利用MODIS遙感數(shù)據(jù)反演廣州市氣溶膠光學厚度

肖鐘湧,江 洪,*,陳 健,張秀英,彭少麟 (.南京大學國際地球系統(tǒng)科學研究所,江蘇 南京 009；.浙江林學院國際生態(tài)研究中心,浙江 杭州 00；.中山大學有害生物控制與資源利用國家重點實驗室,廣東 廣州 5075)

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系.大氣氣溶膠粒子的直徑一般在 0.001～10μm之間.氣溶膠粒子中含有各種各樣的有毒化合物,如致癌物質(zhì)多環(huán)芳香烴(PAHs).研究表明,10μm以下的顆粒物可以進入鼻腔,7μm以下的顆粒物可進入咽喉,而＜2.5μm的顆粒物可被吸入肺部,深入肺泡并沉積,進而加入血液循環(huán)系統(tǒng).對人類健康造成直接傷害,使人體肺部功能下降、呼吸系統(tǒng)疾病增多,而且正在逐年增加的死亡率與大氣中氣溶膠粒子濃度的上升存在著緊密的聯(lián)系[1-3].大氣氣溶膠通過吸收和散射影響太陽輻射,進而影響地-氣系統(tǒng)的輻射收支平衡[4-5],氣溶膠在地球輻射收支平衡扮演著最重要的角色[6];另一方面,氣溶膠也可以充當生成云、霧的凝結(jié)核,影響云的反射率,從而對地-氣系統(tǒng)輻射平衡產(chǎn)生間接影響.但是這種間接輻射強迫大小還有很大的不確定性[7].所以,大氣氣溶膠是氣候系統(tǒng)研究的一個最重要的不確性來源[8].2004年進行的東亞氣溶膠研究試驗(EAST-AIRE)試圖研究中國地區(qū)氣溶膠的氣候效應[9].

目前,已經(jīng)有大量針對氣溶膠光學特性的研究,美國NASA采用太陽分光光度計(CE-318)在全球建立了一個氣溶膠自動地面觀測網(wǎng)(AERONET)[10];最近十幾年,很多學者通過衛(wèi)星遙感來研究氣溶膠的特性[11-12].Levy等[13]和Remer等[14]在Kaufman的暗像元算法基礎上開發(fā)了 NASA的 V5.2氣溶膠反演算法,并利用MODIS傳感器進行了氣溶膠光學厚度的業(yè)務反演,為全球提供分辨率10km氣溶膠產(chǎn)品.對于研究區(qū)域尺度和全球尺度的氣溶膠污染物輸送有重要應用價值[15].然而,對于城市地區(qū)的氣溶膠來說,分辨率 10km氣溶膠產(chǎn)品的分辨率不能滿足要求.高分辨率的衛(wèi)星遙感反演,可以更好地認識城市氣溶膠狀況,李成才(2005)等[16]利用MODIS資料遙感香港地區(qū)高分辨率氣溶膠光學厚度,并與香港地區(qū)的地面污染物 PM10質(zhì)量濃度的變化進行了比較,結(jié)果表明氣溶膠光學厚度產(chǎn)品可以用來描繪城市尺度的氣溶膠污染分布.利用MODIS數(shù)據(jù)反演高分辨率的氣溶膠光學厚度來研究城市氣溶膠的時空動態(tài)具有可行性和應用價值[17].然而,這方面的研究較少.本文利用MODIS L1B數(shù)據(jù)和NASA最新的V5.2氣溶膠業(yè)務反演算法,對廣州市進行高空間分辨率氣溶膠光學厚度的反演,并分析廣州市的氣溶膠光學厚度時空變化特征.

1 數(shù)據(jù)

1.1 中分辨率成像光譜儀

MODIS L1B數(shù)據(jù)從NASA的LADSWEB數(shù)據(jù)中心獲得[18].該數(shù)據(jù)已經(jīng)進行了輻射校正和幾何校正.中分辨率成像光譜儀(MODIS)是 EOS衛(wèi)星TERRA和AQUA上搭載的一個重要傳感器.上午星TERRA發(fā)射于1999年12月18日,大約當?shù)貢r間上午 10:30上行飛過赤道;下午星AQUA發(fā)射于2002年5月4日,大約當?shù)貢r間下午1:30下行飛過赤道.提供了在可見光、近紅外和紅外共 36個通道的全球觀測,為反演有關陸地、云、氣溶膠、水汽、臭氧、海色、浮游植物、生物地球化學等產(chǎn)品提供了豐富的信息.可見光通道1(660nm)和通道2(860nm)具有250m星下點的分辨率,可見和近紅外的通道3～7具有500m的分辨率,其它的分辨率為1000 km.MODIS掃描寬度 2330km,覆蓋全球只要 1d.NASA利用MODIS數(shù)據(jù)進行氣溶膠特性反演,發(fā)布了氣溶膠光學厚度(AOT)和其他光學特性的10km的全球分布產(chǎn)品.

1.2 太陽分光光度計

圖1 太陽分光光度計(CE-318)的位置Fig.1 Location of sun photometer (CE-318)

地面數(shù)據(jù)利用法國CEMIL公司制造的自動跟蹤掃描的太陽分光光度計(CE-318)進行觀測.該儀器具有 10個濾光片,中心波長為 340,380, 440,500,670,870,936,1020,1064nm,936nm是水汽的強吸收波段.它可以自動跟蹤太陽進行太陽直接輻射測量、太陽等天頂角天空掃描、太陽主平面掃描和極化通道天空掃描.CE-318測得的太陽直接輻射數(shù)據(jù)可用來反演計算大氣透過率、消光光學厚度、氣溶膠光學厚度、大氣水汽柱總量和臭氧總量.天空掃描數(shù)據(jù)可以反演大氣氣溶膠粒子尺度譜分布及氣溶膠相函數(shù).目前,利用多波段光度計遙感氣溶膠光學厚度是目前氣溶膠遙感手段中最準確的方法,通常被用來校驗衛(wèi)星遙感的結(jié)果.AERONET(AERosol Robotic Network)提供了大量的數(shù)據(jù)進行氣溶膠光學特性的研究和衛(wèi)星反演結(jié)果的檢驗[10].本次研究的觀測儀器CE-318架設在中山大學生命科學學院實驗樓頂,地理坐標為23.06667°N、113.39167°E,海拔高度大約為0.04km.位置如圖1所示:

2 氣溶膠光學厚度反演算法

2.1 NASA V5.2氣溶膠反演算法

氣溶膠遙感是通過觀測到的大氣頂輻亮度和表面雙向反射率特性之間的關系來反演的,假設衛(wèi)星觀測的目標表面為均勻朗伯表面,不考慮氣體吸收,衛(wèi)星觀測到的表觀反射率((θ0,θ,φ))可表示為:

式中:θ為觀測天頂角;θ0為太陽天頂角;φ為太陽光線的散射輻射的方位角;Fλ(θ0)為規(guī)一化地表反射率的下行輻射通量;(θ)為向上的總透過率;sλ為大氣后向散射比;(θ0,θ,φ)為程輻射反射率;(θ0,θ,φ)為下墊面的反射率.在單次散射近似中,(θ0,θ,φ)可用氣溶膠單次散射相函數(shù)( Pa(θ0,θ,φ))和單次散射反照率(ω0)的關系來表示,則有:

Kaufman等[11,19]研究發(fā)現(xiàn),在清潔大氣條件下,綠色植被表面的反射率在紅、藍和2.1μm通道相似,表明它們之間存在著一定的關系.由于可見光通道受氣溶膠散射的影響,而2.1μm通道不受氣溶膠的影響,反映了地面的特征,氣溶膠下方的植被覆蓋區(qū)地表的紅、藍通道的反射率可以從2.1μm通道的反射率估算出來.

觀測得到的紅、蘭通道的表觀反射率和利用2.1μm通道估算出的地面反射率之間的差異就是氣溶膠的影響.

本文利用NASA的V5.2氣溶膠反演算法是Levy等[13]和Remer等[14]在Kaufman的暗像元算法的基礎上發(fā)展起來的,是目前陸地上空氣溶膠反演應用最為廣泛的算法.該算法主要做了兩個方面的改進:第一,可見光和中紅外通道的反射率比值不再是常量,而是一個函數(shù)關系;第二,該方法考慮了植被指數(shù)(NDVI)的影響.進行了VIS/SWIR(可見光和中紅外通道的反射率比值)表面反射率比的參數(shù)化,如式(4)所示:

該方法 VIS/SWIR表面反射率比的變化與植被狀況有關.Remer等[20]和Gatebe等[21]的研究表明,VIS/SWIR表面反射率比跟角度(太陽天頂角、傳感器方位角、散射角)有關,在這些角度的影響中,散射角最為明顯,散射角(Θ)可以表示為:

式中:θ為觀測天頂角;0θ為太陽天頂角;φ為太陽光線的散射輻射的方位角,在 NASA的 V5.2氣溶膠反演算法中,VIS/SWIR表面反射率比參數(shù)化為NDVISWIR和散射角(Θ)的函數(shù),根據(jù)式(4)擴展如下:

式中:

當NDVISWIR＜0.25,

MODIS的植被指數(shù)可以通過下式求得:

確定了可見光通道的地表反射率,合理假定氣溶膠模型之后,通過大氣輻射傳輸模型確定反演需要的其他參數(shù).就可以用實際觀測的衛(wèi)星表觀反射率來反演氣溶膠的光學特性.本文假設該地是工業(yè)、城市氣溶膠,為非吸收型氣溶膠,單次反照率為 0.95.氣溶膠相函數(shù)用非吸收型氣溶膠模式來計算[13].通過0.47和0.66μm處的氣溶膠光學厚度插值生成 0.55μm處的氣溶膠光學厚度.

獲取到MODIS L1B數(shù)據(jù)進行反演計算前,必須先對水汽、臭氧和和二氧化碳等數(shù)據(jù)進行訂正[22].校正后的表觀反射率(mλρ )為:

式中:gasTλ為總氣體透過率,主要有三部分組成:

式中:0θ和θ分別為太陽天頂角和傳感器天頂角.氣體吸收系數(shù)見表1.

表1 氣體吸收系數(shù)[13]Table 1 Gas absorbing coefficients

2.2 CE-318氣溶膠光學厚度的計算

根據(jù) Beer-Bouguer-Lambert 定律,在給定地點和一年中的給定時間測量的給定波長的太陽輻照度可表示為:

求對數(shù)得:

式中:I0()λ為日地平均距離處大氣上界太陽直接輻射輻照度;τtot()λ大氣總光學厚度;0θ為太陽天頂角.根據(jù)當?shù)氐胤綍r的時角、地理經(jīng)緯度、太陽赤緯可以計算出太陽高度角;d )2為日—地距離修正因子.采用近似公式:

式中:J為一年中的第幾天;m(θ0)為大氣質(zhì)量:

大氣總光學厚度[τtot()λ]包括氣溶膠光學厚度[τa()λ]、瑞利分子散射光學厚度[τR()λ],氣體吸收光學厚度[τg()λ].在不受水汽影響的波段大氣總光學厚度表示為:

瑞利分子散射光學厚度可用經(jīng)驗公式表示為:

式中:Z為海拔高度(km).氣體吸收光學厚度可表示為:

氣體吸收光學厚度主要是臭氧、二氧化氮、二氧化硫和甲烷等各個分量的貢獻的總和.利用CE-318觀測結(jié)果對遙感反演結(jié)果進行驗證時,由于波長不是一一對應的,所以運用埃斯屈朗方程對太陽分光光度計的結(jié)果進行插值.埃斯屈朗認為氣溶膠光學厚度可表示為大氣濁度參數(shù)β和波長指數(shù)α的函數(shù),其中大氣濁度參數(shù)β是波長等于1μm時的氣溶膠光學厚度.埃斯屈朗公式可表示為:

通過對CE-318觀測的440,500,670,870nm處氣溶膠光學厚度進行插值,生成與 MODIS對應波段(550nm)的氣溶膠光學厚度值進行比較.

3 結(jié)果

3.1 MODIS氣溶膠光學厚度反演結(jié)果的驗證

由于云對氣溶膠光學厚度反演結(jié)果的精度影響很大,所以選取無云的MODIS L1B數(shù)據(jù)進行反演.上午過境(10:30)TERRA 衛(wèi)星的MODIS數(shù)據(jù)32d,下午過境(13:30)AQUA衛(wèi)星的MODIS數(shù)據(jù)38d.太陽分光光度計(CE-318)的氣溶膠光學厚度用與衛(wèi)星過境的時間對應的值,衛(wèi)星遙感反演的氣溶膠光學厚度取與地面觀測點對應單個像元的值進行回歸分析.由于(CE-318)沒有和MODIS對應的550nm波長,通過埃斯屈朗方程進行插值,求得550nm波長處的氣溶膠光學厚度.10:00～11:00的氣溶膠光學厚度的平均值與TERRA衛(wèi)星的MODIS反演的數(shù)據(jù)進行比較;13:00～14:00的氣溶膠光學厚度的平均值與AQUA衛(wèi)星的MODIS反演數(shù)據(jù)進行比較.

圖2 地基(CE-318)和遙感(TERRA、AQUA)的氣溶膠光學厚度的線性擬合Fig.2 Linear fitting for AOT derived from ground-based measurement (CE-318) and remote sensing observation (TERRA, AQUA)

TERRA/CE-318和AQUA/CE-318的氣溶膠光學厚度的均方根誤差(RMSE)分別為0.26和0.18.與李成才等[26]利用 MODIS資料遙感香港地區(qū)高分辨率氣溶膠光學厚度的均方根誤差(0.12)相比較大.然而,李成才等[27]的研究認為:在植被密集的地表,均方根誤差小于 0.1,而在靠近海岸的地區(qū)均方根誤差達 0.3.所以,TERRA/ CE-318和 AQUA/CE-318均方根誤差(RMSE)結(jié)果比較合理.用AQUA的遙感數(shù)據(jù)進行氣溶膠光學厚度的反演精度略高于 TERRA.TERRA/ CE-318和AQUA/CE-318的回歸分析表明,氣溶膠較小時,MODIS反演結(jié)果高估了氣溶膠光學厚度,反之亦然.這與其他研究結(jié)果相一致[14,23,28].但是,MODIS的值普遍大于CE-318,說明本次研究 MODIS反演的氣溶膠光學厚度偏高,由于空間分辨率高,增大了氣溶膠光學厚度反演的不確定性.

3.2 氣溶膠光學厚度的時空動態(tài)

由于大氣中的氣溶膠變化較快,在不同的時刻氣溶膠光學厚度的變化也比較大.圖3和圖4分別是2008～2009年冬季CE-318觀測的氣溶膠光學厚度和其相對應 MODIS(TERRA、 AQUA)反演的氣溶膠光學厚度的變化,從 2008年11月開始,氣溶膠光學厚度逐漸增大;2008年12月的氣溶膠光學厚度較低,平均大約為 0.65,到2009年2月平均大約為1.35.總體上冬季的氣溶膠光學厚度較大.TERRA的平均值為0.87,對應的CE-318為0.81,差值為0.06;AQUA的平均值為0.81;對應的CE-318為0.69,差值為0.12.遙感反演的氣溶膠光學厚度略高于 CE-318觀測值.

圖3 CE-318和TERRA氣溶膠光學厚度的變化Fig.3 Variation of AOT derived from CE-318 and TERRA

圖4 CE-318和AQUA氣溶膠光學厚度的變化Fig.4 Variation of AOT derived from CE-318 and AQUA

圖5為廣州市2008～2009年冬季平均氣溶膠光學厚度的空間分布.從圖 5中可以看出氣溶膠光學厚度空間差異顯著,在 0.1～1之間變化,呈現(xiàn)東北低西南高的特征.較小的氣溶膠光學厚度分布在增城市、從化市.因為這些地區(qū)人為活動較小,且有大片森林覆蓋,空氣較為清潔,是氣溶膠光學厚度較小的主要原因[28];廣州市氣溶膠光學厚度的空間分布下午觀測的AQUA氣溶膠光學厚度低于上午觀測的TERRA.這和其他地區(qū)氣溶膠光學厚度的日變化相似[29-30].原因可能是廣州地區(qū)冬季早上大氣水汽含量較大,出現(xiàn)了薄霧,但到中午時分薄霧逐漸散去,天空比較晴朗,大氣狀況穩(wěn)定.所以,中午時分(13:00～14:00)的氣溶膠光學厚度較小[28].

圖5 遙感反演的氣溶膠光學厚度平均值的空間分布Fig.5 Spatial distribution of mean AOT of remote sensing retrieval

通過計算圖像的相似度來分析兩個傳感器反演結(jié)果在空間分布的差異,圖像的相似度計算可轉(zhuǎn)化為直方圖的距離來計算,相似度的定量度量描述公式可表示為:

式中:G,S分別為圖像的直方圖;N為像元樣本數(shù).gi,si為兩個圖像的像元.從圖6和圖7也可以看出氣溶膠光學厚度的分布頻率相似,呈現(xiàn)雙峰分布,TERRA的峰值分別大約為 0.37和 0.72; AQUA的峰值分別大約為0.29和0.61.兩個反演結(jié)果的相似度為 0.90,相似度較高,說明 TERRA和AQUA的氣溶膠光學厚度反演結(jié)果的空間分布很相似.反演結(jié)果的空間分布相似性也可以用相關系數(shù)來衡量,TERRA和AQUA平均氣溶膠光學厚度的相關系數(shù)達到0.99.

圖6 TERRA氣溶膠光學厚度平均值的直方圖分布Fig.6 Histogram distribution of mean AOT derived from TERRA

圖7 AQUA氣溶膠光學厚度平均值的直方圖分布Fig.7 Histogram distribution of mean AOT derived from AQUA

圖8 遙感反演的氣溶膠光學厚度標準差的空間分布Fig.8 Spatial distribution of AOT’s standard deviation of remote sensing retrieval

圖 8為氣溶膠光學厚度的標準差分布, TERRA衛(wèi)星反演的氣溶膠光學厚度的標準差集中在 0.19～0.72之間;AQUA的標準差集中在0.05～0.35之間,AQUA的標準差整體低于TERRA,也就是說氣溶膠光學厚度較小的下午波動也較小;AQUA的標準差分布與平均值一致,呈東北低西南高;而TERRA卻不然.這說明AQUA反演的氣溶膠光學厚度在不同時間的空間分布相似,而TERRA在不同時間的空間分布變化較大.

4 結(jié)論

4.1 在廣州市利用地面太陽光度計進行了氣溶氣光學厚度觀測和利用MODIS L1B數(shù)據(jù)進行了高空間分辨率(1km)氣溶膠光學厚度的反演.通過利用地面多波段太陽光度計觀測的氣溶膠光學厚度對衛(wèi)星反演結(jié)果進行驗證,MODIS衛(wèi)星遙感高空間分辨率氣溶膠光學厚度達到了較高的精度,TERRA/CE-318的線性回歸方程的斜率和截距分別為 0.90和 0.14,R為 0.91;AQUA/ CE-318的線性回歸方程的斜率和截距分別為0.98和0.14,R為0.93;CE-318觀測的10:00～11:00和13:00～14:00氣溶膠光學厚度的平均值分別為0.81和0.69,對應的TERRA和AQUA反演的平均值分別為 0.87和 0.81.氣溶膠較小時,MODIS反演結(jié)果高估了氣溶膠光學厚度,反之亦然.遙感反演的氣溶膠光學厚度略高于CE-318觀測得到的氣溶膠光學厚度;利用AQUA的遙感數(shù)據(jù)進行氣溶膠光學厚度反演精度高于 TERRA;AQUA的標準差整體低于 TERRA,也就是說較小的氣溶膠光學厚度的下午波動也較小.

4.2 利用 MODIS衛(wèi)星遙感反演高空間分辨率氣溶膠光學厚度可以反映廣州市氣溶膠光學厚度的時空變化特征.2008年 12月的氣溶膠光學厚度較低,平均大約為0.65;隨后氣溶膠光學厚度逐漸增大,到2009年2月,氣溶膠光學厚度平均大約為1.35.廣州市氣溶膠光學厚度空間差異顯著,在 0.1～1之間變化,呈東北低西南高的空間分布特征.即森林覆蓋率比較高的地區(qū)氣溶膠較低.

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