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    1. 大氣科學----沈陽地區遙感氣溶膠產品與地基觀測的對比研究

      2019-09-09 22:50:24 圍觀 : 200次 來源 : 教育論文網 作者 : 永強
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      摘 要
      FY-3A作為我國在軌運行的第二代極軌氣象衛星,在氣溶膠監測等方面具有舉足輕重的作用,但目前對FY-3A氣溶膠產品精度及地區適用性的定量評估尚處于起步階段。本文利用2009年~2011年中國地區太陽分光觀測網(CSHNET)沈陽站的氣溶膠光學厚度(AOD)地基觀測數據,對FY-3A氣溶膠產品的可信度進行評估,并對比分析了FY-3A氣溶膠產品與MODIS氣溶膠產品的差異,以評估遙感氣溶膠產品在我國沈陽地區的適用性。研究結果表明,當FY-3A氣溶膠產品的空間范圍取50×50KM平均,沈陽站地基觀測數據取衛星過境前后半小時平均時,兩者匹配最佳。FY-3A氣溶膠日產品僅有19.5%滿足NASA發布的誤差標準,平均相對誤差比MODIS大81.6%,因此其氣溶膠日產品的反演算法有待完善。
      相比較而言,FY-3A氣溶膠月產品與地面實測值相關性可達64.86%,而兩者季節平均值的相關性為99.66%,相對誤差均值為39.37%,相關性較好,可通過訂正氣溶膠月產品來評估該地區氣溶膠的長期變化趨勢。沈陽地區氣溶膠光學厚度具有明顯的季節變化特征,表現為春、夏季較高,秋、冬季較低,這與該地區氣溶膠粒子來源有關,在冬季由于地表反射率的影響,FY-3A難以反演出合理的氣溶膠光學厚度。
       
      關鍵字:中國地區太陽分光觀測網;AOD;FY-3A;MODIS
      1  引言
      1.1  研究背景
      大氣氣溶膠是指均勻分散于大氣中的固體微粒和液體微粒所構成的穩定混合體系[1],其中的微粒統稱為氣溶膠粒子。一般在大氣科學研究中,常用氣溶膠代指大氣顆粒物,粒子的空氣動力學直徑多在0.001~100μm 之間,主要包括6大類7種氣溶膠粒子,即:沙塵氣溶膠、碳氣溶膠(黑碳和有機碳氣溶膠)、硫酸鹽氣溶膠、硝酸鹽氣溶膠、銨鹽氣溶膠和海鹽氣溶膠[2]。大氣氣溶膠非常之輕,足以懸浮于空氣之中,多集中于大氣的底層,對云的凝結核、雨滴、冰晶形成,以及對降水的形成有重要作用,對流層氣溶膠通過直接輻射強迫、間接輻射強迫和成云過程,強烈影響著氣候系統[3]。氣溶膠粒子能吸收散射太陽輻射和地氣長波輻射,因此對太陽輻射的影響較大。氣溶膠增加對氣候的影響主要表現為使地表降溫,氣溶膠粒子增加對水循環的影響,一般也表現為使云滴數量增加,其氣候效應也是使地表降溫[4]。氣溶膠對氣候系統的輻射平衡的直接影響指大氣中的氣溶膠粒子吸收和散射太陽輻射和地面射出長波輻射從而影響地氣輻射收支。氣溶膠甚至可以改變云的存在時間,能夠在云的表面產生化學反應,并決定降雨量的多少,影響大氣成分[5]。
      氣溶膠能夠影響天氣和氣候,一方面可將太陽光反射到太空中,從而冷卻大氣,并使大氣能見度變化;另一方面能通過微粒散射、漫射和吸收一部分太陽輻射,減少地面長波輻射的外逸,使大氣升溫[6-8]。而且由于氣溶膠粒徑小、表面積大,可以為大氣環境化學提供了反應床,從而影響大氣的各種化學作用,同時影響人類健康[8]。大氣氣溶膠對氣候變化的作用和影響已成為當前大氣科學研究的重要領域之一。此外,氣溶膠對環境變化也有著極其重要的影響。
      1.2  研究現狀
      MODIS可以同時提供反映陸地、云邊界、云特征、海洋水色、浮游植物、生物地理、化學、大氣中水汽、地表溫度、云頂溫度、大氣溫度、臭氧和云頂高度等特征信息,這些特點決定了其在支持宏觀的土地覆蓋變化、生物生長量變化、生態環境監測等方面的研究具有顯著優勢和廣闊的前景。目前,在各個領域都已經取得了一定的研究成果。如李水明等[9]利用MODIS圖像用監督分類法做出了地物覆蓋分類圖,用主成分分析法做出了土壤侵蝕強度圖和生態環境質量綜合評價指數圖;歷青等[10]提出了利用MODIS進行沙塵暴監測的熱紅外雙通道差值法、三通道彩色合成直方圖均衡增強法及基于雙通道域值的疊加分析法,并進行了示范比較研究;Lefelier等[11]使用傳統的葉綠素熒光通道的輻射率來估算葉綠素濃度,研究顯示在最適宜的觀測條件下MODIS的熒光波段13~15可以很靈敏地檢測到葉綠素在海洋表面0.5mg/m 的濃度變化。Kaufman et al [12]通過大量飛機試驗發現對于植被密集的具有較低反照率的地表存在2.13m近紅外通道反照率與0.47m、0.66m可見光通道反射率相關很好,這個結論成功地運用于MODIS的氣溶膠反演。
      從2000年開始,國外科學家們便開始利用AERONET地基數據產品對MODIS衛星反演氣溶膠產品進行適用性的評估,如Chu D A et al [13]發現MODIS衛星氣溶膠產品均方根(RMS)在內陸地區誤差為0.1,沿海地區誤差高達0.3,可以用來探測云、雪和水體對氣溶膠光學厚度反演殘留的影響。同時由于東亞、印度和澳大利亞AERONET站點不足,缺乏實測資料的對比訂正,增加了MODIS氣溶膠產品在上述地區實際應用時的不確定性。
      近年來,國內對MODIS資料的定量評估及應用取得了諸多進展,如王莉莉等[6]根據CSHNET觀測網評估MODIS氣溶膠在中國區域的適用性,李曉靜等[7] 對中國區域MODIS 陸上氣溶膠光學厚度產品檢驗,王曉元等[8]對中國3個典型城市氣溶膠光學厚度地基觀測及其MODIS氣溶膠產品精度進行分析,都為反演中國陸地上空的氣溶膠光學厚度提供了一個行之有效的途徑,并取得有指導意義的結果。
      風云三號衛星是繼風云一號衛星之后的我國新一代極地軌道氣象衛星,衛星共攜帶11臺遙感儀器,探測譜段包括紫外、可見光、紅外和微波,實現了全球、全天候、全天時地球大氣、海洋和陸地環境的綜合遙感探測;增加了紅外大氣垂直探測和微波輻射探測能力,實現了大氣溫度、濕度等物理參數的三維探測;光學成像探測的空間分辨率從風云一號1.1公里提高到250米,每天可獲取兩次全球均勻覆蓋的原分辨率觀測資料[14];風云三號A星自2008年發射以來,地面應用系統已獲取了大量觀測資料,為全球和區域天氣系統監測和分析預報提供了豐富的信息,衛星資料的定量應用為天氣預報,特別是為中期數值天氣預報提供全球的溫、濕廓線以及云、輻射等氣象參數;此外FY-3A還能監測大范圍自然災害和生態環境,研究全球環境變化,探索全球氣候變化規律,并為氣候診斷和預測提供所需的地球物理參數,為航空、航海等專業氣象服務提供全球及地區的氣象信息[15]。FY-3A至今已積累了長時間系列的陸上氣溶膠光學厚度反演產品,如何對該產品的精度進行檢驗和驗證,提高業務應用水平,為大氣環境監測和評價,環境治理,防災減災提供科學依據,已成為亟待解決的問題。
      1.3 研究意義
      氣溶膠分布具有高度的時空變異性, 而地面環境觀測站點能夠提供有限區域的氣溶膠信息,難以實現大范圍空間覆蓋,有效反映污染物來源和變化趨勢的宏觀分布[16]。衛星遙感由于其觀測時次多、范圍廣等優勢,彌補地面站點觀測不足的問題,成為監控全球氣溶膠分布的一股新興力量[17]。FY-3A氣象衛星,作為我國第二代極軌氣象衛星,它在FY-1氣象衛星技術基礎上的發展和提高,在功能和技術上向前跨進了一大步,但與國外相比,仍有長足發展空間。本文通過對比分析FY-3A氣溶膠產品與地基實測數據、MODIS氣溶膠產品的差異,定量評估FY-3A氣溶膠產品在沈陽地區的可信度及與國外氣溶膠產品的差距,以促進我國衛星氣溶膠反演算法的完善,有效地防止國產衛星產品高誤差數據的應用及對其的盲目樂觀,推動我國衛星探測和反演技術發展。
      1.4 地理概況
      遼寧省沈陽市是遼寧省省會,全區從地形地貌上可劃分為東南部低山、丘陵,中部為遼河平原,有遼河、渾河等河流流經境內。森林面積為1 470 km2,森林覆蓋率為11.30%,草地覆蓋面積為6.33%,植被多為灌木林。氣候類型屬季風氣候,四季分明,春季多風,夏季溫度高降水多(雨熱同季),秋季短,冬季漫長寒冷溫差較大[18]。沈陽市屬于溫帶大陸性季風氣候,春季多風沙和沙塵天氣;夏季高溫高濕;秋季氣溫速降;冬季逆溫天氣頻率高。氣候條件、地理位置和能源結構決定其大氣污染物的類型屬于煤煙、汽車尾氣和自然揚塵混合型污染,以煤煙型污染為主。在冬季取暖期,大氣污染物主要類型為煤煙型污染,污染物排放濃度大。沈陽市非采暖期則以汽車尾氣和自然揚塵污染為主。春季大風揚沙天氣較多,秋季和夏季污染物來源少,降水量大,降水的沉降作用等使沈陽市的空氣相對清潔[19]。
      2  氣溶膠反演方法
        2.1 遙感原理
      陸地上氣溶膠遙感反演發展于大氣上界觀測輻射值(ρ*)(以表觀反射率為單位):ρ3L/F0μ0,式中L為大氣上界輻射;F0 為大氣外界太陽輻射通量;μ0為太陽天頂角的余弦。ρ*與地表雙向反射率ρ(θ,θ0,φ) 特性之間的關系可以描述為:
               (1)
      式中,θ為觀測方向;θ0 為太陽天頂角;ρ′為散射輻射與太陽光線之間的方位角;ρa (θ,θ0,φ) 為路徑輻射;Fd (θ0) 為在地表輻射率為零時歸一化總的向下輻射通量,等價于總的向下透射率,由于氣溶膠核分子的吸收和向后散射作用,其值小于1.0;T(θ) 為向上進入衛星視場方向的總透射率;s 為大氣后向散射比;ρ′為在觀測角和入射角上的平均地表反射率。
      在單次散射近似中,路徑輻射與氣溶膠光學厚度τa,氣溶膠散射相函數pa (θ,θ0,φ) 和單次散射反照率(ω0) 成比例關系:
                      (2)
      式中,ρm (θ,θ0,φ) 為由于分子散射造成的路徑散射;μ和μ0 分別為觀測和入射方向的余弦。式(1) 中函數Fd (θ0),T(θ)和s也取決于ω0,τa和pa (θ,θ0,φ) [20]。
      通過建立各種情況下不同太陽高度角和衛星觀測角下衛星觀測到的反射率隨氣溶膠光學厚度的變化規律,就相當于生成了一個查找表,查找表建立以后,就可以根據所求得的地表反射率與從衛星傳感器上獲得的表觀反射率建立查找關系,匹配得最好的表觀反射率所對應的光學厚度就是要獲取的氣溶膠光學厚度值。
        2.2 暗像元法
      通常采用暗像元法遙感陸地氣溶膠光學厚度,即選擇暗地表,即陸地上有茂密植被覆蓋的地區,采用短波長,即衛星紅、藍通道數據, 來實現氣溶膠光學厚度反演。2.1m 通道衛星觀測表觀反射率幾乎不受氣溶膠影響[21],而且其值接近地表反射率。而對于暗像元, 2.1m 通道地表反射率與可見光紅、藍通道地表反射率存在線性關系。因此植被暗像元可以用其2.1m 通道衛星觀測表觀反射率代替2.1 m 通道地表反射率確定可見光紅、藍通道地表反射率。           
                     (3)
      3  資料來源與介紹
      3.1  中國地區太陽分光觀測網觀測資料及處理
      中國地區太陽分光觀測網(the Chinese Sun Hazemeter Network,簡寫為CSHNET)于2004 年8 月份正式成立并運行。觀測網目前有19 個中國生態系統研究網絡(CERN)生態觀測站、4 個城市觀測點、2個標定中心和1 個數據中心,建立了標準的太陽分光輻射觀測網。利用Langley定標法結合量值傳遞定標法對觀測網所有光度計的標定方法及誤差分析表明,不同光度計間的同步觀測結果(相對標準偏差小于3%)以及與CIMEL 光度計的觀測結果間(相對偏差小于5%)有很好的一致性,證實了觀測結果的準確性以及該類型光度計及其觀測網的穩定性和可靠性[22]。CSHNET在沈陽地區的觀測站的生態系統為郊區、林區生態系統,經度為123.63°E,緯度為41.52°N,海拔高度為31m,站點附近氣溶膠特性春季冬季主要為煙霧,夏季秋季主要為沙塵[6]。
      本文利用09年3月19日~11年10月16日中國沈陽區域FY-3A MERSI 陸上氣溶膠產品與CSHNET觀測網氣溶膠光學厚度數據。CSHNET觀測網采用人工觀測記錄去除有云數據,只選取云量在五成以下的日期(保證在太陽視角30°之內無云),并進行分類,得到云量全天為0以及云量為五成以下的數據。通過650 和500 nm波段的光學厚度線性根據公式(4)插值求得550 nm波段的氣溶膠光學厚度[22][23],插值結果與CEMIL觀測值有很好的一致性。
                                               (4)
      其中τa是氣溶膠光學厚度值,λ的值是波長,計算出公式內a與b的值,然后將550nm帶入,即可得到550nm波段氣溶膠光學厚度值。 
      FY-3A過境時間約為上午十點半,故選衛星過境前后半小時沈陽站CSHNET觀測資料,求出當天該時段內550nm波段氣溶膠光學厚度的平均值和標準偏差,為了保證當天日期觀測值的有效性,要求實測值的標準偏差小于0.05,若大于該值,認為氣溶膠時間變異性較大或是數據觀測有誤予以剔除,以減少驗證誤差。用該平均值來代表衛星過境前后大氣氣溶膠的實際狀況,來評估FY-3A氣溶膠產品的可信度。
      3.2 FY-3A氣溶膠產品來源及數據處理
      FY-3A上搭載的中分辨率光譜成像儀(MERSI)具有多光譜成像和高地面分辨率等特點,用于監測中小尺度對流云團和地表精細特征,提高云特征、氣溶膠。陸地表面特性、海洋水色、低層水汽等地球物理參數的定量計算精度,實現對大氣、陸地、海洋的多光譜連續綜合觀測。利用獨具特色的5個250米分辨率通道,可以得到百米級空間分辨率真彩色合成圖像產品。
      中分辨率光譜成像儀可以探測大氣、陸地、海洋的可見光反射輻射以及熱紅外輻射亮度溫度,獲取20個通道地氣系統多光譜信息?;趯﹃懙啬繕说亩喙庾V特征遙感成像,可以實現植被生態、覆蓋分類、陸表溫度以及積雪覆蓋等陸表特性全球遙感監測;以對氣溶膠相對透明的2.13μm通道為本底,結合可見光通道,實現陸地氣溶膠定量遙感[24]。
      MERSI陸上氣溶膠產品(ASL)是指白天晴空條件下植被暗地表區域上空的大氣氣溶膠光學厚度和Ångström波長指數。其中,氣溶膠光學厚度是利用MERSI 0.47μm和0.65μm、2.1μm通道觀測資料反演的470nm、550nm、650nm波長大氣整層氣溶膠垂直消光(散射+吸收)光學厚度,參數無量綱。Ångström波長指數(表征氣溶膠粒子尺度特征)由470nm和650nm波長氣溶膠光學厚度計算。
      MERSI陸上氣溶膠產品包括:5分鐘段反演產品、全球10°×10°分幅的0.01°×0.01°等經緯度投影網格陸上氣溶膠日產品和0.05°×0.05°等經緯度投影網格旬、月產品(表1)。
      表1  MERSI陸上氣溶膠產品規格表
      產品類型   投影方式   覆蓋范圍   空間分辨率   數據量(MB)   生成頻次  
      MERSI陸上氣溶膠5分鐘段產品     逐軌中國區域   1KM   104   每5分鐘一次  
      MERSI陸上氣溶膠日產品   等經緯度   全球   0.01 °×0.01°   22   每日一次  
      MERSI陸上氣溶膠旬產品   等經緯度   全球   0.05 °×0.05°   304   每旬一次  
      MERSI陸上氣溶膠月產品   等經緯度   全球   0.05 °×0.05°   304   每月一次  
      MERSI陸上氣溶膠日產品:在陸上氣溶膠5分鐘分段軌道產品的基礎上進行投影、插值和去重復等處理生成陸上氣溶膠日產品。本產品為全球10°×10°分幅的等經緯度均勻網格投影產品,空間分辨率0.01°×0.01°,提供全球陸地植被區上空470nm、550nm、650nm波段的氣溶膠光學厚度,以及Ångström波長指數參數。
      MERSI陸上氣溶膠月產品:在陸上氣溶膠日產品的基礎上,分別在月時段對470nm、550nm、650nm波段的氣溶膠光學厚度、氣溶膠Ångström波長指數作統計平均值,生成0.05×0.05°空間分辨率的等經緯度投影全球月產品。[24]
      本文通過國家衛星氣象中心網站()下載FY-3A MERSI氣溶膠日產品與月產品資料,去除云、水體的影響,并對明顯的異常數據或無效數據進行剔除后得到所需反演范圍內的氣溶膠有效值。
      3.3 MODIS氣溶膠產品來源及數據處理
      TERRA是美國國家航空航天局(NASA)地球觀測系統中的第一顆衛星,而搭載到其上的MODIS是EOS Terra平臺上唯一直接對地廣播的觀測儀器,是當前世界上新一代“圖譜合一”的光學遙感儀器,具有36個光譜通道,分布在0.4m(可見光)到4μm(熱紅外)的電磁波譜范圍內。MODIS一起的地面分辨率分別為250m、500m和1000m,掃描寬度為2330km,在對地觀測過程中,每秒可同時獲得6.1兆比特的來自大氣、海洋和陸地表面信息,每日或每兩日可獲取一次全球觀測數據。多波段數據可以同時提供反映陸地、云邊界,云特征,海洋水色,浮游生物、生物地理、化學、大氣中水汽,地表溫度,云頂溫度,大氣溫度,臭氧和云頂高度等特征的信息,用于對陸表、生物圈、固態地球、大氣和海洋進行長期全球觀測。
      MODIS陸地氣溶膠屬二級數據產品,它是利用暗像元法,利用藍通道(0.47μm) ,紅通道(0.659μm)和短波紅外通道(2.13μm、3.8μm)的關系,通過查算表來反演得到0.55μm波長處的氣溶膠光學厚度,反演精度受到云含量、地表類型以及天氣環境狀態的影響[25]。本文所需MODIS資料來源于NASA網站()的氣溶膠日產品(MOD04),原始資料為蘭伯特投影方式,空間分辨率為10公里,經地理校正和圖像拼接后生成所需觀測范圍內的AOD數據。結    論
      本文利用時空分析方法分析沈陽地區2009—2011年FY-3A氣溶膠日產品、月產品以及2009—2011年中國地區太陽分光觀測網資料,分析了FY-3A氣溶膠產品在沈陽地區的適用性以及沈陽地區氣溶膠季節性分布,得出以下結論:
      (1)沈陽地區FY-3A氣溶膠產品資料在處理時空間范圍選取50×50KM范圍大小既可以匹配一小時太陽光度計數據,又與其他空間大小相比效果最優,故處理沈陽地區FY-3A氣溶膠產品時空間大小建議選擇50×50KM大小。
      (2)沈陽地區FY-3A氣溶膠產品資料落在NASA發布的誤差線內的比例為19.5%。與其他實測值相比,當氣溶膠實測AOD值為0.2~0.4時,FY-3A反演的氣溶膠產品落在誤差線內的比例較高,得到的衛星觀測數據較接近于真值。但總體來說在沈陽地區FY-3A產品誤差較大,區域代表性較差。
          (3)MODIS衛星氣溶膠產品在全國區域的觀測誤差較小,更接近實測值,通過沈陽地區隨機樣本的對比可以看出,MODIS衛星在沈陽地區的最相對誤差為-16.36%~8.65%,FY-3A的相對誤差為-61.12%~2.23%,FY-3A氣溶膠產品平均相對誤差比MODIS衛星大81.6%,偏離實測值更遠。
      (4)與通過日產品求得的月平均值相比,FY-3A氣溶膠月產品更接近于實測值,月產品與實測值的相關系數為64.86%,說明FY-3A月產品與實測值從長期變化趨勢(如月變化)來說具有較好的一致性。
      (5)沈陽地區氣溶膠季節性分布為春、夏季AOD值較高,秋、冬季AOD值較低,冬季由于積雪的影響,衛星的觀測值與實測值偏差較大。通過FY-3A氣溶膠月產品計算出的季節AOD值較接近于真值,且兩者相關系數為99.66%,因此可通過訂正氣溶膠月產品來評估該地區氣溶膠的長期變化趨勢。但由于氣溶膠遙感資料與地基觀測的時空匹配性、衛星本身的軌道漂移、氣溶膠反演算法等原因造成月產品相對誤差仍較大,在后續工作中需進一步加以改進。

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