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大气科学----沈阳地区遥感气溶胶产品与地基观测的对比研究

2019-09-09 22:50:24 围观 : 200次 来源 : 教育论文网 作者 : 永强
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摘 要
FY-3A作为我国在轨运行的第二代极轨气象卫星,在气溶胶监测等方面具有举足轻重的作用,但目前对FY-3A气溶胶产品精度及地区适用性的定量评估尚处于起步阶段。本文利用2009年~2011年中国地区太阳分光观测网(CSHNET)沈阳站的气溶胶光学厚度(AOD)地基观测数据,对FY-3A气溶胶产品的可信度进行评估,并对比分析了FY-3A气溶胶产品与MODIS气溶胶产品的差异,以评估遥感气溶胶产品在我国沈阳地区的适用性。研究结果表明,当FY-3A气溶胶产品的空间范围取50×50KM平均,沈阳站地基观测数据取卫星过境前后半小时平均时,两者匹配最佳。FY-3A气溶胶日产品仅有19.5%满足NASA发布的误差标准,平均相对误差比MODIS大81.6%,因此其气溶胶日产品的反演算法有待完善。
相比较而言,FY-3A气溶胶月产品与地面实测值相关性可达64.86%,而两者季节平均值的相关性为99.66%,相对误差均值为39.37%,相关性较好,可通过订正气溶胶月产品来评估该地区气溶胶的长期变化趋势。沈阳地区气溶胶光学厚度具有明显的季节变化特征,表现为春、夏季较高,秋、冬季较低,这与该地区气溶胶粒子来源有关,在冬季由于地表反射率的影响,FY-3A难以反演出合理的气溶胶光学厚度。
 
关键字:中国地区太阳分光观测网;AOD;FY-3A;MODIS
1  引言
1.1  研究背景
大气气溶胶是指均匀分散于大气中的固体微粒和液体微粒所构成的稳定混合体系[1],其中的微粒统称为气溶胶粒子。一般在大气科学研究中,常用气溶胶代指大气颗粒物,粒子的空气动力学直径多在0.001~100μm 之间,主要包括6大类7种气溶胶粒子,即:沙尘气溶胶、碳气溶胶(黑碳和有机碳气溶胶)、硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和海盐气溶胶[2]。大气气溶胶非常之轻,足以悬浮于空气之中,多集中于大气的底层,对云的凝结核、雨滴、冰晶形成,以及对降水的形成有重要作用,对流层气溶胶通过直接辐射强迫、间接辐射强迫和成云过程,强烈影响着气候系统[3]。气溶胶粒子能吸收散射太阳辐射和地气长波辐射,因此对太阳辐射的影响较大。气溶胶增加对气候的影响主要表现为使地表降温,气溶胶粒子增加对水循环的影响,一般也表现为使云滴数量增加,其气候效应也是使地表降温[4]。气溶胶对气候系统的辐射平衡的直接影响指大气中的气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射和地面射出长波辐射从而影响地气辐射收支。气溶胶甚至可以改变云的存在时间,能够在云的表面产生化学反应,并决定降雨量的多少,影响大气成分[5]
气溶胶能够影响天气和气候,一方面可将太阳光反射到太空中,从而冷却大气,并使大气能见度变化;另一方面能通过微粒散射、漫射和吸收一部分太阳辐射,减少地面长波辐射的外逸,使大气升温[6-8]。而且由于气溶胶粒径小、表面积大,可以为大气环境化学提供了反应床,从而影响大气的各种化学作用,同时影响人类健康[8]。大气气溶胶对气候变化的作用和影响已成为当前大气科学研究的重要领域之一。此外,气溶胶对环境变化也有着极其重要的影响。
1.2  研究现状
MODIS可以同时提供反映陆地、云边界、云特征、海洋水色、浮游植物、生物地理、化学、大气中水汽、地表温度、云顶温度、大气温度、臭氧和云顶高度等特征信息,这些特点决定了其在支持宏观的土地覆盖变化、生物生长量变化、生态环境监测等方面的研究具有显著优势和广阔的前景。目前,在各个领域都已经取得了一定的研究成果。如李水明等[9]利用MODIS图像用监督分类法做出了地物覆盖分类图,用主成分分析法做出了土壤侵蚀强度图和生态环境质量综合评价指数图;历青等[10]提出了利用MODIS进行沙尘暴监测的热红外双通道差值法、三通道彩色合成直方图均衡增强法及基于双通道域值的叠加分析法,并进行了示范比较研究;Lefelier等[11]使用传统的叶绿素荧光通道的辐射率来估算叶绿素浓度,研究显示在最适宜的观测条件下MODIS的荧光波段13~15可以很灵敏地检测到叶绿素在海洋表面0.5mg/m 的浓度变化。Kaufman et al [12]通过大量飞机试验发现对于植被密集的具有较低反照率的地表存在2.13m近红外通道反照率与0.47m、0.66m可见光通道反射率相关很好,这个结论成功地运用于MODIS的气溶胶反演。
从2000年开始,国外科学家们便开始利用AERONET地基数据产品对MODIS卫星反演气溶胶产品进行适用性的评估,如Chu D A et al [13]发现MODIS卫星气溶胶产品均方根(RMS)在内陆地区误差为0.1,沿海地区误差高达0.3,可以用来探测云、雪和水体对气溶胶光学厚度反演残留的影响。同时由于东亚、印度和澳大利亚AERONET站点不足,缺乏实测资料的对比订正,增加了MODIS气溶胶产品在上述地区实际应用时的不确定性。
近年来,国内对MODIS资料的定量评估及应用取得了诸多进展,如王莉莉等[6]根据CSHNET观测网评估MODIS气溶胶在中国区域的适用性,李晓静等[7] 对中国区域MODIS 陆上气溶胶光学厚度产品检验,王晓元等[8]对中国3个典型城市气溶胶光学厚度地基观测及其MODIS气溶胶产品精度进行分析,都为反演中国陆地上空的气溶胶光学厚度提供了一个行之有效的途径,并取得有指导意义的结果。
风云三号卫星是继风云一号卫星之后的我国新一代极地轨道气象卫星,卫星共携带11台遥感仪器,探测谱段包括紫外、可见光、红外和微波,实现了全球、全天候、全天时地球大气、海洋和陆地环境的综合遥感探测;增加了红外大气垂直探测和微波辐射探测能力,实现了大气温度、湿度等物理参数的三维探测;光学成像探测的空间分辨率从风云一号1.1公里提高到250米,每天可获取两次全球均匀覆盖的原分辨率观测资料[14];风云三号A星自2008年发射以来,地面应用系统已获取了大量观测资料,为全球和区域天气系统监测和分析预报提供了丰富的信息,卫星资料的定量应用为天气预报,特别是为中期数值天气预报提供全球的温、湿廓线以及云、辐射等气象参数;此外FY-3A还能监测大范围自然灾害和生态环境,研究全球环境变化,探索全球气候变化规律,并为气候诊断和预测提供所需的地球物理参数,为航空、航海等专业气象服务提供全球及地区的气象信息[15]。FY-3A至今已积累了长时间系列的陆上气溶胶光学厚度反演产品,如何对该产品的精度进行检验和验证,提高业务应用水平,为大气环境监测和评价,环境治理,防灾减灾提供科学依据,已成为亟待解决的问题。
1.3 研究意义
气溶胶分布具有高度的时空变异性, 而地面环境观测站点能够提供有限区域的气溶胶信息,难以实现大范围空间覆盖,有效反映污染物来源和变化趋势的宏观分布[16]。卫星遥感由于其观测时次多、范围广等优势,弥补地面站点观测不足的问题,成为监控全球气溶胶分布的一股新兴力量[17]。FY-3A气象卫星,作为我国第二代极轨气象卫星,它在FY-1气象卫星技术基础上的发展和提高,在功能和技术上向前跨进了一大步,但与国外相比,仍有长足发展空间。本文通过对比分析FY-3A气溶胶产品与地基实测数据、MODIS气溶胶产品的差异,定量评估FY-3A气溶胶产品在沈阳地区的可信度及与国外气溶胶产品的差距,以促进我国卫星气溶胶反演算法的完善,有效地防止国产卫星产品高误差数据的应用及对其的盲目乐观,推动我国卫星探测和反演技术发展。
1.4 地理概况
辽宁省沈阳市是辽宁省省会,全区从地形地貌上可划分为东南部低山、丘陵,中部为辽河平原,有辽河、浑河等河流流经境内。森林面积为1 470 km2,森林覆盖率为11.30%,草地覆盖面积为6.33%,植被多为灌木林。气候类型属季风气候,四季分明,春季多风,夏季温度高降水多(雨热同季),秋季短,冬季漫长寒冷温差较大[18]。沈阳市属于温带大陆性季风气候,春季多风沙和沙尘天气;夏季高温高湿;秋季气温速降;冬季逆温天气频率高。气候条件、地理位置和能源结构决定其大气污染物的类型属于煤烟、汽车尾气和自然扬尘混合型污染,以煤烟型污染为主。在冬季取暖期,大气污染物主要类型为煤烟型污染,污染物排放浓度大。沈阳市非采暖期则以汽车尾气和自然扬尘污染为主。春季大风扬沙天气较多,秋季和夏季污染物来源少,降水量大,降水的沉降作用等使沈阳市的空气相对清洁[19]
2  气溶胶反演方法
  2.1 遥感原理
陆地上气溶胶遥感反演发展于大气上界观测辐射值(ρ*)(以表观反射率为单位):ρ3L/F0μ0,式中L为大气上界辐射;F0 为大气外界太阳辐射通量;μ0为太阳天顶角的余弦。ρ*与地表双向反射率ρ(θ,θ0,φ) 特性之间的关系可以描述为:
         (1)
式中,θ为观测方向;θ0 为太阳天顶角;ρ′为散射辐射与太阳光线之间的方位角;ρa (θ,θ0,φ) 为路径辐射;Fd (θ0) 为在地表辐射率为零时归一化总的向下辐射通量,等价于总的向下透射率,由于气溶胶核分子的吸收和向后散射作用,其值小于1.0;T(θ) 为向上进入卫星视场方向的总透射率;s 为大气后向散射比;ρ′为在观测角和入射角上的平均地表反射率。
在单次散射近似中,路径辐射与气溶胶光学厚度τa,气溶胶散射相函数pa (θ,θ0,φ) 和单次散射反照率(ω0) 成比例关系:
                (2)
式中,ρm (θ,θ0,φ) 为由于分子散射造成的路径散射;μ和μ0 分别为观测和入射方向的余弦。式(1) 中函数Fd (θ0),T(θ)和s也取决于ω0,τa和pa (θ,θ0,φ) [20]
通过建立各种情况下不同太阳高度角和卫星观测角下卫星观测到的反射率随气溶胶光学厚度的变化规律,就相当于生成了一个查找表,查找表建立以后,就可以根据所求得的地表反射率与从卫星传感器上获得的表观反射率建立查找关系,匹配得最好的表观反射率所对应的光学厚度就是要获取的气溶胶光学厚度值。
  2.2 暗像元法
通常采用暗像元法遥感陆地气溶胶光学厚度,即选择暗地表,即陆地上有茂密植被覆盖的地区,采用短波长,即卫星红、蓝通道数据, 来实现气溶胶光学厚度反演。2.1m 通道卫星观测表观反射率几乎不受气溶胶影响[21],而且其值接近地表反射率。而对于暗像元, 2.1m 通道地表反射率与可见光红、蓝通道地表反射率存在线性关系。因此植被暗像元可以用其2.1m 通道卫星观测表观反射率代替2.1 m 通道地表反射率确定可见光红、蓝通道地表反射率。           
               (3)
3  资料来源与介绍
3.1  中国地区太阳分光观测网观测资料及处理
中国地区太阳分光观测网(the Chinese Sun Hazemeter Network,简写为CSHNET)于2004 年8 月份正式成立并运行。观测网目前有19 个中国生态系统研究网络(CERN)生态观测站、4 个城市观测点、2个标定中心和1 个数据中心,建立了标准的太阳分光辐射观测网。利用Langley定标法结合量值传递定标法对观测网所有光度计的标定方法及误差分析表明,不同光度计间的同步观测结果(相对标准偏差小于3%)以及与CIMEL 光度计的观测结果间(相对偏差小于5%)有很好的一致性,证实了观测结果的准确性以及该类型光度计及其观测网的稳定性和可靠性[22]。CSHNET在沈阳地区的观测站的生态系统为郊区、林区生态系统,经度为123.63°E,纬度为41.52°N,海拔高度为31m,站点附近气溶胶特性春季冬季主要为烟雾,夏季秋季主要为沙尘[6]
本文利用09年3月19日~11年10月16日中国沈阳区域FY-3A MERSI 陆上气溶胶产品与CSHNET观测网气溶胶光学厚度数据。CSHNET观测网采用人工观测记录去除有云数据,只选取云量在五成以下的日期(保证在太阳视角30°之内无云),并进行分类,得到云量全天为0以及云量为五成以下的数据。通过650 和500 nm波段的光学厚度线性根据公式(4)插值求得550 nm波段的气溶胶光学厚度[22][23],插值结果与CEMIL观测值有很好的一致性。
                                         (4)
其中τa是气溶胶光学厚度值,λ的值是波长,计算出公式内a与b的值,然后将550nm带入,即可得到550nm波段气溶胶光学厚度值。 
FY-3A过境时间约为上午十点半,故选卫星过境前后半小时沈阳站CSHNET观测资料,求出当天该时段内550nm波段气溶胶光学厚度的平均值和标准偏差,为了保证当天日期观测值的有效性,要求实测值的标准偏差小于0.05,若大于该值,认为气溶胶时间变异性较大或是数据观测有误予以剔除,以减少验证误差。用该平均值来代表卫星过境前后大气气溶胶的实际状况,来评估FY-3A气溶胶产品的可信度。
3.2 FY-3A气溶胶产品来源及数据处理
FY-3A上搭载的中分辨率光谱成像仪(MERSI)具有多光谱成像和高地面分辨率等特点,用于监测中小尺度对流云团和地表精细特征,提高云特征、气溶胶。陆地表面特性、海洋水色、低层水汽等地球物理参数的定量计算精度,实现对大气、陆地、海洋的多光谱连续综合观测。利用独具特色的5个250米分辨率通道,可以得到百米级空间分辨率真彩色合成图像产品。
中分辨率光谱成像仪可以探测大气、陆地、海洋的可见光反射辐射以及热红外辐射亮度温度,获取20个通道地气系统多光谱信息。基于对陆地目标的多光谱特征遥感成像,可以实现植被生态、覆盖分类、陆表温度以及积雪覆盖等陆表特性全球遥感监测;以对气溶胶相对透明的2.13μm通道为本底,结合可见光通道,实现陆地气溶胶定量遥感[24]
MERSI陆上气溶胶产品(ASL)是指白天晴空条件下植被暗地表区域上空的大气气溶胶光学厚度和Ångström波长指数。其中,气溶胶光学厚度是利用MERSI 0.47μm和0.65μm、2.1μm通道观测资料反演的470nm、550nm、650nm波长大气整层气溶胶垂直消光(散射+吸收)光学厚度,参数无量纲。Ångström波长指数(表征气溶胶粒子尺度特征)由470nm和650nm波长气溶胶光学厚度计算。
MERSI陆上气溶胶产品包括:5分钟段反演产品、全球10°×10°分幅的0.01°×0.01°等经纬度投影网格陆上气溶胶日产品和0.05°×0.05°等经纬度投影网格旬、月产品(表1)。
表1  MERSI陆上气溶胶产品规格表
产品类型   投影方式   覆盖范围   空间分辨率   数据量(MB)   生成频次  
MERSI陆上气溶胶5分钟段产品     逐轨中国区域   1KM   104   每5分钟一次  
MERSI陆上气溶胶日产品   等经纬度   全球   0.01 °×0.01°   22   每日一次  
MERSI陆上气溶胶旬产品   等经纬度   全球   0.05 °×0.05°   304   每旬一次  
MERSI陆上气溶胶月产品   等经纬度   全球   0.05 °×0.05°   304   每月一次  
MERSI陆上气溶胶日产品:在陆上气溶胶5分钟分段轨道产品的基础上进行投影、插值和去重复等处理生成陆上气溶胶日产品。本产品为全球10°×10°分幅的等经纬度均匀网格投影产品,空间分辨率0.01°×0.01°,提供全球陆地植被区上空470nm、550nm、650nm波段的气溶胶光学厚度,以及Ångström波长指数参数。
MERSI陆上气溶胶月产品:在陆上气溶胶日产品的基础上,分别在月时段对470nm、550nm、650nm波段的气溶胶光学厚度、气溶胶Ångström波长指数作统计平均值,生成0.05×0.05°空间分辨率的等经纬度投影全球月产品。[24]
本文通过国家卫星气象中心网站()下载FY-3A MERSI气溶胶日产品与月产品资料,去除云、水体的影响,并对明显的异常数据或无效数据进行剔除后得到所需反演范围内的气溶胶有效值。
3.3 MODIS气溶胶产品来源及数据处理
TERRA是美国国家航空航天局(NASA)地球观测系统中的第一颗卫星,而搭载到其上的MODIS是EOS Terra平台上唯一直接对地广播的观测仪器,是当前世界上新一代“图谱合一”的光学遥感仪器,具有36个光谱通道,分布在0.4m(可见光)到4μm(热红外)的电磁波谱范围内。MODIS一起的地面分辨率分别为250m、500m和1000m,扫描宽度为2330km,在对地观测过程中,每秒可同时获得6.1兆比特的来自大气、海洋和陆地表面信息,每日或每两日可获取一次全球观测数据。多波段数据可以同时提供反映陆地、云边界,云特征,海洋水色,浮游生物、生物地理、化学、大气中水汽,地表温度,云顶温度,大气温度,臭氧和云顶高度等特征的信息,用于对陆表、生物圈、固态地球、大气和海洋进行长期全球观测。
MODIS陆地气溶胶属二级数据产品,它是利用暗像元法,利用蓝通道(0.47μm) ,红通道(0.659μm)和短波红外通道(2.13μm、3.8μm)的关系,通过查算表来反演得到0.55μm波长处的气溶胶光学厚度,反演精度受到云含量、地表类型以及天气环境状态的影响[25]。本文所需MODIS资料来源于NASA网站()的气溶胶日产品(MOD04),原始资料为兰伯特投影方式,空间分辨率为10公里,经地理校正和图像拼接后生成所需观测范围内的AOD数据。结    论
本文利用时空分析方法分析沈阳地区2009—2011年FY-3A气溶胶日产品、月产品以及2009—2011年中国地区太阳分光观测网资料,分析了FY-3A气溶胶产品在沈阳地区的适用性以及沈阳地区气溶胶季节性分布,得出以下结论:
(1)沈阳地区FY-3A气溶胶产品资料在处理时空间范围选取50×50KM范围大小既可以匹配一小时太阳光度计数据,又与其他空间大小相比效果最优,故处理沈阳地区FY-3A气溶胶产品时空间大小建议选择50×50KM大小。
(2)沈阳地区FY-3A气溶胶产品资料落在NASA发布的误差线内的比例为19.5%。与其他实测值相比,当气溶胶实测AOD值为0.2~0.4时,FY-3A反演的气溶胶产品落在误差线内的比例较高,得到的卫星观测数据较接近于真值。但总体来说在沈阳地区FY-3A产品误差较大,区域代表性较差。
    (3)MODIS卫星气溶胶产品在全国区域的观测误差较小,更接近实测值,通过沈阳地区随机样本的对比可以看出,MODIS卫星在沈阳地区的最相对误差为-16.36%~8.65%,FY-3A的相对误差为-61.12%~2.23%,FY-3A气溶胶产品平均相对误差比MODIS卫星大81.6%,偏离实测值更远。
(4)与通过日产品求得的月平均值相比,FY-3A气溶胶月产品更接近于实测值,月产品与实测值的相关系数为64.86%,说明FY-3A月产品与实测值从长期变化趋势(如月变化)来说具有较好的一致性。
(5)沈阳地区气溶胶季节性分布为春、夏季AOD值较高,秋、冬季AOD值较低,冬季由于积雪的影响,卫星的观测值与实测值偏差较大。通过FY-3A气溶胶月产品计算出的季节AOD值较接近于真值,且两者相关系数为99.66%,因此可通过订正气溶胶月产品来评估该地区气溶胶的长期变化趋势。但由于气溶胶遥感资料与地基观测的时空匹配性、卫星本身的轨道漂移、气溶胶反演算法等原因造成月产品相对误差仍较大,在后续工作中需进一步加以改进。

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