均覆盖率提升至41.61%，相较于单源MODIS（14.49%）和MISR（1.40%）结果实现了显著增长。融合数据集有效填补了北极AOD观测盲区，为北极大气环境监测及气候模型模拟提供了关键的观测约束，对深入理解极地气候变化机制具有重要的科学意义与应用价值。

图2. 2008-2022年北极原始MODIS/MISR产品，以及融合后的AOD产品的有效覆盖率

利用融合AOD产品捕捉到的更全面的北极地区气溶胶的整体演变趋势，该研究还揭示了北极AOD的时空演变受控于“北极局地气象条件”与“中低纬度远程输送”的双重驱动机制。受极地特殊的极昼极夜现象及大气环流模式影响，北极气溶胶的组分来源呈现出显著的季节性差异。鉴于北极本地人为排放源相对匮乏，该地区气溶胶主要来源于欧亚大陆及北美的工业排放、城市污染及森林火灾烟雾的长距离跨区域输送；同时，海冰边缘释放的海盐气溶胶、极地生物源挥发物及少量火山灰等自然源也起到了叠加贡献作用。因此，北极AOD的时空变化趋势不仅客观反映了该地区独特的气象与地理特征，更是指示中低纬度地区污染物向极地跨境传输效应的重要“风向标”。

图3. 2008-2022年数据融合前后北极AOD的平均季节性空间分布

该研究论文展示了上海海洋大学在极地遥感科学领域取得的最新进展，也是常亮教授团队以第一/通讯作者身份在IEEE TGRS上发表的第8篇高水平论文，同时也是首篇由指导的研究生担任第一作者发表的IEEE TGRS论文。常亮教授团队长期深耕于卫星遥感与北极气候变化交叉研究领域，还曾以唯一第一作者和唯一通讯作者身份，在遥感领域公认的顶级期刊 Remote Sensing of Environment上发表关于卫星大气水汽校正模型的研究工作。在北极气候变化方向的相关创新成果，显著提升了学校在卫星遥感及极地研究领域的国际学术影响力，将进一步助力上海海洋大学海洋科学学科的高质量建设与发展。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11352991