SAME封面 | 模糊综合评价：大气遥感历史数据的新视角

气溶胶是地球-大气系统辐射强迫评估的主要不确定来源之一，存在显著的时空间差异。气溶胶的时空差异与气溶胶的源头、输运、沉降和清除过程相关，确定气溶胶的类型有助于对气溶胶进行溯源。

激光雷达作为一种主动遥感设备，其探测的垂直廓线能够定量分析气溶胶光学特性的时空分布。激光雷达比，即消光后向散射比，仅取决于气溶胶的粒子形态、粒径分布、复折射率等，与气溶胶含量无关，是基于激光雷达遥感研究气溶胶时的关键参数，也是气溶胶类型识别中的重要指标。

目前，国内外已经开展了大量有关气溶胶特性的激光雷达观测与研究，积累了大量宝贵的观测资料，取得了众多有价值的成果。特别是期刊文献中保存了大量气溶胶光学特性的历史数据，包含了气溶胶的类型判别结果以及该类型气溶胶的激光雷达比范围等。这些文献结论清晰，易于分析，但不同研究的成果分布比较分散，且未见专门针对气溶胶历史文献数据的分析方法。

浙江大学刘东教授课题组以气溶胶激光雷达比为例，提出了历史文献数据的模糊综合评价分析方法，设计了历史数据置信度（confidence level）这一评价指标，结合历史文献数据的观测情况，衡量不同历史数据的参考权重，以进一步分析各类型气溶胶激光雷达比的数值分布情况。

气溶胶激光雷达比的历史数据置信度分析流程如图1所示。首先，选择n个气溶胶激光雷达比历史数据的评价因子，利用层次分析法（AHP）确定每个评价因子对置信度的贡献度占比。再根据评价因子的特点，确定每个历史数据评价因子的隶属函数（membership function）。最后，在对所有历史数据均进行置信值计算后，对相同类型、相同波长的历史数据（historical data）进行累加（accumulate）处理，从而得到该类型、该波长下激光雷达比的总置信值（total confidence value）C_V,total的分布。由于总置信值受历史数据量的影响，为方便历史数据的综合对比评价，对总置信值进行归一化处理，从而得到不同类型气溶胶激光雷达比历史数据置信度（confidence level）的分布情况。

图1 气溶胶激光雷达比历史数据置信度分析示意图

依据上述分析流程，可以发现各类气溶胶类型的激光雷达比置信度均表现出高斯分布，且历史数据量（N）越大，高斯拟合的拟合系数R²越趋近于1，置信度呈正态分布越明显。其中：沙尘气溶胶由于粒子尺寸偏大，光学特性的波长依赖性较小；污染沙尘气溶胶置信度分布与沙尘气溶胶相似；海洋气溶胶的激光雷达比表现出不同于其他气溶胶的低值。各类气溶胶激光雷达比的历史数据置信度涵盖范围较广，相互间均存在数值重叠部分，且置信度呈现高斯分布趋势。

将结果转化为箱图分布，可以发现烟尘气溶胶的激光雷达比相对偏高，烟尘气溶胶的激光雷达比分布较为分散，可能是燃烧物种类、位置、火灾类型的差异导致了相对较大的分布范围。从箱图的中位数也可以看出，各类气溶胶激光雷达比分布较为对称，未见明显分布偏态。

图3 不同波长处激光雷达比的历史数据置信度分布箱图。（a）355 nm；（b）532 nm

团队基于模糊综合评价，提出对气溶胶激光雷达比历史数据的分析方法，构造了置信度这一模糊评价指标。分析结果表明，气溶胶激光雷达比历史数据相互间均存在数值重叠部分，且置信度呈现高斯分布趋势。而传统使用固定阈值截断的气溶胶类型识别方法容易造成气溶胶类型的误识别以及置信度分布的不连续。此外，不同类型气溶胶的激光雷达比值均存在重叠，据此进行气溶胶分类时需要再引入至少一个分类指标共同作为气溶胶分类的指标。

丰富的历史文献数据能与气溶胶观测数据形成互补，团队提出的激光雷达比历史文献数据模糊综合分析方法有助于提升研究者对气溶胶光学特性的认识。结合未来丰富的地基激光雷达网和星载激光雷达观测数据，本分析方法将进一步推动气溶胶特性以及其辐射效应等相关研究。

浙江大学光电检测与遥感课题组长期致力于光电检测与遥感等方面研究，重点研究方向包括环境探测激光雷达（大气、海洋及星载）、光学元件缺陷检测、极端应用干涉检测等。近年来，主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目等多项，获得浙江省科学技术进步一等奖，举办国际会议3次，出版教材2部、专著3部，发表论文被SCI收录80余篇、被EI收录百余篇，授权的国家发明专利实现成果转化10余项。

撰稿作者 | 胡先哲，刘东

编辑 | 王晓琰

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